Понижающие синхронные преобразователи семейства SupIRBuck™

Для достижения максимального КПД и минимальных размеров преобразователя, которые зачастую являются ключевыми факторами в устройствах с автономным питанием, необходимо одновременное выполнение нескольких условий:
– рабочая частота преобразователя должна быть не ниже 300 кГц — ведь чем выше частота, тем меньше может быть индуктивность дросселя и, соответственно, его размеры и цена;
– силовые транзисторы должны быть интегрированы в корпус микросхемы — использование внешних транзисторов резко увеличивает размеры всего преобразователя, усложняет разводку (что очень важно, учитывая высокую рабочую частоту) и увеличивает уровень электромагнитного излучения (ЭМИ);
– силовые транзисторы должны быть довольно мощные, с сопротивлением канала не больше десятков мОм — только так можно минимизировать падение напряжения на каналах.
Всем этим требованиям соответствуют микросхемы семейства SupIRBuck — мощные, недорогие POL-преобразователи в малогабаритных PQFN-корпусах со встроенными ключами, КПД которых в середине рабочего диапазона токов превышает 90%.

Краткие характеристики микросхем семейства SupIRBuck приведены в таблице 1. «Изюминка» большинства микросхем — расширенный диапазон питающего напряжения (до 27 В), что позволяет эффективно понижать входное напряжение в десятки раз, без промежуточных стадий (на 5 или 12 В). Почти все микросхемы работоспособны в температурном диапазоне: –40…125°С (за исключением IR3870M…IR3876M, которые рекомендуется использовать при температуре в пределах: –10…125°С), что соответствует стандарту AEC-Q100 grade 1 (микросхемы пригодны для автомобильных применений). Кроме того все микросхемы соответствуют директивам RoHS и имеют все необходимые  для столь мощного преобразователя уровни защиты и сервиса:
– soft-start (мягкий старт) — благодаря ему при старте преобразователя выходное напряжение нарастает плавно, что уменьшает импульсную нагрузку на микросхему и источник питания и снижает вероятность срабатывания защиты при емкостной нагрузке. Время старта задается внешним конденсатором, его емкость можно рассчитать по упрощенной формуле:

T_SS (мс) = C_SS (мкф) · 50;

