. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
DC/DC nábojové pumpy a jak na ně
12. srpna 2009 - 8:57 | Pandatron | DC/DC nábojové pumpy a jak na ně | Komentářů: 1  

DC/DC nábojové pumpy a jak na ně

Nábojové pumpy jsou často nejlepší volbou pro napájení aplikací vyžadujících nízké napájecí napětí, maximální odebíraný proud, ale i nízkou cenu. Tato aplikační poznámka firmy MAXIM rozebírá moderní integrované nábojové pumpy a vysvětluje jak vypočítat spotřebu energie v nábojové pumpě.

Velmi známým problémem v systémovém inženýrství je elektronický subsystém, jehož napájecí požadavky nejsou splněny hlavním napájecím zdrojem. V těchto případech, kdy není možné použít přímo výstup hlavního stabilizátoru ani napětí bateriových článků (byť by bylo dostupné, problém může být například v nedostatku místa, atd.) se přímo nabízí použití nábojových pump. Ty v podobě moderních integrovaných obvodů v sobě kombinují vlastnosti jako je nízká cena, vlastní spotřeba, jednoduchost i miniaturní rozměry.

Nábojové pumpy – obecný popis:
DC/DC konvertory v podobě nábojových pump používají buď keramické nebo elektrolytické kondenzátory pro uskladnění a následný převod zdrojové energie. Přestože jsou kondenzátory mnohem běžnější a levnější než indukčnosti používané v jiných typech měničů, mají i své nevýhody. Především je nemožnost náhlé změny hladiny napětí. Napětí akumulačního kondenzátoru sleduje křivku exponenciální funkce, což zde zavádí limity, kterým se je možné vyhnout použitím měniče s indukčností, což je však mnohem nákladnější.

Kapacitní konverze napětí je dosaženo periodickým spínáním kondenzátoru. Tuto funkci mohou zastat i jednoduché pasivní diody a to za podmínky, že je k dispozici střídavé napětí. Tohoto principu je využíváno u tzv. diodových násobičů, obecně užívaných na sekundárních vinutí síťových transformátorů. Pokud je však k dispozici pouze stejnosměrné napětí, je nutné použít aktivní spínací obvody, které napřed nabijou kondenzátor jeho připojením ke zdroji napětí a následně ho přepnou k výstupu zdroje v takovém zapojení, kdy je dosaženo vyššího, resp. nižšího napětí.

Jedním z nejběžnějších integrovaných obvodů, využívajících tohoto principu je obvod ICL7660, který celá řada lidé považují za prototyp klasické nábojové pumpy. ICL7660 obsahuje spínací obvody a oscilátor, který zaručuje že spínače S1, S3 a S2, S4 pracují vždy společně. Na následujícím obrázku uvedené blokové schéma zajišťuje inverzi vstupního napětí, avšak v případě potřeby je není problém překonfigurovat i pro zdvojnásobení či jiné rozdělení napětí.


Obr. 1: Blokové schéma invertují nábojové pumpy s obvodem ICL7660

Sepnutí S1 a S3 nabije akumulační kondenzátor C1 v první polovině cyklu na hodnotu V+. Ve druhé polovině cyklu se S1 a S3 rozepnou a sepnou se S2 a S4. Tato akce spojí pozitivně nabitý pin C1 se zemí a negativní pin s VOUT. C1 je nyní zapojen paralelně s kondenzátorem C2. Pokud je napětí na C2 menší než na C1, poteče náboj z C1 do C2 do doby, než napětí na C2 dosáhne hladiny -(V+).

Periodické spínání řídí oscilátor s fixní frekvencí. Takto jednoduchý obvod, znázorněný na obr. 1 nemá žádnou regulaci výstupního napětí ani spínací frekvence, která zůstává shodná pro jakoukoliv zátěž. Hodnoty výstupního napětí je tedy silně závisí především na aktuálním zatížení. Při nulovém zatížení výstupního kondenzátoru C2 koresponduje jeho napětí s negativním vstupním napětím: VOUT = -(V+). Při zvyšování zátěže hodnota VOUT klesá. Výstupní proud obvodu ICL7660 je proto limitován na maximální hodnotu 10 mA. Ta byla z části zvolena pro jeho nízkou spínací frekvenci a z části také kvůli integrovaným analogovým spínačům, které jsou dnes již velice vzdálené od požadovaných ideálů. Tyto spínače v sepnutém stavu představují odpor o hodnotě i několika ohmů. Detailní výpočty energetických ztrát naleznete níže.

