Первый повышающе-понижающий DC/DC-преобразователь индустриального исполнения по технологии HotRod QFn от TI

Владимир Рентюк

В статье рассмотрен новейший сверхминиатюрный контроллер для понижающе-повышающих (Buck-Boost) DC/DC-преобразователей индустриального исполнения корпорации Texas Instruments, реализованный с помощью передовой технологии HotRod QFN, увеличивающей плотность мощности.

Продукция корпорации Texas Instruments давно и хорошо известна на рынке DC/DC-преобразователей самого широко применения. Корпорация всегда идёт в ногу со временем, предлагая всё новые высокоэффективные решения, что особенно важно в условиях современного тренда миниатюризации и повышения эффективности индустриального оборудования. Это связано в первую очередь с постоянным расширением применения в промышленности устройств, требующих распределенного питания, так называемого PoL (PoL — Point of Load, источник питания, максимально приближенный к нагрузке), что позволяет избежать проблем с организацией шин напряжений постоянного тока и успешно решать вопросы электромагнитной совместимости. Кроме того, наблюдается всё более широкое распространение различных удалённых сенсоров с автономным питанием, устройств типа «Интернет вещей» и узловых компонентов в интеллектуальных сетях, для которых габариты, эффективность, пониженное собственное тепловыделение и возможность функционирования в жёстких условиях окружающей среды являются определяющими факторами [1]. Поскольку подобные решения не могут функционировать без соответствующей организации питания (как правило, батарейного), одним из краеугольных камней таких систем становится правильный и осознанный выбор подходящего DC/DC-преобразователя и, следовательно, его контроллера. Данный преобразователь должен действовать в широком диапазоне рабочих температур и питающих напряжений, иметь малые габариты, причем не только самого контроллера, но и конечного решения. К тому же само решение должно отличаться низкими собственными потерями, а следовательно, высоким КПД, причем в самом широком спектре нагрузок и входных напряжений. Ещё одним немаловажным фактором с точки зрения электромагнитной совместимости является пониженный уровень излучения помех.

Как можно видеть, указанные требования достаточно противоречивы. Тем не менее они реально выполнимы. Один из вариантов их реализации — использование предлагаемых TI повышающе-понижающих DC/DC-преобразователей индустриального исполнения, оснащенных встроенными силовыми ключами и требующих лишь одной катушки индуктивности, — серии микросхем ТРS63025х [2]. Основные области применения новых преобразователей — организация питания по технологии PoL, POS-терминалы, электронные кассовые аппараты, мобильные телефоны и смартфоны, мультимедийные устройства, спутниковые навигаторы (автономные и встроенные системы навигации), планшетные компьютеры, цифровые весы, а также портативная электроника с аккумуляторным и батарейным питанием.

До недавнего времени эти преобразователи были доступны только в корпусе DSBGA (суффикс YFF). Но совсем недавно TI расширила серию TPS63025х, добавив к ней преобразователь, выполненный по новой технологии HotRod QFN (в спецификации [2] обозначен как VQFN). Таким образом, на рынке появился первый понижающе-повышающий (buck-boost) DC/DC-преобразователь индустриального исполнения, пока реализованный в виде регулируемой версии TPS630250RNC.

Что же представляет собой серия TPS63025х и её новинка TPS630250RNC? Новый контроллер этого четырёхамперного преобразователя — TPS630250RNC создан в более эффективном 14-выводном корпусе исполнения HotRod QFN (VQFN, медные выводы с покрытием NiPdAu [2]), позволяет реализовать конечное решение с размерами всего 49 мм2. Собственные габаритные размеры ИМС контролера в этом исполнении, несмотря на его развитую внутреннюю архитектуру и пять мощных встроенных ключей (рисунок 1), составляют лишь 2,5×3 мм, а его типовое включение для варианта с произвольной установкой выходного напряжения предусматривает только пять внешних элементов (рисунок 2). Как уже отмечалось, ранее этот контроллер был доступен в менее удобном с точки зрения технологии сборки 20-выводном корпусе WCSP (DSBGA, шариковые выводы SnAgCu [2]) размером 1,766×2,086 мм. Некоторое увеличение габаритов дало неоспоримые технологические преимущества, не привело к значительному увеличению площади конечного решения, составившему примерно 11% (с 44 до 49 мм2). Сравнение вариантов исполнения в части корпуси-рования представлено на рисунке 3, а детальное описание особенностей микросхем, выполненных по технологии HotRod, приведено в публикации [3].