– pre-bias startup — микросхема корректно стартует, даже если на выходных конденсаторах сохранился заряд, не просаживая это напряжение и не генерируя мощных пульсаций, что может вызвать ложное срабатывание супервизора у питаемой схемы;
– защита от короткого замыкания — в качестве датчика тока используется канал нижнего транзистора. Ток срабатывания защиты можно программировать с помощью одного внешнего резистора. После срабатывания защиты большинство микросхем семейства выдерживают паузу длительностью десятки мс, после чего начинают новый цикл soft-start, но у некоторых микросхем защита триггерная: после первого срабатывания микросхема сразу запускает новые циклы soft-start, а после четвертой неудачной попытки  выключается. Для возобновления работы такой микросхемы нужно выключить и снова включить питание или изменить уровень на входе Enable;
– у всех микросхем есть вход включения Enable (у IR3800M…IR3822M он совмещен со входом soft-start — для выключения стабилизатора нужно замкнуть этот вход на землю). У некоторых микросхем предусмотрена возможность внешней синхронизации частоты генератора, режим tracking (в нем выходное напряжение ведомой микросхемы изменяется синхронно и пропорционально с выходным напряжением ведущего стабилизатора — это используется в вычислительной технике при «разгоне» системы) и/или имеется возможность работы ведомым стабилизатором. Это значит, что напряжение на выходе ведомого стабилизатора появляется только после включения ведущего, а при выключении (например, из-за короткого замыкания выхода) ведущего, напряжение на выходе ведомого также исчезает;
– у большинства микросхем есть выход Power Good — маломощный транзистор с открытым стоком, сопротивление канала 25…50 Ом. Напряжение подтяжки не должно превышать напряжения питания драйверов выходных транзисторов. Транзистор открывается и замыкает подтяжку на землю, когда напряжение на выходе более чем на 15–20% больше (только у preferred-моделей) или меньше запрограммированного резисторами обратной связи значения, во время цикла soft-start, при срабатывании защиты от короткого замыкания или перегреве кристалла. В нормальном режиме работы преобразователя этот транзистор закрыт;
– у всех микросхем имеется защита от перегрева — температура срабатывания: 140°С, отпускания: 120°С. При срабатывании защиты оба транзистора закрываются и не шунтируют выходные конденсаторы, после остывания кристалла нормальная работа преобразователя возобновляется.
В микросхемах серий IR386*M и IR347*M предусмотрена возможность принудительного перевода ШИМ-контроллера в режим непрерывных токов даже при небольшом токе на-
грузки. Для этого достаточно подать единичный уровень на ножку FCCM микросхемы. В режиме непрерывных токов уменьшаются пульсации выходного напряжения, однако заметно снижается КПД преобразователя при низком токе нагрузки. При нулевом уровне на ножке FCCM нижний транзистор микросхемы работает в режиме эмуляции диода — специальный компаратор отслеживает напряжение на выходе PHASE и закрывает транзистор сразу после изменения направления тока в дросселе. Но даже в этом случае при большом токе нагрузки микросхема автоматически переходит в режим непрерывных токов.
Из недостатков можно отметить только необходимость нескольких источников питания: 3,3 В — для питания генератора, логики и ШИМ-контроллера и 5 В — для питания драйверов ключевых транзисторов. Однако, как мы увидим дальше, это ограничение несущественно, и в некоторых случаях даже является преимуществом, а у всех рекомендуемых для новых разработок (preferred) микросхем стабилизаторы встроены в кристалл. Благодаря отдельным стабилизаторам питания улучшились шумовые характеристики преобразователя и появилась возможность работы со сверхнизким входным напряжением (например, возможность уменьшить входное напряжение 1 В до 0,5 В), с КПД, заметно лучшим, чем у линейного стабилизатора.
В качестве силовых транзисторов в микросхемах использованы транзисторы N-типа, поэтому коэффициент заполнения всегда меньше 100%. Минимальная длительность паузы, во время которой подзаряжается бутстрепная емкость, фиксирована и равна 130…200 нс независимо от частоты генератора, поэтому если важно минимальное падение напряжения между входом и выходом, частоту генератора нужно выбирать минимально возможную. Минимальная длительность импульса также ограничена (50…60 нс), а для предотвращения пропуска импульсов она должна быть не менее 100 нс, поэтому при слишком большой разности между входным и выходным напряжением также рекомендуется снижать рабочую частоту. Чтобы не было пропуска импульсов и, как следствие, повышенных пульсаций выходного напряжения и увеличенной амплитуды тока в дросселе, во всех режимах работы должно соблюдаться условие:

V_in · F_s ≤ V_out · 10,

где V_in и V_out — соответственно, входное и выходное напряжение (В), а Fs — частота генератора (МГц). Следует помнить, что чем выше рабочая частота преобразователя, тем сильнее будет нагрев микросхемы при тех же входных и выходных параметрах.
Микросхемы выпускаются в трех типах корпуса: PQFN размером 4×5 мм с 17 выводами (выходной ток до 10 А), и PQFN размером 5×6 мм с 15 или 17 выводами (выходной ток до 16 А). Как видно из таблицы 1, микросхемы объединены в несколько групп, по 2–4 чипа в каждой, и отличаются в пределах группы только сопротивлением каналов силовых транзисторов (и, следовательно, максимально допустимым выходным током или температурой корпуса при том же выходном токе). Поэтому при необходимости их можно просто заменять одним — другой, без каких-либо изменений на плате. Микросхемы из разных групп в одинаковом корпусе частично совпадают по цоколевке, но при замене почти наверняка придется делать небольшие изменения на плате.
Рассмотрим блок-схему самого совершенного преобразователя семейства SupIRBuck IR389*M (см. рис. 1). Для питания низковольтных узлов микросхема имеет встроенный LDO-преобразователь, причем, для минимизации потребляемого тока при малом токе нагрузки напряжение питания снижается с типовых 6,4 В до 4,4 В. Подобный стабилизатор встроен в микросхемы IR3837M…IR3839M (на фиксированное напряжение 5,2 В), остальным микросхемам со статусом preferred требуется внешний источник 5 В. Во все микросхемы семейства SupIRBuck встроена UVLO-защита от пониженного напряжения питания (по входам 3,3 В и 5 В), которая блокирует силовые транзисторы, поэтому при включении схемы одновременно подавать сразу все питающие напряжения необязательно. Первым рекомендуется подавать питание на силовую часть, затем осуществляется питание низковольтных блоков, и одновременно можно подавать сигнал включения Enable. Тогда, как только напряжение питания превысит порог UVLO, микросхема запустит цикл soft-start.

Рис. 1. Блок-схема преобразователя семейства SupIRBuck – IR389*M

В микросхемах серий IR385*M и IR389*M встроена защита от превышения выходного напряжения. Для ее работы ко входу Vsns нужно подключить простейший делитель на паре резисторов. Как только выходное напряжение превысит заданное делителем на 15% (IR385*M) или 20% (IR389*M), верхний ключ мгновенно отключится, нижний ключ будет открыт до тех пор, пока выходное напряжение не снизится до верхнего порога срабатывания защиты, после чего оба ключа закроются, и микросхема будет находиться в таком состоянии до выключения питания или изменения уровня на входе Enable. Эта опция позволяет защитить питаемую схему от работы в условиях слишком мощных наводок на шину питания или неисправностей в схеме.
Некоторые микросхемы имеют встроенную компенсацию обратной связи (см. табл. 1), однако это накладывает некоторые ограничения. Так, для стабильной работы усилителя ошибки пульсации выходного напряжения должны быть не менее 7…15 мВ. Поэтому если к чистоте и стабильности выходного напряжения предъявляются повышенные требования, следует выбирать микросхемы с внешней компенсацией.
Наша компания изготовила блок питания на базе микросхемы IR3870M, схема которого показана на рисунке 2. При токе нагрузки 2–3 А преобразователь практически не греется, ложных срабатываний защиты нет — даже при том, что плата разведена не совсем удачно, случаев выхода преобразователя или его нагрузки из строя пока не было. При повторении данной схемы вместо IR3870M лучше  использовать рекомендуемый производителем улучшенный и pin-to-pin совместимый аналог IR3475M или ее более мощную версию — IR3476M.

Рис. 2. Схема блока питания на базе микросхемы IR3870M

В схеме используется одна из особенностей микросхем семейства SupIRBuck — силовые транзисторы при отсутствии питания логики и драйверов закрыты, и протекающий через них ток равен нулю, а микросхема в таком состоянии может находиться сколь угодно долго. Поэтому для выключения преобразователя в нашей схеме просто отключается питание со входа линейного стабилизатора DA1. Потребляемый после этого всей схемой ток не превышает несколько десятков микроампер (не учитывая потребления управляющего контроллера), отчасти за счет утечки используемых конденсаторов.
Напряжение питания 3,3 В формируется из источника 6 В через резистор R1. Потребление по выводу V_cc при частоте генератора 500 кГц чуть больше 1 мА, напряжение на этом входе может быть в пределах 3,0…3,6 В,
поэтому резистор сопротивлением 2,4 кОм подходит идеально. При использовании стабилизатора типа 78L05 сопротивление R1 нужно уменьшить до 1,5 кОм. Конечно, если не стоит задача минимизировать расходы, здесь лучше поставить еще один стабилизатор или хотя бы стабилитрон.
Рабочая частота преобразователя задается резистором R3, зависимость частоты от его сопротивления показана на рисунке 3. Обратите внимание: при изменении выходного напряжения частота тоже изменяется, поэтому в таких случаях приходится корректировать сопротивление резистора R3. Это справедливо для микросхем серий IR386*M, IR387*M и IR347*M; у IR389*M от сопротивления частотозадающего резистора зависит только частота, а у IR383*M…IR385*M при изменении сопротивления кроме частоты изменяется ток срабатывания защиты, что тоже нужно корректировать. Эти эффекты связаны с конструктивными особенностями микросхем.