Pinově kompatibilní, avšak modernější obvody typu MAX660, MAX860/MAX861 a MAX1680/MAX1681 disponují vyššími spínacími frekvencemi i menším odporem jednotlivých spínačů. Navíc především právě díky vyšším spínacím frekvencím pracují obvody s menšími kondenzátory a v cíli nabízejí vyšší hodnoty výstupních proudů. Všechny tyto obvody mohou být nakonfigurována jako invertory, násobiče či jako napěťové děliče.

Obvody typu MAX828/MAX829 a MAX870/MAX871, které byly primárně navrženy pro účely inverze napětí, omezují potřebnou plochu PCB za použití menších pouzder (SOT23) a menších externích kondenzátorů. Pinově kompatibilní verze těchto obvodů (MAX1719/MAX1720/MAX1721) poskytují jeden řídící pin navíc. V případě jeho aktivace dojde k odpojení výstupu, výsledkem čehož je umožněn pokles odběru nábojové pumpy i celého napájeného zařízení na pouhou 1 nA (typ).

Kapacitní dělič napětí:
Představte si obvod, který sníží vstupní napětí na polovinu a výstupní proud vůči vstupnímu zvýší na dvojnásobek. Ten v porovnání s lineárními regulátory zajišťuje mnohem vyšší účinnost, neboť energii nepřeměňuje v teplo. Navíc přináší i nové možnosti v aplikacích, které mají limitovaný výstupní proud. Například tedy pro proudové sériové rozhraní 4 mA › 20 mA nabízí vysoké výstupní napětí, ale nízké proudy. Jiné aplikace dnes často používají například operační zesilovače či mikrokontroléry, které pracují s velmi nízkými napětími. V těchto obvodech přináší převod napětí na polovinu až tříčtvrtinovou úsporu energie.

Základní schéma obvodu MAX829, uvedené na obr. 2, produkuje stabilizované napětí VOUT (=VIN/2) za použití kondenzátorového děliče napětí s kapacitami C3, C4 a C5,C6. Spínáním plovoucího kondenzátoru C2 střídavě mezi horní a dolní polovinou kondenzátorové děličky vyvažuje integrovaný obvod kteroukoliv zátěžově závislou odchylku napětí. Spínací frekvence obvodu je 35 kHz a klidový proud činí pouze 36 µA. Pokud vstupní proud přesáhne 1 mA, je efektivita obvodu nad 90%. Velmi malá zátěž, i těch vlastních 36 µA značně ovlivňuje efektivitu konverze. Konfigurace spínaných kondenzátorů poskytuje nejen výrazně lepší stupeň regulace než jednoduchá odporová napěťová dělička, ale i vyšší efektivitu než jakou nabízí například kombinace odporového děliče a bufferu v podobě operačního zesilovače. Specifikace obvodu MAX829 udává maximální vstupní napětí VIN v hodnotě 5,5 V.


Obr. 2: Základní zapojení napěťového děliče s obvodem MAX829

Výpočet energetických ztrát u nábojových pump:
Nyní si představme jednoduchý model z obr. 3, kde dochází k periodickému přepínání kondenzátoru C1 mezi V+ a výstupem s frekvencí f. Tento zjednodušený model je možné použít pro vysvětlení energetických ztrát, vznikajících na nábojových pumpách.


Obr. 3: Zjednodušený model pro vysvětlení energetických ztrát

Filtrační kondenzátor C2 a zátěž, zastoupená rezistorem RL, jsou připojeny na VOUT. Náboj přenesený za jeden cyklus je roven hodnotě podle vzorce:

Což vytvoří proud I, který závisí na frekvenci f:

Po modifikaci rovnice podle Ohmova zákona může být ekvivalentní odpor spínaného kondenzátoru vyjádřen jako:

Tato rovnice názorně ukazuje, že odpor a následně i odporové ztráty se snižují s rostoucí frekvencí a vyšší kapacitancí. Vyšší kapacitance snižuje výstupní odpor pouze pokud odpor spínačů a kondenzátorový ekvivalentní sériový odpor (ESR) přesáhnou hodnotu RERS. Tato vnitřní ztráta (spínací ztráta) může být snížena použitím low-ESR kondenzátorů. Odpor spínačů může být dále snížen použitím nových, sofistikovanějších nábojových pump.

Spínací ztráta je způsobena rozdílem napětí mezi plovoucím a výstupním kondenzátorem, avšak odpor samostatných spínačů hraje také podstatnou roli. Rozdíly v napětí dále vznikají také na oněch spínačích, což způsobuje ztráty energie v celé aplikaci. Jak je znázorněno výše, spínaný kondenzátor se chová jako odpor, z čehož plyne, že je možné snížit celkový výstupní odpor a zvýšit výstupní výkon zapojením několika spínaných kondenzátorů paralelně.

