Integrovaný obvod LTC3245 od společnosti Linear Technology řadíme mezi snižující – zvyšující regulátory, které místo tradiční indukčnosti založí svou činnost raději na nábojové pumpě s kondenzátorem. Jeho vstupní napěťový rozsah činí 2,7 V až 38 V, přičemž budeme schopni generovat bez zpětnovazebního děliče jedno ze dvou pevných výstupních napětí, 3,3 V nebo 5 V, příp. též jakékoliv výstupní napětí od 2,5 V až do 5 V, tentokrát již pochopitelně s děličem ve zpětné vazbě. Ve výsledku tak díky topologii buck-boost dokážeme získat a regulovat napětí nad nebo též pod úrovní napětí vstupního a vyhovět tak třeba požadavkům automobilového průmyslu na chování v případě studeného startu. Maximální výstupní proud je 250 mA.

 

 

Při výrobě 5 V / 100 mA budeme se zdrojem 12 V schopni dosáhnout účinnosti 80 %, což je výrazně více než v případě lineárních stabilizátorů LDO, které na deskách plošných spojů díky požadavkům na chlazení zaberou též více místa. Obvody LTC3245 dostaneme ve 12vývodovém pouzdru typu DFN o rozměrech 3 mm x 4 mm x 0,75 mm, příp. též 12pinovém MSOP, oba s vyvedenou teplotní ploškou. Na HW serveru jsme si novinku od Linearu představili již vloni a dnes se tak na otázku celého návrhu s LTC3245 zaměříme podrobněji.

 

 

 

Zjednodušený blokový diagram obvodu LTC3245 vidíme na obr. 3. Nábojová pumpa bude pracovat jako měnič N/M × V_IN, kde N a M jsou celá čísla. Nejjednoduššími formami, které si vyžádají pouze jeden kondenzátor, se tak stávají ½, 1 a 2. Vyšší řád N a M si pak žádá více kapacit a také spínačů. Vzhledem k tomu, že jsou N a M celá čísla, nelze přímou nábojovou pumpu použít ke generování libovolného výstupu. Kontrolér místo toho upravuje V_IN a vyrábí tak pro nábojovou pumpu V_IN′. Celek pak může pracovat v jednom ze tří režimů, buck, LDO nebo boost, takže dostáváme ½V_IN′, V_IN′ nebo též 2V_IN′.

 

 

Náležitým řízením jak V_IN′ tak též pracovního módu nábojové pumpy docílíme libovolného napětí. Budeme – li kromě toho pracovat ve snižujícím režimu (buck), dostáváme ve srovnání s ekvivalentním LDO přibližně poloviční vstupní proud a lze tudíž očekávat i výraznější navýšení celkové účinnosti.

 

 

Obvod LTC3245 nabíjí plovoucí kondenzátor v každém spínacím cyklu, takže pro minimalizaci vlivu EMI bude nutné dostatečně blokovat V_IN. Pro tyto účely umístíme, pokud možno co nejblíže k pinu V_IN, vícevrstvý keramický kondenzátor MLCC o velikosti 3,3 μF až 10 μF. Jeden ze způsobů jak dostat kondenzátor co nejblíže k vývodu součástky spočívá ve snížení jeho napěťového rozsahu. Minimalizujeme tak jeho rozměry a čím menší pak bude, tím blíže jsme schopni se dostat i k pinu V_IN. Přestože je možné obvody LTC3245 na vstupu provozovat až do 38 V, pro automobilové aplikace by třeba mohl postačovat keramický kondenzátor MLCC jen na 16 V.

 

 

Ve spojitosti s blokovacím kondenzátorem se jako ideální řešení jeví krátké a široké připojení k napájení a zem, která bude součástí velmi široké plochy spojené s vyvedenou ploškou obvodu LTC3245. Zároveň předpokládáme, že V_IN nemá dlouhé vedení zpět ke zdroji s nízkou impedancí. Bude – li vstupní napájení přesto charakterizováno vyšší impedancí, nebo bude spoj měřit více než 5 cm, doporučuje se blokování další větší kapacitou. V řadě případů si zde vystačíme s velikostí 33 μF.

 

Činnost obvodu LTC3245 můžeme dále optimalizovat a to buď s ohledem na dosahovanou účinnost při nízké zátěži nebo minimální zvlnění výstupu. Zvolíme tedy účinný provoz Burst Mode® nebo režim s nízkým rušením. Burst Mode nabízí malé klidové proudy a tudíž i vyšší účinnost při nízkých zatěžovacích proudech. Mód s nízkou úrovní rušení zase činí určitý kompromis v otázce účinnosti, jen aby mohl při menším zatížení nabídnout též nižší zvlnění výstupu.

 

Obr. 4 zachycuje naměřené, vyzářené a také vedené „projevy“ obvodu LTC3245, testované v mikrokomoře ve shodě s CISPR25. Jak můžeme ostatně sami vidět, budeme – li řádně blokovat, nestojí nám ve snaze vyhovět zákonným požadavkům na vyzařované či vedené rušení nic v cestě.

 

 

 

Z detailu bloku nábojové pumpy (viz obr. 3) by se mohlo zdát, že plovoucí kondenzátor bude připojen pouze k nábojové pumpě samotné. Ve skutečnosti však nesmíme zapomenout ani na proměnný dělič napětí, vyrábějící V_IN′. Kapacitu tudíž nebudeme vybírat na základě nějakého přímého výpočtu, ale spíše s přihlédnutím k několika provozním omezením.

