Сдвоенный dc/dc регулятор напряжения с цифровым интерфейсом от компании linear

Содержание

Сдвоенный модуль регулятора напряжения с цифровым интерфейсом и выходными токами 13 А

Linear Technology LTM4676

Jian Li, Gina Le, Linear Technology

Design Note 524

Цифровые системы управления питанием: задание, контроль, изменение и протоколирование параметров

При большом количестве шин питания управление потреблением мощности на печатных платах превращается в сложную задачу, требующую ручных измерений с помощью цифровых вольтметров и осциллографов, а нередко и доработки печатной платы. Для того чтобы сделать управление питанием более простым, особенно в тех случаях, когда управляющий контроллер удален от потребителей энергии, в последнее время все чаще используются решения с управлением по цифровой коммуникационной шине. Цифровая система управления питанием позволяет удаленно задавать, контролировать, изменять и протоколировать параметры источника.

Сдвоенный регулятор μModule с высокой точностью установки и измерения параметров питания

LTM4676 представляет собой микромодуль (μModule), содержащий два DC/DC преобразователя с постоянной частотой переключения и выходными токами 13 А (Рисунок 1). LTM4676 могут не только обеспечивать питанием точки приложения нагрузки и легко конфигурироваться под различные задачи, но и осуществлять телеметрический контроль параметров питания, передавая информацию через шину PMBus – открытый стандарт, основанный на цифровом последовательном интерфейсном протоколе I 2 C. В модуле LTM4676 объединены лучшие в своем классе аналоговые импульсные регуляторы и высокоточные схемы смешанных сигналов для обработки данных. Во всем диапазоне рабочих температур перехода от –40 °C до 125 °C погрешность стабилизации выходного напряжения не превышает ±1%, а точность измерения тока составляет ±2.5%. В модуль интегрированы 16-битный дельта-сигма АЦП и EEPROM.

Рисунок 1.LTM4676: двухканальный стабилизатор напряжения μModule
с выходными токами 13 А и интерфейсом PMBus.

Последовательный двухпроводный интерфейс модуля LTM4676 позволяет устанавливать точные уровни или предельные границы выходного напряжения, программировать скорости его нарастания и спада, а также задавать очередность и задержки включения каналов. С помощью интерфейса можно считывать величины входных и выходных токов и напряжений, выходную мощность, температуру, время работы устройства и пиковые значения. Устройство состоит из двух быстродействующих аналоговых контуров управления, точных цифро-аналоговых цепей, EEPROM, силовых MOSFET, катушек индуктивности и дополнительных компонентов, размещенных в корпусе размером 16 × 16 × 5.01 мм.

Микросхема работает при входном напряжении VIN от 4.5 В до 26.5 В, преобразуя его в два выходных напряжения от 0.5 В до 5.4 В. Два выхода можно объединить в один, чтобы получить удвоенный выходной ток: 13 А + 13 А = 26 А.

Внутренняя или внешняя коррекция

В LTM4676 предусмотрена возможность использования как собственных внутренних цепей коррекции, так и внешних, что позволяет оптимизировать переходную характеристику в широком диапазоне рабочих режимов. Из Рисунка 2 видно, что при скачкообразном увеличении нагрузки на 50% выброс выходного напряжения составляет всего 94 мВ пик-пик.

Рисунок 2.Переходная характеристика LTM4676 в схеме, изображенной
на Рисунке 1, при VIN = 12 В, VOUT1 = 1.8 В, IO = 6.5 A … 13 A.

Объединение каналов для получения выходных токов до 100 А при выходном напряжении 1 В

В микросхеме реализована архитектура с управлением по пиковому току на постоянной частоте переключения, обеспечивающая поцикловое ограничение тока и простое распределение токов между несколькими фазами. Соединяя параллельно несколько модулей, можно увеличить ток нагрузки. Например, четыре модуля LTM4676, включенные параллельно, могут отдавать выходной ток до 100 А. На Рисунке 3 показана термограмма платы с четырьмя модулями.

Рисунок 3.Термограмма платы с четырьмя модулями LTM4676.
VIN = 12 В, VOUT = 1.0 В/100 А, скорость обдува 100 м/мин.

При скорости воздушного потока 100 метров в минуту температура горячей зоны поднимается всего лишь до 64.3 °C. Столь однородная тепловая картина обусловлена отличными характеристиками распределения тока. На Рисунке 4 приведена фотография демонстрационной платы с четырьмя стабилизаторами μModule LTM4676, объединенными в один регулятор с выходным током 100 А и напряжением 1 В.

