|
Поиск по сайту: |
|
По базе: |
 |
| Главная страница > Статьи | |||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Источники питания по рецептам фирмы Maxim
Девиз нашего времени - мобильность. Если перефразировать эту мысль в духе нынешней разговорной лексики, то она прозвучит так - «Оторвись от проводов!». Мобильные телефоны, ноутбуки, наладонные компьютеры, и множество других современных переносных устройств позволяют нам отдыхать или трудится независимо от нашего физического местоположения. Все эти приборы требуют малогабаритных и надежных источников питания, которые могли бы, как в известном рекламном ролике «Работать, работать и работать!». В этой статье мы попытаемся рассмотреть различные типы микросхем, выпускаемых фирмой Maxim, с помощью которых строятся разнообразные устройства, формирующие необходимое питание изделий электронной техники. Практически для всех видов источников питания фирма Maxim производит свои микросхемы. Однако, наивысших показателей, она достигла именно в производстве малогабаритных, с малым потреблением мощности микросхем, которые используются в носимой аппаратуре, в устройствах мобильной связи и других аналогичных изделиях. Количество микросхем для различных источников питания, выпускаемых сегодня фирмой Maxim таково, что только перечисление с кратким описанием потребовало бы большой статьи. Рассмотрим некоторые принципы построения источников питания и используемые при этом микросхемы от Maxim. 1. DC/DC Преобразователи Если необходимо получить определенной величины напряжение постоянного тока при максимальной эффективности, наиболее часто используют ключевые регуляторы. Почему же применяют ключевые регуляторы? Работа этих регуляторов основана на том, что записанную в катушке индуктивности (или на электромагнитном изделии) энергию, определенными порциями, через низкоомный ключ, подают на запоминающий элемент - выходной конденсатор. При этом выходное напряжение относительно входного можно понизить, повысить, инвертировать. Все эти преобразования происходят при максимальном КПД, который, в некоторых случаях, превышает 95 %. Применяя в качестве накопителя энергии трансформатор, можно выходное напряжение электрически изолировать от входного. Существенным недостатком ключевого регулятора является шум. Минимизировать шум можно специальными методами управления и более тщательным подбором компонентов. Каким образом можно получить желаемое выходное напряжение при неизменном входном? 
Рис. 1. Топология понижающего преобразователя Вот топология (рис.1) понижающего преобразователя. Здесь, когда ключ закрыт, напряжение на концах катушки индуктивности равно Uвх - Uвых. В первый момент эта разность равна Uвх, потому что Uвых = 0 при запуске. Ток потечет через катушку индуктивности на выходной конденсатор, линейно увеличиваясь. Когда ключ открывается, напряжение на индуктивности мгновенно изменится для поддержания тока, который теперь течет через катушку индуктивности - выходной конденсатор - диод. Поскольку импульсная энергия поступает на выходной конденсатор каждую половину рабочего цикла, понижающая топология дает возможность работать с самой высокой эффективностью. Упрощенная схема повышающего преобразователя представлена на рис. 2. Пусть в течение времени, когда ключ был открыт, напряжение на конденсаторе приблизилось к входному напряжению. Если ключ закрыть, то практически все входное напряжение прикладывается к катушке индуктивности. Диод предотвращает разряд конденсатора через ключ на землю. Ток через индуктивность линейно повышается со скоростью di/dt=Uвх/L. Когда ключ снова открывается, напряжение на катушке мгновенно меняет свой знак, чтобы поддержать протекающий ток. Диод открывается и заряд, накопленный в индуктивности, передается на выходной конденсатор. При этом величина выходного напряжения на конденсаторе становится выше Uвх. Если указанный процесс повторяется раз за разом, то напряжение на конденсаторе повышается с каждым циклом. При использовании обратной связи в контуре управления, выходное напряжение можно регулировать в пределах установленного допуска. 
Рис. 2. Топология повышающего преобразователя Чтобы поменять знак выходного напряжения относительно входного, достаточно катушку индуктивности и ключ (рис.2) поменять местами. Упрощенная схема инвертора представлена на рис. 3. Здесь, при закрытом ключе, Uвх подается на катушку индуктивности и ток также линейно нарастает. Если ключ открыть, то ток, протекающий в том же самом направлении, потечет через конденсатор и диод. Таким образом, выходной конденсатор зарядится в обратном направлении, создавая выходное напряжение с противоположной полярностью относительно входного напряжения. 