Рис. 3. График зависимости рабочей частоты преобразователя от его сопротивления

Супрессор VD2 и термопредохранитель FU1 нужны только для защиты от скачков напряжения питания и от неправильной полярности. Защита от короткого замыкания выхода хорошо реализована в самой микросхеме. При напряжении 15 В через супрессор SMBJ15A протекает ток менее 1 мкА, при напряжении 24,4 В ток увеличивается до 25,1 А. Такое напряжение безопасно для микросхемы, но при таком токе термопредохранитель гарантированно срабатывает. После срабатывания термопредохранителя протекающий через него ток ограничен десятками мА, поэтому управляющий контроллер должен отслеживать это событие и выключать преобразователь, а после нормализации напряжения перед повторным запуском преобразователя должен выдерживать паузу в 5…10 с для остывания термопредохранителя.
Микросхемы семейства SupIRBuck — мощные высокочастотные преобразователи, поэтому при разработке изделия на их основе нужно уделить повышенное внимание дизайну печатной платы. Производитель рекомендует использовать минимум 4-слойные платы: на верхнем слое разместить все компоненты и соединения между ними, а кроме того максимально возможную площадь платы занять сильноточ­ными полигонами (см. рис. 4 — для микросхем IR3897M…IR3899M). На втором слое рекомендуется разместить полигоны AGND и PGND, всю поверхность третьего слоя —  залить полигоном PGND, а на нижнем слое разместить полигоны V_in, V_out, PGND и дорожки обратной связи, а соединение между AGND и PGND должно быть в одной точке, максимально близко к выводу GND микросхемы. При использовании 4-слойной платы гораздо легче организовать отвод тепла от микросхемы за счет более низкого теплового сопротивления платы. Однако при сравнительно небольшом токе нагрузки (до 2–4 А) можно обойтись и 1–2-слойной платой (см. рис. 5 — микросхема IR3870M).

Рис. 4. Рекомендуемая топология печатной платы для микросхем IR3897M…IR3899M

Рис. 5. Рекомендуемая топология печатной платы для микросхемы IR3870M

Для фильтрации питания логики и драйверов рекомендуется применять только высококачественные керамические конденсаторы емкостью от 1 мкф. Размещать их нужно как можно ближе к выводам микросхемы, и земляной вывод фильтра драйверов С1 (см. рис. 2) подключать на землю PGND, а вывод фильтра логики С2 — на AGND. Несоблюдение этого условия часто является причиной срабатывания защиты сразу после включения преобразователя. Как можно ближе друг к другу должны находиться земляные выводы конденсаторов С6, С7 и С8, C9, и все они, а также конденсатор С5, должны быть как можно ближе к выводам микросхемы. Дорожка обратной связи (к резисторам R6, R7) должна быть минимальной длины и располагаться максимально далеко от дросселя L1.
Подобрать микросхему, отвечающую вашим требованиям, и рассчитать номиналы компонентов можно с помощью онлайн-версии SupIRBuck Designer [2] (см. рис. 6). Виртуальные измерительные приборы позволяют подобрать компоненты и оценить характеристики реального преобразователя, после чего можно готовить шаблон печатной платы. Для работы с этой программой требуется несложная бесплатная регистрация.

Рис. 6. Он-лайн инструмент SupIRBuck Designer