Рисунок 4.Четыре модуля LTM4676 могут обеспечить
нагрузку током 100 А.

Заключение

Цифровые устройства управления питанием компании Linear Technology предоставляют все критически необходимые данные. Через цифровую шину пользователи получают информацию о токе нагрузки, входном токе, выходных напряжениях, расчетной мощности потребления и КПД, а также имеют доступ к другим параметрам управления мощностью. Это делает возможной прогнозную аналитику, минимизирует операционные затраты, повышает надежность и позволяет реализовать интеллектуальное управление энергией.

Цифровой мониторинг и управление питанием системы, основанные на использовании LTM4676, сокращают количество необходимых компонентов и упрощают топологию печатной платы, ускоряя оценку характеристик, накопление данных и оптимизацию системы на этапах макетирования, освоения производства и эксплуатации изделия.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Рубрикатор

События

Наши новости

Новости

Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

Новое поколение DC/DC преобразователей напряжения – μ-модули от компании Linear Technology

Денисов Максим

Последние достижения компании Linear Technology в совершенствовании регуляторов напряжения позволили создать новый тип DC/DC-преобразователей. Данная серия получила название μ-модулей — преобразователей, особенностью которых является наличие ШИМ-контроллера, MOSFET-транзисторов, индуктивностей, входных и выходных проходных конденсаторов, а также схемы компенсации пульсаций выходного напряжения в едином корпусе площадью всего 2,25 см 2 . Корпус μ-модулей — LGA (Land Grid Array) с матрицей контактных площадок, имеющий размеры 15×15×2,8 мм, позволяет с большей эффективностью отводить тепло и защищает внутренние элементы от воздействия неблагоприятных внешних факторов. Несмотря на свои размеры, μ-модули работают в широком диапазоне входных напряжений (от 4,5 до 28 В) с возможностью понижения выходного напряжения вплоть до 0,6 В и работой с силой тока от 6 до 12 А.

Введение

Современная электронная аппаратура, используемая в автомобилях, в профессиональной контрольно-измерительной технике и телекоммуникационном оборудовании, содержит большое количество сложных цифровых устройств, таких как программируемые логические микросхемы, модули памяти и микроконтроллеры, и поэтому предъявляет особые требования к DC/DC-конверторам. Например, в системах сбора и накопления данных требуется, чтобы частота переключений DC/DC-преобразователя была максимально близка к тактовой частоте. Серия μ-модулей содержит схему фазовой автоподстройки собственной частоты коммутации с внешней тактовой частотой. Кроме того, многие системы требуют различные напряжения питания для работы внутренних компонентов, таких как модули памяти, интерфейсы ввода/вывода, микропроцессоры и пр. В связи с этим важно, чтобы преобразователи напряжения имели схемы точной настройки стабилизации выходного напряжения.

Описание и принцип работы μ-модуля LTМ4600

LTМ4600 представляет собой синхронный переключающий DC/DC-преобразователь. Модуль дает возможность точной настройки выходного напряжения от 0,6 до 5,0 В посредством изменения номинала внешнего резистора. При этом выходное напряжение не должно превышать 80% от входного. Диапазон входных напряжений — от 4,5 до 20 В. В состав данных модулей входят DC/DC-регулятор, MOSFET-транзисторы со сверхнизкими величинами сопротивлений «исток–сток» и высокой частотой переключения, а также диоды Шоттки. Стандартная частота переключения составляет 850 МГц. Внутренняя схема обратной связи и компенсации обеспечивает достаточную стабильность при работе модуля в заявленном температурном диапазоне. В качестве выходных можно применять как танталовые, так и керамические конденсаторы, например, классов X5R и X7R.

В модуле реализована схема плавного старта. Подача напряжения ниже 0,8 В на вход RUN/SS переводит схему в режим выключения, закрывая транзисторы Q1 и Q2. При увеличении напряжения происходит заряд внутреннего конденсатора (1000 пФ), благодаря чему обеспечивается время плавного запуска 0,7 мс.

Читайте также:  Глубина штробы под проводку

В LTM4600 реализована возможность защиты от повышенного напряжения. При превышении выходного напряжения более чем на 10% от заданного транзистор Q1 закрывается, а Q2 переходит в открытое состояние до снижения выходного напряжения. При изменении выходного напряжения на ±10% внутренняя схема сравнения подает сигнал на сервисный выход PGOOD.