Рис. 3. Топология инвертора-преобразователя Используя трансформатор, можно реализовать повышение, понижение или инвертирование, а также изолировать выходное напряжение от входного. Упрощенная схема, показанная на рис. 4 - топология обратноходового трансформаторного преобразователя. 
Рис. 4. Топология обратноходового трансформаторного преобразователя Для получения на выходе необходимого напряжения применяют несколько методов управления. Наиболее популярные из них: частотно - импульсная модуляция (PFM), частотно - импульсная модуляция с ограничением тока и широтно - импульсная модуляция (PWM). Частотно - импульсная модуляция является самым простым способом управления, когда выходное напряжение ниже регулируемой точки. Схема управления пропускает импульсы автономного генератора на ключ. Энергия, накопленная индуктивной катушкой, снова и снова увеличивает выходное напряжение до регулируемой точки. Рабочий цикл составляет 50% от периода. При достижении регулируемой точки импульсы на ключ не пропускаются. Недостатки такого способа преобразования: сложный выбор катушки индуктивности; двойная амплитуда пульсаций выходного напряжения может быть весьма высока; спектр шума/колебаний сильно изменяется с нагрузкой. При частотно - импульсной модуляции с ограничением тока регулирование пикового тока в индукторе происходит за счет сокращения числа импульсов управления. В этом случае выбор катушки индуктивности проще, снижаются пульсации выходного напряжения, но шумовой спектр все еще изменяется с нагрузкой. Широтно-импульсные модуляторы или ШИМ (PWM) используют другую технику управления. При ШИМ поддерживается постоянная частота переключения, а меняется только соотношение рабочего и холостого периода цикла (скважность). Эта методика позволяет получить высокую эффективность в широком диапазоне нагрузок. Кроме того, поскольку частота переключения постоянная, шумовой спектр относительно узкий, позволяя простым низкочастотным фильтром значительно снизить колебания выходного напряжения. Поэтому в технике связи ШИМ - регуляторы используются очень широко. 
Рис. 5. Топология преобразователя с обратной связью и управлением по напряжению Для качественного регулирования выходного напряжения с малым допуском от заданного значения используют обратную связь. При регулировании напряжения (рис. 5) с резистивного делителя выходного напряжения подают сигнал обратной связи на сравнивающее устройство, которое задает режим работы регулятора. При регулировании тока обычно ставят резистивный датчик тока в цепь ключ - индуктор. Второй контур обратной связи (по току) поступает в контур управления и позволяет выдерживать заданные параметры напряжения и тока в допустимых пределах. На рис. 6. показана упрощенная схема ШИМ - регулятора с управлением по напряжению и току. 
Рис. 6. ШИМ-регулятор с управлением по напряжению и току Принципы преобразования и их модификации используются при разработке микросхем источников питания многими фирмами. Только фирма Maxim на сегодняшний день разработала и предлагает для использования 237 базовых микросхем. Для некоторого представления о номенклатуре выпускаемых Maximом микросхем, используемых в ключевых регуляторах, приводится краткая таблица 1. Таблица 1. Характеристики микросхем-источников питания фирмы Maxim
Эту таблицу можно продолжать и продолжать. Но проще ли, уважаемый разработчик электронной техники, посмотреть всю номенклатуру выпускаемых микросхем для источников питания на 2. Преобразователи напряжения с накачкой заряда Для случаев, когда требуется комбинация малой мощности, простоты и низкой цены, часто лучшим выбором являются преобразователи напряжения методом накачки заряда на конденсаторы. Эти преобразователи не требуют никаких дорогих катушек индуктивности и, вообще, электромагнитных изделий. Обычно в преобразователях используются керамические или электролитические конденсаторы для сохранения и передачи энергии. Конденсаторы намного дешевле, чем катушки индуктивности, которые используются в других типах преобразователей. С помощью активных выключателей конденсаторы включаются параллельно друг другу или последовательно. В первом случае конденсатор С1 заряжается до напряжения Uвх, а в следующем цикле отдает часть записанной энергии конденсатору С2. При этом происходит уменьшение абсолютного значения выходного напряжения, а также легко меняется знак на противоположный входному напряжению. Конфигурация такого включения показана на рис. 7. 