Regulované nábojové pumpy:
Integrované nábojové pumpy, které regulují výstupní napětí a pracují bez indukčností nabízejí regulované výstupní napětí (pro příklad 5 V) a několik úsporných režimů (PSM). Obvody, jako jsou například regulované step-up měniče (MAX682/MAX683/MAX684) operují buď v úsporném skip módu nebo v módu s fixní frekvencí s potlačením výstupního šumu.

Pokud je interním komparátorem detekováno dostatečné výstupního napětí, úsporný skip mode režim zabrání zbytečnému spínání a nechá aktivován pouze interní oscilátor. Výsledkem je nižší klidový proud a menší energetická ztráta, zvláště pak výhodná pro nízkopříkonová zařízení.

Pro minimalizaci výstupního zvlnění / šumu může obvod pracovat na módu fixní frekvence, která je regulována mezi 50 kHz až 2 MHz. Regulace zajišťuje nabití plovoucího kondenzátoru přes integrovaný MOSFET nabíjecím proudem, který závisí na aktuálním zatížení obvodu. Klesající výstupní napětí způsobené rostoucí spotřebou nabíjí kondenzátor větším množstvím energie. Výhodou režimu s fixní frekvencí je menší výstupní šum a velikost externích komponent. Pokud máte navíc dojem, že nábojové pumpy dokáží poskytnou proud pouze v řádech jednotek mA, budete nejspíše překvapeni obvodem MAX682, který je schopen dodat proud až 250 mA z 5V výstupu.

Návrh regulovaných nábojových pump:
Na obr. 4 je uveden zdokonalený design pro použití konstantní spínací frekvence, která je nezávislá na vstupním napětí.


Obr. 4: Stabilizovaná nábojová pumpa s konstantní spínací frekvencí

Interní spínací frekvence integrovaného obvodu je kontrolována proudem tekoucím do jeho shutdown pinu. Následující rovnice je převzata z datasheetu tohoto obvodu.

kde REXT je v kOhmech a fOSC v kHz

Za normálních okolností se hodnota externího shutdown rezistoru počítá ze zadaného vstupního napětí a požadované spínací frekvence. V tomto případě však rovnice ukazuje, že spínací frekvence a proud na shutdown pinu závisí na vstupním napětí, tedy hodnotě VIN. Pokud se vstupní napětí změní, změní se i spínací frekvence.

Dvě diody směrují proud přímo na shutdown pin. D1 zajišťuje spolehlivý start přivedením proudu ze vstupu na shutdown pin, když je zdrojové napětí poprvé připojeno. Když výstupní napětí dosáhne 5 V nebo více než VIN, spínací frekvence se stabilizuje na konstantní hodnotu, protože D2 dále vede proud ze stabilního výstupního napětí. Malé diodové pole v 3-pinovém pouzdru SOT23 (BAV70) je doporučováno pro kombinaci D1-D2. Kromě této funkce shutdown pinu je na něm k dispozici stejnojmenná funkce – spojením pinu se zemí přes open-drain MOSFET jednoduše vyzkratuje přítomné napětí, čímž frekvence interního oscilátoru klesne a nulu.

Stabilizovaný napěťový invertor:
Celá řada aplikací vyžaduje i přídavné záporné napětí jako například -5 V. Takovéto napětí může být generováno stabilizovaným invertorem na bázi nábojové pumpy a několika externích komponent (MAX868) – obr. 5. V průběhu nabíjení akumulačních kapacit se vlevo zakreslené spínače sepnout a naopak vpravo zakreslené spínače se rozepnou. Oba plovoucí kondenzátory se paralelně nabijí a zátěž (load) je kompletně zpracována výstupním kondenzátorem. V průběhu vybíjení se spínače sepnou tak, že zapojí oba kondenzátory do série. Když se spojí s výstupním kondenzátorem, přenesou náboj dle potřeby.


Obr. 5: Blokové schéma invertující nábojové pumpy – obvodu MAX868

Frekvence interního oscilátoru (450 kHz) je dostatečně vysoká, aby zabezpečila přenos vysokého výstupního proudu a nabíjení malých externích kondenzátorů. Díky komparátoru se oscilátor zapne pouze v případě, kdy je výstupní napětí menší než jeho prahová hranice. Tato jednoduchá regulace umožňuje obvodu vytvořit konstantní výstupní napětí s hodnotou až -2 VIN, přičemž vyžaduje pouze minimální klidový proud.