В μ-модулях LTM4600 предусмотрена возможность работы с внешним регулятором. При отключенном или замкнутом на «землю» входе EXTVcc работу модуля контролирует внутренний линейный регулятор. При подаче напряжения свыше 4,7 В на входе EXTVcc внутренний регулятор отключается, схема переключает управление затвором на внешний регулятор. Данное решение позволило исключить потери мощности на регуляторе и снизить тепловую нагрузку на весь модуль в целом. Максимальное напряжение на входе EXTVcc должно быть ниже 6 В и не должно превышать входное напряжение Vin. Важным моментом является то, что управляющее напряжение необходимо подавать после подачи входного напряжения Vin.

Расчет и программирование выходного напряжения

Внутреннее опорное напряжение ШИМ-контроллера модуля LTM4600 составляет 0,6 В ±1%. Изменение значения выходного напряжения производится введением в схему между VOSET и SGND (Small Signal Ground Pin) резистора RSET.

Питание LTM4600 осуществляется от источника постоянного напряжения с низким сопротивлением постоянному току. Основные требования, предъявляемые к входным конденсаторам: возможность работы на высоких частотах, низкое эффективное последовательное сопротивление. Выбор сглаживающего входного конденсатора должен осуществляться исходя из его возможности работы с большими эффективными значениями токов. Для понижающего преобразователя производительность может быть рассчитана с помощью формулы:

где D — производительность, VO — выходное напряжение, VIN — входное напряжение.

Эффективное значение тока на входном конденсаторе вычисляется по следующей формуле:

где ICIN(RMS) — ток на входном конденсаторе, IO(MAX) — максимальный выходной ток, D — производительность, η% — расчетный КПД.

Параметры выходных конденсаторов с низким эффективным последовательным сопротивлением должны обеспечивать сглаживание пульсаций и искажений выходного напряжения LTM4600. Типичная емкость танталовых, керамических выходных конденсаторов — 200 мкФ.

Тепловой режим LTM4600

Создание μ-модулей непосредственно связано с усовершенствованием типа корпуса LGA. Разработчики устройств с высокой степенью интеграции сталкиваются с определенными проблемами при расчете термической стойкости устройств. Все компоненты μ-модуля заключены в единый пластиковый корпус, не имеют собственных выводов, и единственными точками крепления компонента к печатной плате являются контактные площадки корпуса. Рассмотрим некоторые варианты монтажа и показатели термической стойкости модуля.

Монтаж модуля без внешнего радиатора

При работе в режиме преобразования из 12 в 3,3 В с током нагрузки 10 А и в режиме преобразования из 24 в 3,3 В с током нагрузки 10 А КПД составляет 91% и 87% соответственно. Рассеиваемая на печатной плате мощность в данных режимах — 3 и 4,25 Вт. На рис. 2, 3 приведены тепловые снимки модуля при работе на разных режимах работы. Видно, что в режиме 12–3,3 В при 10 А максимальная температура модуля составила 65,9 °С (рис. 2). При работе в режиме преобразования 24–3,3 В при 10 А температура составляет 85,7 °С (рис. 3). Максимальная температура, зарегистрированная в данном режиме (при измерении в непосредственной близости от MOSFET-транзистора) составила 89,8 °С, средняя температура печатной платы — 75 °С. Таким образом, тепловое сопротивление составило 15,2 °С/Вт. В данном примере был рассмотрен наименее предпочтительный вариант монтажа — без внешнего радиатора и воздушного охлаждения.

Монтаж с использованием внешнего радиатора

На рис. 4 представлен термический снимок, сделанный при монтаже μ-модуля с использованием радиатора, установленного на корпусе модуля. В этом случае, при тех же режимах работы (12–3,3 В и 24–3,3 В), средняя температура печатной платы составила 54 °С и 73 °С соответственно. При применении радиатора теплоотвод более равномерный. Температура радиатора при таких условиях составила примерно 66 °С, а тепловое сопротивление — 21,5 °С/Вт. Максимальная зарегистрированная температура модуля — 84 °С. Таким образом, температурная нагрузка на печатную плату при использовании радиатора гораздо меньше, и от модуля обеспечивается более эффективный отвод тепла. Общее тепловое сопротивление составляет 13,9 °С/Вт.

Монтаж с использованием металлической пластины

Данный тест термического сопротивления LTM4600 проведен с использованием в качестве радиатора металлической пластины размером 100×80 мм и термической прослойки типа Gap Pad (рис. 5, 6). Температура печатной платы составила 66 °С, а температура металлической пластины — 44 °С, тепловое сопротивление пластины — 7,5 °С/Вт. Максимально зарегистрированная температура μ-модуля — 76 °С. Общее тепловое сопротивление в данном случае составило 12 °С/Вт.