Рис. 7. Принцип работы преобразователя напряжения DC/DC с накачкой заряда В группу нерегулируемых напряжение микросхем входят MAX 660, MAX 860, MAX 861, MAX 1680, MAX 1681. Эти современные по технологическому процессу изделия имеют встроенный генератор от десятков кГц до 1 МГц и низкоомные ключи, которые позволяют получать на выходе инверсное напряжение, близкое к входному [ = - (+Uвх)] с нагрузкой по току до 125 mA. Последние (по времени выпуска) микросхемы типа MAX 828, MAX 829, MAX 870, MAX 871, работают в режиме инвертора с улучшенными характеристиками внутренних элементов, установлены в корпус SOT-23 и требуют конденсаторы меньшей емкости. Микросхемы этой же группы MAX 1719 - MAX 1721 имеют дополнительный вывод, позволяющий выключать работу схемы. Очень легко получить на выходе указанных схем напряжение Uвых = Uвх/2. Это позволяет, используя линейный стабилизатор, получить простую, дешевую, с повышенной эффективностью схему, как представлено на рис. 8. 
Рис. 8. Комбинированный преобразователь 5В в 1,8В и током нагрузки до 100mA Необходимо из 5В входного напряжения получить 1,8 В и ток нагрузки до 100 mA. Если использовать только линейный стабилизатор, то эффективность не превысит 40%. Если использовать преобразователь напряжения с накачкой заряда, то на выходе его (GND) можно получить напряжение = Uвх/2 или около 2,5 Вольт. Теперь линейный стабилизатор работает с этим напряжением и его эффективность увеличивается до > 70% при токе нагрузки до 100 mA. Увеличение номиналов конденсаторов С1 и С2 позволяет поддерживать большие токовые нагрузки. Если показанные на рис. 7 конденсаторы С1 и С2 в первый цикл подключать одновременно к источнику питания, а во второй цикл подключить их последовательно к выходу, то мы получим примерно удвоенное напряжение, т. е. Uвых = 2Uвх. Таким образом, данный тип преобразователей позволяет как уменьшать, так и увеличивать выходное напряжение по отношению к входному. Схему включения выше указанных микросхем для получения инвертирующего отрицательного напряжения или удвоенного положительного смотрите в технической документации фирмы Maxim. Преобразователи с накачкой конденсатора, регулирующее напряжение. Если в интегральной микросхеме установить компаратор, который сравнивает выходное напряжение с установленным опорным, то можно получить 2 режима регулятора напряжения. Первый, когда компаратор при малом потреблении тока нагрузки не производит переключения ключей и, таким образом, за счет снижения статического тока покоя увеличивает эффективность источника питания. Второй режим, когда генератор работает с постоянным заполнением рабочего цикла, но эта частота регулируется от 50 кГц до 2 МГц. Это позволяет существенно снизить пульсации выходного напряжения. Такой регулятор может выдавать до 250 mA при Uвых = 5В. К преобразователям этой группы относятся MAX 619, MAX 682 - MAX 684, MAX 868, MAX 1673, MAX 1759. Отличительной особенностью последней микросхемы является то, что с помощью этого регулятора можно как повышать, так и понижать выходное напряжение. Она специально разработана для работы с Li++ батареями. На выводе этих батарей в течение срока службы напряжение меняется от 3,6 В до 1,5 В. чтобы получить на выходе MAX 1759 напряжение 3,3 В, сначала требуется понижающий преобразователь. При снижении напряжения батареи ниже 3,3В - требуется повышающий преобразователь. Микросхема MAX 1759 может работать с входным напряжением от 1,6В до 5,5В с фиксированным (3,3В) или регулируемым (2,5В - 5,5В) напряжением на выходе и током нагрузки до 100 mA. Для работы требуются только 3 внешних конденсатора. Дополнительный вывод позволяет прекратить работу преобразователя. При этом статический ток понижается до 1 µА. 3. Линейные регуляторы (стабилизаторы) Первыми появились линейные стабилизаторы. Удивительно, но появление регуляторов с новыми принципами преобразования с великолепными характеристиками и с высокой эффективностью не смогло вытеснить из числа используемых линейные регуляторы, которые остаются жизнеспособным соперником. Изменения, происходящие в электронных приборах, в полном объеме коснулись и линейных регуляторов: снижение рабочего тока и напряжения на стабилизаторе (dropout), снижение шума и упаковка сделали современный линейный регулятор очень отличным от широко известных LM309S и MA7805S. Однако вопрос и сейчас стоит остро - кому отдать предпочтение в самой быстро развивающейся части промэлектроники - портативные электронные изделия - линейным или ключевым регуляторам. Вот небольшая таблица сравнения параметров и характеристик линейного и ключевого стабилизатора. Таблица 2. Сравнение характеристик линейного и ключевого стабилизатора
Оставим комментарии к таблице за пределами статьи. Важно, что и линейные и ключевые регуляторы живут самостоятельной жизнью и не просто живут, но и тяготеют друг к другу. Это привело к объединению линейного и ключевого режима в одну микросхему, которая позволяет получить множество уровней выходных напряжений и выше, и ниже, и инвертированное относительно входного напряжения. Возможная схема совместного использования ключевого и линейного регуляторов представлена на рис. 9. 
