Перейти к содержанию

Минимальное время включения

Понижающий преобразователь на 2 МГц прекрасно делает 3,3 В из 12 В, а из 24 В начинает работать странно: частота падает, пульсации растут. Причина — минимальное время включения ключа. При большом отношении входа к выходу нужный импульс становится короче, чем микросхема способна сформировать.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Минимальное время включения (minimum on-time, tON(min)) — самая короткая длительность открытого состояния ключа, которую может сформировать контроллер импульсного преобразователя. По TI, его задают внутренние задержки и время гашения схемы управления (SNVSAN3F, разд. 8.4.3). Оно ограничивает минимальную скважность, а значит, наибольшее отношение входного напряжения к выходному при заданной частоте.

Как ограничивает режим

Для понижающего преобразователя нужная длительность импульса равна Uвых/(Uвх·fsw). Она не должна быть меньше tON(min), откуда оценка наибольшего входа без снижения частоты (SNVSAN3F, ур. 2):

Uвх≤UвыхtON(min)⋅fswU_\text{вх} \le \frac{U_\text{вых}}{t_\text{ON(min)} \cdot f_\text{sw}}
МикросхемаtON(min)Источник
LMR33630, корпус RNX68 нс типично, 80 нс максимумSNVSAN3F, разд. 7.6
LMR33630, корпус DDA75 нс типично, 108 нс максимумSNVSAN3F, разд. 7.6
TPS54360135 нс типичноSLVSBB4G, разд. 8.2.2.2

Пример. LMR33630, выход 3,3 В. При 2,1 МГц и tON(min) = 80 нс предел Uвх ≈ 3,3/(80 нс · 2,1 МГц) ≈ 19,6 В. При 400 кГц тот же расчёт даёт около 103 В — выше рабочего диапазона микросхемы, то есть ограничения нет.

Что делает микросхема у предела

  • Снижает частоту (frequency foldback). LMR33630 при достижении предела оставляет время включения постоянным и уменьшает частоту переключения, чтобы держать выход при наибольшем входе.
  • Пропускает импульсы. Если частота задана слишком высокой, часть периодов проходит без включения ключа, и пульсации растут. Для TPS54360 TI предупреждает ещё и о потере защиты от перегрузки при коротком замыкании.

Как выбрать частоту

TI на примере TPS54360 показывает порядок: по минимальному времени включения и наибольшему входу найти наибольшую частоту, отдельно — по условию защиты при КЗ, и взять меньшую с запасом. Для выхода 5 В и входа до 60 В получилось 710 и 902 кГц, выбрано 600 кГц (SLVSBB4G, разд. 8.2.2.2). Подробнее о микросхеме — в карточке TPS54360, а расчёт понижающего преобразователя — в калькуляторе DC-DC.

Не путать

Время гашения в контроллерах с управлением по току — родственное понятие: на это время после включения ключа компаратор тока игнорирует выброс, см. гашение переднего фронта. Оно — одна из составляющих минимального времени включения.

Частые вопросы

Как проверить, хватит ли минимального времени включения?

Посчитать нужную длительность импульса понижающего преобразователя: tвкл = Uвых/(Uвх·fsw) при наибольшем входном напряжении — и сравнить с максимальным tON(min) из даташита. Например, 3,3 В из 24 В на 2,1 МГц требуют около 65 нс, а у LMR33630 в корпусе RNX tON(min) до 80 нс: на такой частоте и входе ему придётся снизить частоту (SNVSAN3F, разд. 8.4.3).

Что происходит, когда импульс становится короче минимального?

Зависит от микросхемы. LMR33630 снижает частоту переключения, сохраняя минимальное время включения, и продолжает стабилизировать выход (SNVSAN3F, разд. 8.4.3). Другие преобразователи начинают пропускать импульсы, и пульсации растут. TI предупреждает, что для TPS54360 слишком высокая частота ведёт к пропуску импульсов или к потере защиты от перегрузки при КЗ (SLVSBB4G, разд. 8.2.2.2).

Почему минимальное время включения не бывает нулевым?

Потому что схеме управления нужно время: TI объясняет его задержками и временем гашения цепей управления (SNVSAN3F, разд. 8.4.3). Гашение нужно, чтобы выброс тока в момент включения ключа не был принят за превышение тока, — это то же гашение переднего фронта, что и в контроллерах с управлением по току.

Источники

  1. Texas Instruments. LMR33630 SIMPLE SWITCHER 3.8-V to 36-V, 3-A Synchronous Step-down Voltage Converter, SNVSAN3F (revised November 2020) — Features: короткое минимальное время включения 68 нс, частоты 400 кГц, 1,4 МГц, 2,1 МГц; разд. 7.6: tON-MIN 68 нс типично, 80 нс максимум (корпус RNX), 75/108 нс (DDA); разд. 8.4.3: у любого импульсного стабилизатора есть минимальное управляемое время включения, заданное задержками и временем гашения схемы управления; оно ограничивает минимальную скважность и коэффициент преобразования при высоком входе и низком выходе; LMR33630 при достижении предела снижает частоту (frequency foldback), сохраняя время включения; оценка входа, при котором начинается снижение частоты: VIN ≤ VOUT / (tON × fSW) (ур. 2)
  2. Texas Instruments. TPS54360 60-V Input, 3.5-A, Step-Down DC/DC Converter With Eco-Mode, SLVSBB4G (revised June 2018) — разд. 8.2.2.2: частоту переключения ограничивают минимальное время включения ключа, входное и выходное напряжения и защита снижением частоты; более высокая частота приводит к пропуску импульсов или потере защиты от перегрузки при КЗ; типичное минимальное время включения 135 нс; при выходе 5 В и входе до 60 В допустимо до 710 кГц, по условию защиты от КЗ — до 902 кГц; выбрано 600 кГц с запасом

Нашли ошибку?

Смотрите также