Технология и способы монтажа

В современном производстве материалы и технология монтажа, а также возможность контроля качества производства готового устройства являются для разработчика одними из основных факторов при выборе компонентов с высокой степенью интеграции. Важнейший момент при внедрении μ-модуля в проектируемую схему — это разработка шаблона. Электрическое и механическое соединение μ-модуля осуществляется с использованием паяльной пасты.

Качество паяльной пасты — один из важнейших параметров при производстве интегральных схем современных высокотехнологичных устройств. Производитель рекомендует к использованию паяльную пасту Sn63/Pb37, Sn95/3,5Ag/0,5Cu.

Контроль качества пайки осуществляется с использованием рентгеновского излучения. Основная задача процесса контроля в данном случае — выявление пустот в местах пайки и замыканий между контактными площадками. При правильной пайке и точном соответствии контактных площадок на печатной плате и модуле дополнительная регулировка положения модуля на плате не требуется.

Возможность сопряжения и совместной работы μ-модулей

В настоящее время разработчики часто сталкиваются с проблемой обеспечения достаточной мощностью отдельных элементов проектируемой схемы. Использование модулей серии LTM4600 является наиболее предпочтительным вариантом в условиях ограниченного пространства на плате или приборе. Для увеличения выходной мощности DC/DC-источника возможно объединение до четырех μ-модулей с синхронизацией частоты. На рис. 7 показана схема использования четырех преобразователей с выходными напряжениями 1,5 В при 12 А, 1,8 В при 12 А, 2,5 В при 12 А и 3,3 В с током 10 А соответственно. В качестве согласующего генератора используется разработка Linear Technology LTC6902 — многофазный генератор с расширенной частотной модуляцией. При данных условиях общая выходная мощность с учетом КПД (рис. 8) каждого из модулей составила 103 Вт при общих размерах решения 11×11 см.

Заключение

Компания Linear Technology разработала инновационное поколение DC/DC-преобразователей, характеризующееся высокой степенью интеграции. Это решение позволяет разработчикам уменьшить рабочую площадь на печатной плате, а реализованное устройство дает возможность обеспечить точным и стабильным питанием такие устройства, как цифровые сигнальные процессоры, программируемые вентильные матрицы и микропроцессоры. Небольшие размеры, контроль выходного напряжения на наличие пульсаций, возможность работы с токами до 14 А и широкий диапазон входных и выходных напряжений — вот основные преимущества новой линейки DC/DC-конвертеров, выгодно отличающих LTM4600 от других типов преобразователей.

Другие статьи по данной теме:

Если Вы заметили какие-либо неточности в статье (отсутствующие рисунки, таблицы, недостоверную информацию и т.п.), просьба сообщить нам об этом. Пожалуйста укажите ссылку на страницу и описание проблемы.

Мощные и компактные DC/DC-регуляторы напряжения μMODULE — идеальное решение для современных систем телекоммуникаций

Авторы статьи

Тони Армстронг (Tony Armstrong) Перевод: Павел Башмаков (Pavel Bashmakov) active@ptelectronics.ru Владимир Рентюк

(Опубликовано в журнале «Вестник Электроники» №3 2016)

Вступление

Техническая политика производителей телекоммуникационного оборудования, как ответ на требования рынка, направлена на то, чтобы постоянно увеличивать пропускную способность и эффективность выпускаемых ими систем, а также повышать их функциональные возможности и общие технические характеристики. В то же время остаются актуальными и вопросы снижения общего потребления энергии выпускаемых систем. Например, типичная задача состоит в том, чтобы сократить общее энергопотребление путем перенаправления рабочего потока и перемещения рабочей нагрузки на недостаточно задействованные серверы, что позволяет отключить часть серверов, освободившихся на текущий момент. Для удовлетворения этих требований необходимо знать энергопотребление оборудования конечного пользователя. Таким образом, правильно спроектированная система цифрового управления питанием DPSM (англ. DPSM — digital power management system) может предоставить пользователю данные о потребляемой мощности, что помогает реализовать интеллектуальные, или, как еще говорят, «умные», решения по управлению общим энергопотреблением.

