Багатоелементні батареї великої ємності стають все більш звичними в пристроях і промислових приладах, які отримують енергію від декількох джерел. Для максимального продовження часу роботи батарей і підтримки різних джерел енергії, стабілізатори напруги в подібних системах живлення повинні бути здатні регулювати вихідну постійну напругу, навіть якщо їх вхідна напруга менша, більша або дорівнює вихідній.

Досягти цього можна використанням двох окремих перетворювачів напруги з двома мікросхемами контролерів. Але більш привабливим рішенням є використання одного підвищуючи-понижуючого DC / DC перетворювача, який забезпечить такі критично важливі для портативних пристроїв параметри, як невеликі розміри, простота і високий ККД.

Мікросхема LTC3111 є інтегральний підвищуючи-понижуючий перетворювач напруги з діапазонами вхідних і вихідних напруг від 2.5 В до 15 В і струмом навантаження до 1.5 А. Вона дозволяє перетворювати енергію різних джерел, таких як одно- та багатоелементних Li-Ion батарей, свинцево-кислотних акумуляторів , блоки конденсаторів, портів USB і мережеві адаптери.

На додаток до широкого діапазону робочих напруг, LTC3111 використовує розроблену Linear Technology оригінальну архітектуру управління ШІМ, ефективно усуває джитер і електромагнітні перешкоди, що виникають на кордонах між підвищуючими і знижуючими режимами. Це дозволяє спростити, а то і зовсім виключити з системи дорогі фільтри і екрани, що захищають чутливі до шумів перетворювачі даних або радіочастотні ланцюги. Час автономної роботи пристроїв на батарейках, які перебувають в режимі очікування, можна збільшити вибором пульсуючого режиму (Burst Mode), в якому значно знижується власний струм споживання перетворювача.

Точний вхідний поріг керуючого виведення дозволяє обережно запрограмувати напругу включення перетворювача напруги. Вбудовані в пристрій функції захисту, такі як обмеження вихідного струму і відключення у разі перегріву або короткому замиканні, гарантують надійну роботу в жорстких умовах експлуатації. Для додатків критичних до розмірів компонентів встановлений за замовчуванням частота перемикання 800 кГц може бути збільшена до 1.5 МГц.

перетворювач напруги
Малюнок 1. Конструкція перетворювача потужністю 18 Вт, заснованого на мікросхемі LTC3111.

На малюнку 1 показана конструкція перетворювача на основі LTC3111, що віддає в навантаження потужність 18 Вт при напрузі 12 В. Схема займає на друкованій платі менше 180 мм 2 . При порівнянній вихідної потужності це рішення компактніше, ніж підвищуючи-понижуючий перетворювач на основі контролера, і набагато ефективніше, ніж ті, що містять дві індуктивності зі складною схемою з топологією SEPIC. Мікросхема LTC3111 випускається в 16-вивідних корпусах зі зниженим тепловим опором: DFN розміром 3 мм × 4 мм, або MSOP.

Використати точні порогові напруги входу RUN в схемах з одно-, дво- і трьохелементної Li-Ion батареї

Вивід RUN мікросхеми може використовуватися або для включення / вимикання перетворювача цифровим сигналом, або для точного встановлення порогу блокування при зниженій напрузі за допомогою резистивного дільника, включеного між виводом V IN і землею. Гранична напруга входу RUN мікросхеми LTC3111, рівна 1.2 В (± 5% в діапазоні температур), дозволяє змінювати напругу включення перетворювача. Після того, як перетворювач включений через наявність гістерезису 120 мВ на вході RUN заборона роботи перетворювача станеться тоді, коли вхідна напруга впаде до рівня на 10% меншого, ніж напруга, за якою відбулося включення.

Fig 2 Rus

Малюнок 2. У цій схемі, яка може живитися від одно-, дво- і трьохелементної Li-Ion батарей, використовується висока точність порогової напруги виведення RUN перетворювача LTC3111.

На малюнку 2 зображена практична схема, в якій точність порогу виведення RUN використовується для включення / вимикання перетворювача напруги LTC3111 при живленні від одно-, дво- або трьохелементної Li-Ion батарей. Для випадку одноелементної батареї опір R на виводу RUN одно 267 кОм, і LTC3111 включається, коли напруга на вході перевищить 3.3 В, а вимикається - коли опуститься нижче 3 В.

Fig 3 Rus

Малюнок 3. Відгук перетворювача на лінійну зміну вхідної напруги при використанні властивості виведення RUN для випадку одноелементної батареї.

Цей метод може бути застосований до схем з дво- і трьохелементної батареями, для чого опір резистора R потрібно змінити відповідно до таблиці на малюнку 2. На малюнку 3 показаний відгук перетворювача на повільну лінійну зміну напруги V IN для випадку одноелементної батареї. У одноелементної конфігурації напруга на виході V OUT з'являється тоді, коли вхідна напруга досягає 3.3 В, і вимикається при 3 В. Аналогічним чином цей графік може бути масштабований для випадку двох- і трьохелементної батарей, для яких пороги включення / вимикання дорівнюватимуть 6.6 В / 6 У і 9.9 В / 9 В, відповідно. Хороша точність порогової напруги входу RUN може також використовуватися в тих випадках, коли мінімальна вхідна напруга джерела повинна бути обмежена допустимим рівнем розряду таких пристроїв, як батареї конденсаторів, свинцево-кислотних або NiCd акумуляторів.

Fig 4 Rus


Малюнок 4. Залежність ККД від вихідного струму для варіантів з одно-, дво- і трьохелементними Li-Ion батареями.