 

 

Tak předně, plovoucí kondenzátor nemůže být polarizovaný, jak tomu bývá v případě jeho elektrolytické či tantalové varianty. Přípustné napěťové zatížení by se rovněž mělo pohybovat zhruba 1 V nad úrovní výstupního napětí, takže pro případ výstupu 5 V použijeme kondenzátor na 6,3 V. Dále máme stanovenu jeho minimální kapacitu, 0,4 μF, a protože polarizované verze nejsou povoleny, jako nejvhodnější variantu zvolíme vícevrstvé keramické kondenzátory MLCC.

 

Vhodnými kondenzátory MLCC s dostatečnou kapacitou, vyhovující požadavku 0,4 μF, budou zřejmě ty s dielektrikem třídy II a odpovídajícími napěťovými koeficienty pro jejich kapacitu. Na tomto místě ale musíme zdůraznit, že v případě napěťového koeficientu kapacity hraje důležitou roli maximální napětí prvku, takže kondenzátor s maximálním napětím 16 V a provozovaný na 5 V bude mít mnohem větší kapacitu než jeho 6,3 V protějšek se stejnou jmenovitou kapacitou a velikostí, pracující na shodných 5 V.

 

Co nám z toho vyplývá? Kondenzátor třídy II na 6,3 V s kapacitou 0,47 μF, provozovaný na 5 V, požadavek na minimální kapacitu pravděpodobně nesplní, zatímco 0,47 μ na 50 V a shodné třídy II již dost možná ano. Pro většinu aplikací si tedy jako vhodného kandidáta nadefinujeme např. typ TDK C1005X5R1C105K, 1 μF na 16 V v provedení 0402.

 

 

 

Stanovení velikosti výstupní kapacity bude kompromisem mezi požadovaným zvlněním a odezvou na skok. S rostoucí kapacitou na výstupu bude sice klesat zvlnění, ale utrpí tím odezva. Požadované napěťové zatížení kondenzátoru definuje velikost výstupního napětí regulátoru, takže pro výstupní hladinu 5 V postačí prvek na 6,3 V. Jak jsme již ale zmiňovali výše, kondenzátory s dielektrikem třídy II ztrácí na svém jmenovitém napětí více než polovinu nominální kapacity. Pokud se tedy budeme pohybovat poblíž jmenovitého napětí kondenzátoru, měli bychom s ohledem na minimální zvlnění volit též úměrně větší kapacitu.

 

Vhodný kompromis mezi velikostí zvlnění a odezvou zajistí kondenzátor s kapacitou 10 až 20x větší než v případě plovoucího kondenzátoru. Pro doporučený plovoucí prvek s velikostí 1 μF to tedy bude činit 10 až 20 μF. Jenže kvůli ztráty o něco více než poloviny kapacity prvků třídy II na jejich jmenovitém napětí se dostaneme spíše na nominálních 47 μF.

 

 

 

 

Kromě dvou pevných výstupních napětí 3,3 V a 5 V bude možné nadefinovat vlastní hladinu a to s využitím zpětnovazebních rezistorů dle obr. 5. Musíme přitom přivést nízkou úroveň (zem) na SEL2 a vysokou na SEL1. Vývod OUTS/ADJ pak bude sloužit buď ke snímání výstupu – to v případě pevných výstupních napětí, nebo jako zpětnovazební pin, když si napětí na výstupu volíme sami. V prvním případě se zapojí přímo na výstup, u stavitelné varianty poté zpětnovazební referenční napětí činí 1,200 V ± 2 %. Vhodnou volbou rezistorů ve zpětné vazbě lze nastavit výstup na libovolnou požadovanou úroveň mezi 2,5 a 5 V.

 

 

 

Obvod LTC3245 můžeme rovněž nechat vstoupit do režimu shutdown s klidovou spotřebou jen 4 μA. Učiníme tak stažením obou vývodů SEL1 a SEL2 k zemi. Vývojáři budou mít zároveň k dispozici signál PGOOD (open drain, aktivní v jedničce), indikující splnění regulační podmínky na výstupu. Prahovou úrovní PGOOD se přitom stává 90 % požadovaného zpětnovazebního nebo snímaného napětí.

 

 

 

V článku jsme si blíže představili snižující – zvyšující DC/DC měnič LTC3245 se spínanou kapacitou a regulovaným výstupem (3,3 V, 5 V nebo stavitelně), dostupným ze vstupních 2,7 V až 38 V. Vzhledem k tomu, že není požadována jediná indukčnost, a také lze počítat s nízkou provozní spotřebou (20 μA bez zátěže, 4 μA během shutdownu) nebo minimálním počtem nezbytných vnějších součástek (tři malé keramické kondenzátory), dostáváme do rukou ideální řešení pro nízkopříkonové, prostorem omezené automobilové a další průmyslové aplikace.

 

Podrobnější informace, včetně dokumentace, naleznou zájemci na stránkách výrobce: http://www.linear.com/product/LTC3245.

 

 

Zdroj: 2.7V to 38V V_IN Range, Low Noise, 250mA Buck-Boost Charge Pump Converter, autor: George H. Barbehenn, Linear Technology (http://www.linear.com/designtools/lt_journal.php)