Читайте также:  Работаем с labview на примере stm32

Основное преимущество и выгода от использования технологии DPSM — снижение себестоимости разработки и сокращение времени выхода конечного изделия на рынок. Сложные мультишинные системы могут быть эффективно созданы с помощью комплексной среды разработки с интуитивно понятным графическим пользовательским интерфейсом (англ. GUI — graphical user interface). Кроме того, подобные системы упрощают тестирование и отладку устройства, давая возможность вносить изменения непосредственно через графический интерфейс вместо пайки перемычек. Еще одно преимущество — прогнозирование отказов системы питания и внесение превентивных мер, что становится возможным благодаря наличию данных телеметрии, получаемых в реальном времени. Вероятно, особое значение здесь имеет то, что DC/DC-преобразователи с цифровыми функциями управления позволяют разработчикам проектировать «зеленые» системы питания, обеспечивающие необходимую производительность с минимальным энергопотреблением в точках нагрузки. Более того, выгода существует уже на уровне инсталлирования таких систем, снижает затраты на инфраструктуру и общую стоимость пользования системой в течение всего срока службы продукта.

Большинство телекоммуникационных систем питаются через 48-В шину, затем это напряжение обычно понижается до напряжения промежуточной шины, обычно оно находится в диапазоне напряжений от 12 до 3,3 В, от которого осуществляется непосредственное питание плат в рэк-стойках системы. Тем не менее большинство вспомогательных цепей или микросхем на платах должны работать при напряжении в диапазоне менее чем от 1 и до 3,3 В при токах от десятков миллиампер до сотен ампер. В результате DC/DC-преобразователи, используемые в рамках технологии POL (англ. POL — Point-of-Load, технология, при которой источник питания максимально приближен к своей непосредственной нагрузке), должны понизить напряжение промежуточной шины до напряжения, требуемого этими вспомогательными цепями или микросхемами. К таким шинам предъявляются весьма строгие требования по соблюдению последовательности включения, точности напряжения, по маржированию и контролю (обычно с использованием функции супервизора).

В телекоммуникационных системах насчитывается до пятидесяти самых разнообразных шин POL, и системным разработчикам необходим простой способ для управления этими шинами, причем по отношению как к выходному напряжению, так и к последовательности (очередности) их включения и уровню максимально допустимого тока нагрузки. Например, некоторые процессоры требуют, чтобы их напряжение на порты ввода/вывода подавалось еще до подачи основного напряжения на ядро. Другие решения, в частности DSP (англ. DSP — Digital Signal Processor, цифровой сигнальный процессор), предусматривают подачу своего основного напряжения еще до поступления напряжения на порты ввода/вывода. Соблюдение определенного порядка снятия напряжений при выключении питания также является обязательным условием. Для того чтобы упростить конструкцию в части организации электропитания, проектировщику системы нужен простой способ, чтобы сделать все необходимые изменения, направленные на оптимизацию производительности системы, но при этом и сохранить определенное необходимое конфигурирование каждого из ее DC/DC-преобразователей.

Кроме того, чтобы одновременно удовлетворить требования по всем многочисленным шинам питания на платах и по уменьшению площади самих плат, системные разработчики должны иметь относительно простые преобразователи напряжения, поскольку на обратной стороне плат нельзя размещать преобразователи напряжения высотой более 2 мм, что обусловлено плотностью установки, если она выполняется в рэк-стойках. Поэтому специалистам действительно необходимы такие, полностью законченные источники питания в малом форм-факторе.

Решение

DC/DC-преобразователи семейства μModule компании Linear Technology представляют собой полную законченную так называемую систему в корпусе — SiP (англ. SiP — System in a Package). Использование подобного конструктива сводит к минимуму сроки проектирования и позволяет сократить площадь печатных плат и увеличить плотность компоновки.

DC/DC-преобразователи типа μModule — это комплексное решение в части управления электропитанием со встроенным контроллером, силовыми транзисторами, входными и выходными конденсаторами, элементами схемы компенсации и катушками индуктивности (дросселями), размещенное в компактных корпусах для поверхностного монтажа типа BGA или LGA. Проектирование с помощью DC/DC-преобразователей типа μModules может значительно уменьшить сроки ОКР. Так, необходимое для завершения процесса проектирования время, в зависимости от сложности конструкции, может быть сокращено до 50%. Семейство μModule снимает с разработчика тяжелое бремя выбора компонентов, оптимизации и макетирования устройства, снижая общее время разработки системы и поиска возможных неисправностей, и в конечном счете ускоряет выход изделия на рынок.