 Блок-схема TPS630250 (PGND — силовая «земля»; GND — аналоговая «земля»)

Рисунок 1. Блок-схема TPS630250 (PGND — силовая «земля»; GND — аналоговая «земля»)



 Типовая схема включения TPS630250

Рисунок 2. Типовая схема включения TPS630250 (вывод PFM/PWM не должен оставаться не подключенным: VIN — режим PWM (ШИМ), GND — режим PFM/PWM (ЧИМ/ШИМ))



 Сравнение корпусов DSBGA и HotRod QFN (VQFN)

Рисунок 3. Сравнение корпусов DSBGA и HotRod QFN (VQFN)

Все микросхемы серии TPS63025x представляют собой высокоэффективные контроллеры повышающе-понижающих (buck-boost) DC/DC-преобразователей с низким собственным током потребления (35 мкА), пригодные для приложений, в которых входное напряжение может быть как выше, так и ниже входного. Это часто наблюдается в устройствах с батарейным или аккумуляторным питанием. Токи нагрузки преобразователя в режиме повышения (boost) могут доходить до 2 А, а в режиме понижения (buck) до 4 А. Максимальный средний ток в коммутаторах ограничивается типичным значением 4 А. Преобразователь, выполненный на контроллере TPS63025x, стабилизирует выходное напряжение во всём диапазоне входных напряжений с помощью автоматического переключения между режимами buck-boost в зависимости от уровня входного напряжения, обеспечивая плавный и практически незаметный бесшовный переход. В контроллерах этого типа используется фиксированная рабочая частота. В режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ) контроллер использует синхронное выпрямление для получения максимальной эффективности. При малых токах нагрузки преобразователь входит в режим энергосбережения, чтобы сохранить высокую эффективность во всём диапазоне токов нагрузки. Контроллер имеет вход управления ЧИМ/ШИМ (вывод PFM/PWM), который позволяет выбрать между автоматическим режимом работы с переходом ЧИМ/ШИМ и принудительным режимом работы ШИМ. Как уже говорилось, в режиме ШИМ применяется фиксированная частота (типовое значение 2,5 МГц). Выходное напряжение программируется с помощью внутреннего (для варианта исполнения с фиксированным выходным напряжением) или задается внешним резистивным делителем (для установки выходного напряжения, заданного пользователем). Для того чтобы свести к минимуму нерациональный разряд батареи, преобразователь может быть полностью отключён, при этом ток, отдаваемый в нагрузку, не превысит 12 мкА. Во время остановки нагрузка полностью отключается от батареи, а выходной конденсатор разряжается внутренним ключом контроллера.

Благодаря увеличению плотности мощности технология корпусирования HotRod QFN снижает собственные потери преобразователя и, следовательно, уменьшает тепловыделение, сохраняя низкую температуру конечного изделия.

Основные особенности контроллеров TPS63025x:

  • режим повышающего и понижающего преобразования с автоматическим плавным, бесшовным переходом;
  • рабочий диапазон входного напряжения: 2,3-5,5 В;
  • исполнение в части выходного напряжения:
    - TPS630250 регулируемое в диапазоне 2,5-3,6 В,
    - TPS630251 фиксированное 2,9 В,
    - TPS630252 фиксированное 3,3 В;
  • точность установки выходного напряжения VOUT: 1%;
  • КПД до 95% в режиме повышающего и до 97% в режиме понижающего преобразования при VIN = VOUT;
  • типовое значение рабочей частоты преобразования: 2,5 МГц;
  • собственный ток потребления: 35 мкА (типовой);
  • диапазон рабочих температур: -40...+85 °C;
  • максимальная температура кристалла: +125 °C;
  • устойчивость к разрядам статического электричества:
    - ±2000 В (модель тела человека, HBM согласно JEDEC JS-001),
    - ±700 В (модель заряженного устройства, CDM согласно JESD22-V C101);
  • пороги логических уровней входов управления, при напряжении питания VIN 2,3-5,5 В:
    - низкий 0,4 В (max),
    - высокий 1,2 В (min).

Дополнительные возможности и встроенные функции TPS63025x:

  • ток нагрузки в режиме повышения напряжения (длительный) 2 А при входном напряжении VIN ≥ 2,5 В и выходном напряжении VOUT = 3,3 В;
  • режим плавного пуска (Soft Start);
  • автоматический переход в режим энергосбережения при малых нагрузках, управление по выводу PFM/PWM (низкий логический уровень);
  • возможность полного отключения с током потребления 0,1 мкА (типовой), управление по выводу EN (низкий логический уровень);
  • разряд выходного конденсатора специальным ключом на внутреннее сопротивление (120 Ом);
  • защита от короткого замыкания по выходу, перегрева (выше +140 °C), перегрузок по току и пониженного входного напряжения (пороговое значение 1,7 В);
  • диапазон допустимых индуктивностей дросселя: 0,5-1,5 мГн;
  • допустимо использование внешних конденсаторов в широком диапазоне ёмкостей (минимальное рекомендованное значение выходной ёмкости 20 мкФ).