Рис. 9. Объединение ключевого и линейных стабилизаторов позволяет получить необходимые уровни напряжения от низковольтных батарей Здесь падение напряжения батареи может быть ниже минимума, когда нет возможности получить на выходе линейного регулятора необходимое напряжение. Тогда ключевой регулятор (MAX 849) поднимает напряжение до необходимой величины, и от этого уровня работают линейные стабилизаторы (MAX 8863). Такой совместный режим двух регуляторов позволяет существенно повысить эффективность линейного регулятора за счет минимального напряжения, которое необходимо для нормальной работы. Сравнительная таблица этих регуляторов с низким продольным падением напряжения (LDO Liner Regulators) представлена ниже. Таблица 3. Сравнительная таблица линейных регуляторов
К настоящему времени в линейных регуляторах с LDO проходные элементы на основе P - MOS транзисторов имеют наименьшее значение по величине продольного напряжения. Эти же регуляторы имеют наивысшую эффективность при соотношении Iотст / Iнагр уже при токе нагрузки > 1mA. Фирмой Maxim выпускается 55 базовых схем линейных регуляторов. Сюда входят линейные регуляторы, соответствующие стандартным микросхемам с положительным или отрицательным выходным напряжением, LDO, с чувствительными элементами разряда батареи, с выключателями и многими другими полезными характеристиками. Входное напряжение может быть в диапазоне 1,5 – 28В или -2 – -16,5В, а выходное 1,04 – 28 или -15 – -1,25 соответственно. Регуляторы могут иметь входы установки постоянного выходного напряжения (MAX 667, 687, 688, 689 и др) одного номинала или (MAX 1725, 1735,1792, 8860, 8862 и др.) одного из нескольких возможных. Выходные токи могут быть от 40 до1000 mA (типовое значение). Падение напряжения от 0,9В (при Iнагр 40 mA) у MAX 663 0,073B (при 500 mA) и 0,8В (при 4А) у MAX 688, 689 до 0,05В (при 100 mA) у MAX 8890. почти все микросхемы Maxim выпускаются в малогабаритных корпусах SOT 23, 8/µMAX, 10/µMAX и им подобных и могут использоваться в малогабаритной и носимой аппаратуре. И возвращаясь к выше сказанному, отметим, что наилучшие результаты для линейных LDO - регуляторов получили при совместном использовании их с ключевыми регуляторами. Фирма Maxim выпускает такие регуляторы на одном чипе. В них может быть линейный выход как на одно, так и на несколько стабилизированных напряжений. Регуляторы выпускаются на разные выходные токи, и могут работать от батареи с напряжением 0,7В !!! Сюда относятся MAX 1705, 1706, 1765. Несколько линейных регуляторов на положительное и выходное отрицательное напряжение содержится в микросхемах MAX 1964, 1965. Краткий обзор микросхем источников питания, выпускаемых фирмой Maxim позволяет сделать следующий вывод. Если Вы не разрабатываете очень мощные источники питания или UPS, а хотите получить малогабаритный высококачественный и при этом сравнительно недорогой прибор, то фирма Maxim предоставит Вам именно те микросхемы, которые точно отвечают Вашим техническим требованиям. Если Вы еще не смогли сами подобрать необходимую микросхему, обращайтесь в Rainbow Technologies - поможем!  Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