Решения на базе DC/DC-преобразователей μModule от компании Linear Technology, выполненные в компактном, ИС-подобном форм-факторе, интегрируют в себе все ключевые компоненты и обычно используются для замены элементов электропитания на дискретных компонентах, в сигнальных цепях и для изолированных конструкций. Благодаря тщательному контролю и жестким испытаниям со стороны компании Linear Technology DC/DC-преобразователи семейства μModule отличает высокая надежность, а широкая доступная номенклатура таких продуктов упрощает их выбор для оптимизации конструкции и размещения преобразователей на конкретной печатной плате.

Семейство продуктов μModule охватывает самый широкий спектр приложений, включая PoL-модули, зарядные устройства, светодиодные драйверы, микросхемы менеджмента систем питания (источники питания PMBus с цифровым управлением) и изолированные преобразователи. Преобразователи линейки μModule, предназначенные для электропитания, позволяют сократить время на проектирование и решить проблемы пространственных ограничений, обеспечивая высокую эффективность (КПД), надежность, а для ряда продуктов — и решения с более низким уровнем излучаемых электромагнитных помех, отвечающим требованиям стандарта EN55022 по классу B.

Рис. 1. Низкопрофильные источники линейки μModule (высота менее 2 мм) могут быть размещены с обеих сторон печатной платы

Поскольку из-за повышенной сложности системы все ее составные конструктивные элементы оказываются рассредоточенными, а сами циклы проектирования максимально сокращены, то на первый план выходит вопрос интеллектуальной собственности такой системы в целом. Это часто означает, что разработка системы питания не может быть оставлена «на потом» и ожидать завершения всего цикла проектирования. Имея небольшое количество времени и весьма ограниченные ресурсы, специалисты, занимающиеся разработкой систем питания, зачастую сталкиваются с задачей, когда им необходимо создать максимально согласованную и высокоэффективную систему питания, при этом занимающую минимальное пространство на печатной плате. Для решения именно таких задач и созданы источники питания линейки μModule, сочетающие в себе высокий КПД импульсного преобразователя и простоту применения LDO.

Аккуратный дизайн, правильная разводка ПП, тщательный подбор компонентов — все это является неотъемлемой и трудоемкой задачей при проектировании эффективной системы питания. Когда время крайне ограничено или опыт в создании подобных систем недостаточен, готовые модульные источники питания линейки μModule помогут сохранить Ваше время и избавят от риска срыва сроков проекта.

В качестве примера приведем суперкомпактный импульсный DC/DC-регулятор напряжения — LTM4622. Это двухканальный 2,5 А на канал/одноканальный 5-А понижающий регулятор напряжения в микромодульном исполнении и крошечном, супертонком LGA-корпусе 6,25х6,25х1,82 мм. Профиль данного источника соизмерим с профилем стандартного керамического конденсатора в корпусе 1206, что позволяет размещать данный источник как с верхней, так и с нижней стороны печатной платы, заметно сокращая занимаемую площадь, что особо актуально для плат формата PCIe и мезонинных типов подключения (рис. 1).

DC/DC-преобразователи семейства μModule компании Linear Technology также представляют собой решение, одновременно предоставляющее и высокую выходную мощность, и DPSM-функциональность.

Таблица. Перечень низкопрофильных модульных DC/DC-источников питания от Linear Technology

Поскольку многие стабилизаторы напряжения семейства μModule для высокого тока нагрузки могут быть подключены параллельно, причем с высокой точностью согласования при распределении токов (в пределах номинального отклонения в 1% друг от друга), это уменьшает риск возникновения точек локального перегрева. Кроме того, достаточно, чтобы лишь один из подключенных стабилизаторов напряжения μModule предусматривал возможность реализовывать DPSM-функциональность, и именно он способен обеспечить полный цифровой интерфейс, даже если остальные μModule-устройства, включенные параллельно, не имеют возможности реализовать функцию DPSM. На рис. 2 показана схема для решения на ток 180 A плюс реализация функции DPSM для технологии PoL. Данное решение выполнено на базе одного модуля LTM4677 (стабилизатор напряжения μModule с функцией DPSM на ток до 36 A), включенного параллельно с тремя LTM4650 (стабилизаторами напряжения μModule на ток до 50 A без функции DPSM).