Криві на малюнку 4 показують залежність ККД від вихідного струму для варіантів з одно-, дво- і трьохелементної батареями, які працюють за їх типових напруженнях. Максимальний ККД, що перевищує 90%, досягається коли підключені батареї, що складається з трьох елементів. Зауважимо, що максимальний струм навантаження за вихідної напруги 5 В зменшується, коли вхідна напруга стає нижче 6 В. В технічної документації на LTC3111 наведені графіки, що показують залежність максимального вихідного струму від вхідної напруги в режимі ШІМ і пульсуючому режимі для різних вихідних напруг, за допомогою яких можна визначити, чи підтримується задане навантаження в певному діапазоні вхідних напруг.

Живлення перетворювача напруги від декількох джерел

Широкий діапазон робочих напруг LTC3111 робить просту організацію живлення пристроїв від декількох вхідних джерел. На малюнку 5 показано типовий додаток, в якому мікросхема LTC4412 контролера PowerPath (в корпусі SOT-23) вибирає один з двох вхідних джерел з найбільшою напругою. Рівне всього 20 мВ пряме падіння напруги на P-канальному MOSFET мікросхеми LTC4412 зводить до мінімуму втрати потужності. У цій схемі LTC4412 підключає до перетворювача LTC3111 джерело з більшим напруженням: Li-Ion батарею з напругою 7.2 В або 12-вольта мережевий адаптер.

Fig 5 Rus

Малюнок 5. Мікросхема LTC4412 контролера PowerPath вибирає найбільшу напругу для живлення перетворювача LTC3111.

На малюнку 6 показаний графік залежності ККД від струму навантаження для вихідною напруги 3.3 В з живленням перетворювача від двох джерел. Досягнутий тут ККД перевищує 89%. За включеному пульсуючому режимові типовий струм споживання в стані очікування дорівнює 49 мкА, що дозволяє більш ніж на дві декади розширити діапазон струмів навантаження, в якому зберігається високий ККД.

Fig 6 Rus

Малюнок 6. Залежність ККД LTC3111 від струму навантаження за V OUT = 3.3 В, V IN = 7.2 В і 12 В.

У LTC3111 є схема, що мінімізує зміни коефіцієнта передачі ланки зворотного зв'язку, що істотно покращує реакцію схеми на стрибки навантаження. З осцилограми, наведеної малюнком 7, можна побачити, що в підвищеному режимі за струму навантаження 1 А, ємності вихідного конденсатора 22 мкФ і тривалості фронтів 20 мкс, викиди V OUT не перевищують 50 мВ, або 1.5%.

Fig 7 Rus

Малюнок 7. Викиди вихідної напруги, за V OUT = 3.3 В і стрибкоподібній зміні вхідної напруги від 7.2 В до 12 В і назад.

Використання LTC3111 для отримання регульованої вихідної напруги

Для таких додатків, як управління двигунами, освітлення або параметричний контроль джерел живлення мікросхема LTC3111 може бути налаштована як регульоване джерело напруги. Це може бути зроблено багатьма способами. Один з них показаний на малюнку 8: додавання сумарного резистора (R3) між виводами зворотного зв'язку FB і керуючою напругою VCONTROL .

Fig 8 Rus

Малюнок 8. Використання LTC3111 в якості регульованого джерела напруги.

Програмована вихідна напруга може бути розрахована за формулою:F 1 Rus

де

  • R1 - опір резистора, включеного між виводами V OUT і FB,
  • R2 - опір резистора, що з'єднує FB з землею,
  • R3 - опір резистора, що з'єднує вивід FB і вхід V CONTROL .

На малюнку 9 показано реакція виходу на керуючу напругу, що лінійно змінюється від 0 В до 1.2 В з частотою 100 Гц. Відповідна вихідна напруга змінюється від 10 В до 2.5 В, що відповідає інвертуючому коефіцієнту передачі від V CONTROL до V OUT , рівному 6.2. Високочутливе ШІМ-управління забезпечує низькі спотворення і високу якість реплікації вхідного сигналу.

Fig 9 Rus

Малюнок 9. Відгук виходу LTC3111 на зовнішню керуючу напругу.

Коли LTC3111 використовується як стабілізатор з регульованою вихідною напругою, допустиме навантаження по струму зменшується, коли V OUT > V IN (тобто, коли мікросхема працює в режимі підвищення). На малюнку 10 показано, що максимально допустимий вихідний струм істотно залежить від коефіцієнту підвищення перетворювача.

Fig 10 Rus

Малюнок 10. Залежність максимального вихідного струму в режимі ШІМ від вихідної напруги за V IN = 5 В.

Наприклад, допустимий вихідний струм за V OUT = 2V IN буде приблизно вдвічі меншим, ніж за V OUT = V IN . У наведеному вище прикладі вихід навантажувався фіксованим струмом 500 мА, який мікросхема здатна віддавати за всіма вихідними напругами. Щоб гарантовано забезпечити стійкість перетворювача напруги, параметри ланцюга частотної компенсації петлі ОС визначаються за найбільшим коефіцієнтом підвищення (V IN = 5 В, V OUT = 10 В).

Висновок

LTC3111 забезпечує підвищуючи-конвертуюче перетворення його з низьким рівнем шумів для різноманітних програм, що вимагають розширеного діапазону вхідних або вихідних напруг. Здатність мікросхеми ефективно підтримувати великі струми навантаження робить її ідеальним рішенням для пристроїв з підвищеним енергоспоживанням. Габарити такого рішення і ККД перетворення ще більше виграють від наявності внутрішніх MOSFET ключів з опором 90 мОм і корпусів зі зниженим тепловим опором. Низький струм, споживаний в пульсуючому режимі, розширює область високого ККД до кількох декад струмів навантаження, дозволяючи збільшити час автономної роботи багатьох пристроїв на батарейках.