Kombinace Buck/Boost:
Dalším problémem přítomným v bateriově napájených aplikacích je napětí baterie, které kolísá nad a pod regulované výstupní napětí. Výstupní napětí Li+ článku může kolísat v rozmezí od 3,6 do 1,5 V, než je znova nabit. K dosažení stabilního napětí 3,3 V je potřeba kombinovaný buck/boost měnič. Zprvu tento měnič sníží vstupní napětí, nacházející se v rozsahu 3,6 - 3,3 V dolů. Dále pak v případě poklesu napětí pod hodnotu 3,3 V (samozřejmě pouze kupříkladu) dojde k aktivaci druhé části obvodu, která nyní již nízké vstupní napětí konvertuje zpět na požadovaných 3,3 V.

Tento princip dnes může být aplikován díky jedinému integrovanému obvodu, kterým je např. MAX1759. Obvod podporuje vstupní napětí v rozsahu 1,6 – 5,5 V a výstupní napětí buď fixních 3,3 V, nebo volitelných 2,5 - 5,5 V. Výstupní proud přitom dosahuje hodnot až 100 mA. Obvod je dostupný v 10-pinovém pouzdru µMAX® a pracuje se třemi externími kondenzátory. Přídavný shutdown režim zajistí odpojení výstupu v případě, kdy vstupní proud klesne pod 1µA.

Přehled nábojových pump:
Následující dvě tabulky obsahují seznam regulovaných a neregulovaných nábojových pump firmy MAXIM, zahrnujíce ty se speciálními funkcemi a samozřejmě všechny výše jmenované. Tyto tabulky mají za cíl pomoci designerům vybrat vhodný obvod vzhledem k požadavkům na funkce, výstupní proud a pouzdro.

Part Number Input Voltage Output Voltage Output Current Switching Frequency Features
MAX828/MAX829 1.5V to 5.5V -VIN 25mA 12kHz/35kHz Inverter; 5-pin SOT23 package
MAX1720 1.5V to 5.5V -VIN 25mA 12kHz Inverter; low quiescent current, shutdown, 6-pin SOT23 package
MAX1719/1721 1.5V to 5.5V -VIN 25mA 125kHz Inverter; 6-pin SOT23 package, shutdown
MAX870/871 1.4V to 5.5V -VIN 25mA 125kHz/500kHz Inverter; 5-pin SOT23 package
MAX1682/1683 2V to 5.5V 2 × VIN 30mA 12kHz/35kHz Doubler; 5-pin SOT23 package
ICL7660 MAX1044 1.5V to 10V -VIN, 2 × VIN 10mA 10kHz Doubler or inverter; DIP, 8-pin SO
MAX860 1.5V to 5.5V -VIN, 2 × VIN 50mA 6kHz; 50kHz; 130kHz Doubler or inverter; 8-pin SO/µMAX
MAX861 1.5V to 5.5V -VIN, 2 × VIN 50mA 13kHz; 100kHz; 250kHz Doubler or inverter; 8-pin SO/µMAX
MAX1680 2V to 5.5V -VIN, 2 × VIN 125mA 125kHz; 250kHz Doubler or inverter; 8-pin SO/µMAX
MAX1681 3V to 5.5V -VIN, 2 × VIN 125mA 500kHz; 1MHz Doubler or inverter; 8-pin SO/µMAX

 

Part Number Input Voltage Output Voltage Output Current Switching Frequency Features
MAX619 2V to 3.6V +5V 50mA 500kHz Regulated 5V, 8-pin SO package
MAX682 2.7V to 5.5V +5V 250mA 50kHz to 2MHz Regulated 5V, 8-pin SO/µMAX packages
MAX683 2.7V to 5.5V +5V 100mA 50kHz to 2MHz Regulated 5V, 8-pin SO/µMAX packages
MAX684 2.7V to 5.5V +5V 50mA 50kHz to 2MHz Regulated 5V, 8-pin SO/µMAX packages
MAX868 1.8V to 5.5V Up to -2 × VIN 30mA up to 450kHz Variable inverted voltage; µMAX package
MAX1673 2.0V to 5.5V Up to -VIN 125mA 350kHz Variable inverted voltage; fixed frequency
MAX1759 1.6V to 5.5V 2.5V to 5.5V 100mA 1.5MHz Buck/boost converter

Použitá literatura:
DC-DC Conversion Without Inductors

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy MAXIM
Přehled distributorů
DC-DC Conversion Without Inductors







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře (1):

Zobrazit starší 30 dnů (1)...

host
1. Dne 12. 08. 2009 v 18:01 zaslal host
Bez titulku
Pěkný článek, děkuji za tipy


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
M66 QUECTEL
Quad-Band GSM/GPRS SMD modul s Bluetooth a rozměry 15,8 x 17,7 mm.
Skladem od 289 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007