Рис. 2. Сочетание одного LTM4677 DPSM μModule и трех LTM4650-стабилизаторов напряжения семейства μModule позволяет реализовать от входной промежуточной шины с номинальным входным напряжением 12 В источник питания с выходным напряжением 1 В и током 186 A

Читайте также:  Сварочный аппарат своими руками из доступных компонентов

Заключение

Имея возможность организации DPSM и сверхтонкие профили, разработчики электропитания могут легко реализовать в современных системах связи заданные конструктивные требования и обеспечить высокую выходную мощность с напряжением в 1 В для питания новейших интегральных схем специального назначения (ASIC), выполненных на основе суб-20-нм техпроцесса, ядер графических процессоров и ПЛИС. При установке на печатную плату модуль LTM4622 способствует оптимальному использованию пространства на ее нижней стороне благодаря своему ультратонкому профилю. Конечно, такое решение не позволяет значительно экономить дорогостоящее место на плате, но снижает общие требования по охлаждению из-за большей эффективности.

И в заключение хотелось бы напомнить, что применение стабилизаторов напряжения семейства μModule имеет смысл в тех областях, где это заметно сокращает время отладки и помогает более эффективно задействовать площадь печатной платы. В итоге уменьшаются затраты на инфраструктуру, а также на совокупное владение в течение всего срока службы конечного изделия.

Понижающий DC-DC преобразователь на LM2596

Понижающие DC-DC преобразователи все чаще и чаще находят свое применение в быту, хозяйстве, автомобильной технике, а также в качестве регулируемых блоков питания в домашней лаборатории.

К примеру, на большегрузном автомобиле напряжение бортовой кабельной сети может составлять +24В, а вам необходимо подключить автомагнитолу или другое устройство с входным напряжение +12В, тогда такой понижающий преобразователь вам очень пригодится.

Множество людей заказывают с различных китайских сайтов понижающие DC-DC преобразователи, но их мощность довольно таки ограничена, ввиду экономии китайцами на сечении обмоточного провода, полупроводниковых приборах и сердечниках дросселей, ведь чем мощнее преобразователь, тем он дороже. Поэтому, предлагаю вам собрать понижающий DC-DC самостоятельно, который превзойдет по мощности китайские аналоги, а также будет экономически выгоднее. По моему фотоотчету и представленной схеме видно, что сборка не займет много времени.

Микросхема LM2596 есть ни что иное, как импульсный понижающий регулятор напряжения. Она выпускается как на фиксированное напряжение (3.3В, 5В, 12В) так и на регулируемое напряжение (ADJ). На базе регулируемой микросхемы и будет построен наш понижающий DC-DC преобразователь.

Рекомендую к прочтению статью “Регулируемый стабилизатор напряжения на LM2576”, микросхемы LM2576 и LM2596 практически идентичны, расположение выводов и обвязка одинаковые, разница в частоте генератора и некоторых параметров.

Схема преобразователя

Основные параметры регулятора LM2596

Входное напряжение………. до +40В

Максимальное входное напряжение ………. +45В

Выходное напряжение………. от 1.23В до 37В ±4%

Частота генератора………. 150кГц

Выходной ток………. до 3А

Ток потребления в режиме Standby………. 80мкА

Рабочая температура от -45°С до +150°С

Тип корпуса TO-220 (5 выводов) или TO-263 (5 выводов)

КПД (при Vin= 12В, Vout= 3В Iout= 3А). 73%

Хотя КПД может и достигать 94%, он зависит от входного и выходного напряжения, а также от качества намотки и правильности подбора индуктивности дросселя.

Согласно графика, взятого из даташита, при входном напряжении +30В, выходном +20В и токе нагрузки 3А, КПД должен составить 94%.

Также у микросхемы LM2596 есть защита по току и от перегрева. Замечу, что на неоригинальных микросхемах данные функции могут работать некорректно, либо вовсе отсутствуют. Короткое замыкание на выходе преобразователя приводит к выходу из строя микросхемы (проверил на двух LM-ках), хотя тут удивляться и нечему, производитель не пишет в даташите о присутствии защиты от КЗ.

Элементы схемы

Все номиналы элементов указаны на схеме электрической принципиальной. Напряжение конденсаторов С1 и С2 выбирается в зависимости от входного и выходного напряжения (напряжение входа (выхода) + запас 25%), я установил конденсаторы с запасом, на напряжение 50В.

Конденсатор C3 – керамический. Номинал его выбирается согласно таблицы из даташита. Согласно этой таблицы емкость C3 подбирается для каждого отдельного выходного напряжения, но так как преобразователь в моем случае регулируемый, то я применил конденсатор средней емкости 1нФ.

Диод VD1 должен быть диодом Шоттки, или другим сверхбыстрым диодом (FR, UF, SF и др.). Он должен быть рассчитан на ток 5А и напряжение не меньше 40В. Я установил импульсный диод FR601 (6А 50В).