Для общей оценки их преимуществ на рисунке 4 приведены графики КПД в режимах энергосбережения (ЧИМ/ШИМ) и обычного режима с ШИМ.

 Графики КПД в режиме энергосбережения (ЧИМ/ШИМ) (а) и обычном режиме с ШИМ (б)

Рисунок 4. Графики КПД в режиме энергосбережения (ЧИМ/ШИМ) (а) и обычном режиме с ШИМ (б)

Функционирование в режиме пониженного энергопотребления и переход на работу на мощную нагрузку в общем виде иллюстрирует рисунок 5.

 Диаграмма, иллюстрирующая работу преобразователя на контроллере серии TPS63025x в режиме энергосбережения ЧИМ/ШИМ

Рисунок 5. Диаграмма, иллюстрирующая работу преобразователя на контроллере серии TPS63025x в режиме энергосбережения ЧИМ/ШИМ

Для того чтобы сохранить высокий уровень КПД на малых токах, в контроллерах рассматриваемой серии используется режим ЧИМ. В этом режиме стабилизация выходного напряжения осуществляется только одним компаратором, который регулирует выходное напряжение. Пульсации переменного тока в этом состоянии увеличиваются по сравнению с ШИМ-режимом. Амплитуда напряжения пульсаций в худшем случае составляет 50 мВ в двойном размахе амплитуды, но, как правило, типовое значение с выходной ёмкостью на уровне 2 мкФ равно 30 мВ. Для того чтобы избежать критического падения напряжения при переключении с 0 А до полной нагрузки, выходное напряжение в режиме ЧИМ обычно на 1,3% выше номинального значения в режиме ШИМ. Это называется динамическим позиционированием напряжения (в англ. терминологии — Dynamic Voltage Positioning), что позволяет преобразователю успешно использовать выходной конденсатор малой ёмкости и гарантировать при этом низкое абсолютное падение напряжения во время переходного процесса при переключении на большую нагрузку. Значение тока в точке переключения с режима ЧИМ на режим ШИМ находится выше 350 мА. Реальные типовые значения изменения выходного напряжения приведены на рисунке 6. Как можно видеть, выходное напряжение всё время будет находиться в рамках допустимых значений и работа конечного устройства не нарушится.

 Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки в режиме энергосбережения

Рисунок 6. Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки в режиме энергосбережения (ЧИМ/ШИМ)

Ещё одной особенностью рассматриваемых микросхем является функция плавного пуска. Она реализована на уровне внутренней схемотехники контроллера и не требует, как обычно, внешних элементов в виде дополнительных конденсаторов. Когда на вход разрешения (вывод EN) подан высокий логический уровень управляющего напряжения, выходное напряжение во всех режимах начинает нарастать с предварительной задержкой в 100 мкс. Время плавного старта зависит от тока нагрузки, входного напряжения и ёмкости выходного конденсатора. Длительность плавного пуска в режиме повышения напряжения (bust) больше, чем в режиме понижения (buck). Типовое значение времени нарастания до 90% от уровня заданного выходного напряжения составляет 1 мс.

Как можно видеть, высокий КПД до 97% в широком диапазоне нагрузок и чрезвычайно низкий собственный ток потребления (IQ) на уровне 35 мкА позволяет увеличить время работы конечного изделия от батареи. Кроме того, низкий уровень пульсаций выходного напряжения, типовое значение которых в режиме ЧИМ равно 30 мВ (двойная амплитуда), гарантирует низкие и собственные шумы системы, и уровень излучаемых электромагнитных и радиопомех. Это упрощает решение столь важной проблемы, как электромагнитная совместимость.

Все остальные необходимые для использования ИМС контроллеров TPS63025x DC/DC-преобразователей описания, характеристики и методика расчета приведены в спецификации типа Data Sheet [2].

Для облегчения имплементации рассматриваемого решения в конечные изделия можно воспользоваться онлайн-инструментом для проектирования DC/DC-преобразователей. Для этого предлагается инструмент WEBENCH TPS630250 системы WEBENCH Design Center. Описание работы и особенностей использования этого симулятора для расчета DC/DC-преобразователей приведено в статье [4], и хотя с момента публикации прошло время, она не утратила актуальности и позволит без проблем освоить этот полезный инструмент.

Доступ к симулятору для проектирования на основе рассматриваемых контроллеров открывается непосредственно с основной страницы TPS63025x www.ti.com/product/tps630250?HQS=DK-null-null-TPS630250-exah-pf-null-wwe активацией виртуальной кнопки Open Design. При необходимости все параметры, установленные по умолчанию, могут быть изменены. Следует только учесть, что пока новые ИМС недоступны через поиск в системе WEBENCH Design Center, так что имеет смысл воспользоваться приведенной выше прямой ссылкой или прямой гиперссылкой в спецификации. Пример сравнения распределения температуры, полученный на симуляторе WEBENCH Design Center для решения на базе контроллера TPS630250RNC (корпус VQFN) и TPS630250YFF (корпус DSBGA), показан на рисунке 7.

 Распределение тепла по плате DC/DC-преобразователя, выполненного на контроллере TPS630250RNC (а)

Рисунок 7. Распределение тепла по плате DC/DC-преобразователя, выполненного на контроллере TPS630250RNC (а) в сравнении с исполнением TPS630250YFF (б). Условия моделирования: VIN = 2,7-5,5 В; VOUT = 3,3 В; IOUT = 2 А; температура окружающей среды +30 °C

Как можно видеть из результатов моделирования, если сам корпус VQFN и нагревается до более высоких температур, то температура нижней стороны платы и окружающих элементов, в частности дросселя, при использовании контроллера в корпусе VQFN — ниже. Наибольшие потери при этом наблюдались при входном напряжении 2,7 В (1,4 Вт). Именно этот наихудший вариант представлен на рисунке 6. При входных напряжениях 4,1 и 5,5 В потери не превысили 0,5 Вт.

Учитывая изложенные выше преимущества как всей серии DC/DC-преобразователей TPS63025х, так и её нового представителя TPS630250RNC, принимая во внимание сверхмалые габариты контроллеров и их высокою рабочую частоту (2,5 МГц), обратим внимание ещё на один немаловажный вопрос: разводка печатной платы и правильный выбор внешних элементов — входных и выходных и дросселя. В спецификации этому вопросу отведен специальный раздел, там же есть пример разводки для контроллера в интересующем нас корпусе HotRod QFN и даны конкретные рекомендации по выбору внешних элементов. Обратите внимание, что это доступно только в последней, новой версии спецификации 2015 года [2]. Рекомендации по выбору внешних компонентов дает и инструмент моделирования WEBENCH, кроме того, в нем доступна и их инвариантность.

Для детального изучения особенностей использования описываемых микросхем и решений на их основе Texas Instruments, как всегда, предлагает бесплатные образцы контроллеров и соответствующие демонстрационные комплекты. Комплект TPS63025xEVM-668 [5] предназначен для контроллера в интересующем нас новом корпусе HotRod QFN, а TPS63025xEVM-553 [6] — для контроллеров в корпусе DSBGA.

Цена новых контроллеров у авторизованных дистрибьюторов TI в больших партиях составляет от $1,25, а в малых — от $1,44. Оценка стоимости конечного решения DC/DC-преобразователя на контроллере TPS630250RNC в серийном производстве, для которого проводилось моделирование, — от $2,05. Поставка микросхем осуществляется на типовой ленте в катушках (Tape & Reel). Микросхемы соответствуют требованиям Директивы RoHS.

Простой в использовании новый контроллер с технологией HotRod QFN позволит создавать компактные устройства с малым тепловым излучением и нагревом. Эта новая технология, разработанная для увеличения плотности мощности, снижает потери и улучшает общую электромагнитную совместимость благодаря уменьшенному уровню электромагнитных помех. Повышающе-понижающие преобразователи на контроллерах в исполнении HotRod QFN идеально подходят там, где требуется увеличение времени работы батарей, — в мобильных POS-терминалах и кассовом оборудовании, оборудовании активно-адаптивных интеллектуальных сетей. Они с успехом могут применяться в промышленных или медицинских приложениях, в которых недопустимо увеличение температуры конечного устройства. Кроме того, они идеальны для систем распределённого питания PoL.

Литература

  1. Рейч Н. Преимущества развертывания сенсорных сетей в нефтегазовой индустрии // Control Engineering. 2015.№ 3.
  2. TPS63025x High Current, High Efficiency Single Inductor Buck-Boost Converter. Texas Instruments Incorporated. 2015.
  3. Stefan W. W. HotRod QFN Package PCB Attachment. Application Report SLUA715. May 2014. Texas Instruments Incorporated, 2014.
  4. Рентюк В. Проектирование DC/DC-преобразователей в системе WEBENCH Design Center // Компоненты и технологии. 2013. № 10.
  5. TPS63025xEVM-668, User's Guide SLVUAD2. March 2015. Texas Instruments Incorporated, 2015.
  6. TPS63025xEVM-553, User's Guide SLVUA24. April 2014. Texas Instruments Incorporated, 2014.