Дроссель L1 должен быть рассчитан на ток 5А и иметь индуктивность 68мкГн. Для этого берем сердечник из порошкового железа (желто-белого цвета), наружный диаметр 27мм, внутренний 14мм, ширина 11мм, ваши размеры могут отличаться, но чем больше они будут, тем лучше. Далее мотаем двумя жилами (диаметр каждой жилы 1мм) 28 витков. Я мотал одиночной жилой диаметром 1,4мм, но при большой выходной мощности (40Вт) дроссель грелся сильно, в том числе и из-за недостаточного сечения жилы. Если мотать двумя жилами, то в один слой обмотку положить не удастся, поэтому нужно мотать в два слоя, без изоляции между слоями (если эмаль на проводе не повреждена).

Через резистор R1 протекает малый ток, поэтому его мощность 0,25Вт.

Резистор R2 подстроечный, но может быть заменен на постоянный, для этого его сопротивление рассчитывается на каждое выходное напряжение по формуле:

Где R1 = 1кОм (по даташиту), Vref = 1,23В. Тогда, посчитаем сопротивление резистора R2 для выходного напряжения Vout = 30В.

R2 = 1кОм * (30В/1,23В – 1) = 23,39кОм (приведя к стандартному номиналу, получим сопротивление R2 = 22кОм).

Таким образом, можно рассчитать сопротивление резистора R2 для любого выходного напряжения (в рамках возможного диапазона).

Также, зная сопротивление резистора R2, можно рассчитать выходное напряжение.

Испытания понижающего DC-DC преобразователя на LM2596

При испытаниях на микросхему был установлен радиатор площадью ≈ 90 см² .

Испытания я проводил на нагрузке сопротивлением 6,8 Ом (постоянный резистор, опущенный в воду). Изначально на вход преобразователя я подал напряжение +27В, входной ток составил 1,85А (входная мощность 49,95Вт). Выходное напряжение я выставил 15,5В, ток нагрузки составил 2,5А (выходная мощность 38,75Вт). КПД при этом составил 78%, это очень даже неплохо.

После 20 мин. работы понижающего преобразователя диод VD1 нагрелся до температуры 50°С, дроссель L1 нагрелся до температуры 70°С, сама микросхема нагрелась до 80°С. То есть, во всех элементах есть резерв по температуре, кроме дросселя, 70 градусов для него многовато.

Поэтому для эксплуатации данного преобразователя на выходной мощности 30-40Вт и более, необходимо мотать дроссель двумя (тремя) жилами и выбирать больший по размерам сердечник. Диод и микросхема могут долговременно держать температуру 100-120°С без каких-либо опасений (кроме нагрева всего что рядом находится, в том числе и корпуса). При желании можно установить на микросхему больший по размеру радиатор, а у диода VD1 можно оставить длинные выводы, тогда будет тепло отводиться лучше, либо прикрепить (припаять к одному из выводов) небольшую пластинку (радиатор). Также нужно как можно лучше залудить дорожки печатной платы, либо пропаять по ним медную жилу, это обеспечит меньший нагрев дорожек при долгой работе на большую выходную мощность.

Испытания продолжаются…

Подав на вход преобразователя напряжение +12В, входной ток составил 1,75А (потребляемая мощность 21Вт). Выходное напряжение я выставил 5,3 Вольт, выходной ток составил 2,5А (выходная мощность 13,25Вт), КПД при этом составил уже 63%.

После 20 мин. работы преобразователя дроссель L1 нагрелся до температуры 45°С, микросхема LM2596 нагрелась до температуры 70°С, температуру диода VD1 я не стал измерять, так как он был чуть горячим.

Пару слов о печатной плате…

В даташите представлен эскиз исполнения LM2596 в корпусе TO-220 с загнутыми выводами.

Я же покупал микросхему с прямыми выводами и сам их подгибал.

Так вот, перегнул я их не как в даташите, а наоборот. Соответственно печатную плату развел под неправильный изгиб выводов, но эта печатная плата оказалась удобнее. Даташитовский вариант мне не нравится вовсе, так как невозможно LM-ку установить на стенку корпуса блока питания или другого устройства. Поэтому я развел плату и под стандартный изгиб выводов, с возможностью установки большого радиатора или крепления к стенке корпуса. Поэтому, для вас в архиве лежат две рабочие печатные платы. Перемычки устанавливать как можно толще (диаметром не менее 1мм).

Печатная плата понижающего DC-DC преобразователя на LM2596 СКАЧАТЬ

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector