Jste zde

Navrhujeme zvyšující měnič, pracující z jediného článku – 3. díl

Jan Robenek, 10. Květen 2010 - 7:03
10.jpg

Série příspěvků přináší český překlad aplikační poznámky Microchipu s názvem Single Cell Input Boost Converter Design.

PFM modulace

Obvody MCP1640/MCP1640C mohou pracovat ve třetím režimu PFM s pulsně frekvenční modulací (Pulse Frequency Modulation), přicházející na scénu, klesá – li výstupní proud pod předem stanovenou prahovou úroveň. V režimu PFM pracujeme s pevným špičkovým proudem, tekoucím indukčností, který vykazuje větší úroveň než tu, potřebnou k udržení výstupu v regulačních mezích. Tímto způsobem podpoříme nárůst výstupního napětí, přičemž při dosažení maximálního limitu výstupního napětí pulsy ustanou a čip vstoupí do stavu s nízkým klidovým proudem, minimalizujíce tak odběr z napájecí baterie. Výsledkem módu s PFM však zůstává větší zvlnění výstupního napětí. Na obr. 7 jsme odchytili průběhy, poplatné režimu s PFM a také režimu PWM (Pulse-Width Modulation) s pulsně šířkovou modulací. Zatěžovací proud přitom činil 1 mA.

 

Obr. 7: Srovnání provozních režimů s PFM a PWM

Integrované obvody MCP1640B/D režimu PFM nevyužívají a špičkový proud, tekoucí indukčností, včetně své návaznosti na připojenou zátěž, vystačí s definicí běžného režimu nespojitého proudu, tekoucího indukčností. Budeme – li v této fázi srovnávat s módem PFM, zjistíme, že struktura spíná na pevném kmitočtu 500 kHz a výstupní napětí vykazuje menší zvlnění, což oceníme např. v aplikacích s audio či dalšími nízkofrekvenčními signály. Mezi nevýhody, plynoucí z nepřítomnosti režimu PFM, však musíme zařadit menší účinnost. Obr. 8 porovnává účinnost režimu PFM/PWM s účinností samotného módu PWM.

Obr. 8: Porovnání účinnosti režimů s PFM a PWM

Synchronní usměrňovací spínač s kanálem typu P vypíná, dosáhne – li proud, tekoucí indukčností, nuly (platí pro všechny obvody i provozní režimy), čímž brání zpětnému toku proudu z výstupu na vstup, podporujíce tak vysokou míru účinnosti. Budeme – li navíc pracovat jen v režimu s PWM, vyskytne se u extrémně odlehčených zátěží určité

  • vynechání pulsů (Pulse Skipping).

Maximální proud, tekoucí indukčností, je malý, může proto podpořit i malé zvlnění napětí. Na obr. 9 vidíme velikosti proudů, při kterých, v závislosti na vstupním napětí, začínají obvody MCP1640B/D vynechávat své pulsy.

Obr. 9: Napěťový práh pro vynechávání pulsů v součinnosti s proudem, tekoucím zátěží

Řízení v režimu špičkového proudu

Rodina obvodů MCP1640/B/C/D ke své činnosti využívá řízení v režimu špičkového proudu. Takovým způsobem řízení pak můžeme snížit řád výkonového systému na jedna vs. dva, srovnáváme – li s řízením v napěťovém režimu provozu. Blokový diagram součástky zachycuje obr. 10.

Obr. 10: Řízení v režimu špičkového proudu

Řízení v režimu špičkového proudu porovnává špičkový proud, tekoucí spínačem (nebo indukčností) s výstupem

  • zesilovače odchylky (Error Amplifier).

Vyžádá – li si situace na zátěži změnu, zesilovač odchylky s vestavěnou kompenzací zareaguje a přispěje tak k nastavení náležité, špičkové úrovně proudu pro nezbytné uregulování napětí.

Pro náhlé změny na zátěži nabídne řízení v režimu špičkového proudu rychlou odezvu. Zmíněná odezva přitom bude funkcí velikosti indukčnosti a také výstupního kondenzátoru. Protože však máme v rámci rodiny obvodů MCP1640/B/C/D kompenzaci již integrovanou, existují určitá omezení rozsahu, ve kterém lze indukčnost i výstupní kapacitu vybírat. Pro aplikace, využívající řízení v režimu špičkového proudu s pracovními cykly, převyšujícími 50 %, se dále jeví jako nezbytná i

  • kompenzace strmosti (Slope Compensation),

zajišťující stabilitu. Kompenzace strmosti interně podepírá signál Isense. I to následně omezuje změny ještě použitelné indukčnosti. Limit špičkového proudu se definuje omezením úrovně snímaného proudu, protékajícího spínačem, vzhledem ke stanovené bezpečné hodnotě. Rodina obvodů MCP1640/B/C/D v typickém případě omezuje špičkové proudy na

  • 850 mA.

Obr. 11: Časové průběhy proudu, tekoucího indukčností s maximem na 850 mA (Peak Limit)

Rozsah použitelných zvyšujících indukčností i minimálních výstupních kapacit má své mantinely. V Tab. 1 jsme proto vymezili určité vodítko. Ve většině případů na pozici zvyšující indukčnosti a výstupní kapacity vyhoví

  • indukčnost 4.7 μH a kondenzátor 10 μF.

Vstupní kapacita by pak měla být

  • nejméně 4.7 μF.

Pro zapojení s velkými zdrojovými impedancemi, umístěná navíc daleko od baterie či napájecího zdroje, se přidává další kapacita. Pro malá vstupní napětí a velké výstupní proudy se doporučuje

  • 10 μF.

V případě aplikací s velmi malou zátěží se smí použít i menší výstupní kondenzátory. Jejich velikost přitom závisí na

  • vstupním napětí,
  • výstupním napětí a také
  • odebíraném proudu.

Tab. 1: Omezení pro zvyšující indukčnost a výstupní kondenzátor

Účinnost a další technické parametry

Účinnost použitého měniče silně závisí na vstupním a také výstupním napětí, včetně příslušného proudového odběru. Převažující ztráty rodiny obvodů MCP1640/B/C/D vznikají na odporech, takže pro aplikace s menšími vstupními / výstupními potenciály dostáváme i menší účinnosti. Mezi další faktory, které mohou ovlivnit účinnost, řadíme ztráty na indukčnosti a kapacitě, zejména pak odporové ztráty použité cívky. V souvislosti s většími indukčnostmi pak hovoříme o menším odporu a také větší účinnosti, kompromisních rozměrech nebo ceně.

Jak souvisí klidové nebo unikající proudy s výdrží baterie?

Rodina obvodů MCP1640/B/C/D vykazuje velmi malé klidové proudy Iq, které v typickém případě módu s PFM činí

  • 19 μA.

Je to sice pěkné, nicméně v zapojeních s minimálními odběry nejrůznějších spánkových režimů to může vést k výrazné průměrné spotřebě z bateriového zdroje napájení. V některých aplikacích, živených z multi nebo mincových článků, se k předepnutí zátěže dá využít volitelný bypass, vycházející z vestavěného MOSFETu s kanálem typu P, propojujícím vstup a výstup. Vyvstane – li pak požadavek na regulované napětí, posílíme vstupní pin EN logickou jedničkou, čímž na výstupu dostáváme žádaný potenciál. V režimu Shutdown nepřekračuje spotřeba přemosťovacího proudu

  • 1 μA,

což se již bude bateriím líbit o něco více. Varianta poctivého rozpojení výstupu zase odděluje vstup od výstupu rozpojením diodové trasy vestavěného MOSFETU s kanálem typu P. V režimu Shutdown je pak výstupní napětí rovno nule a typický proud Iq se pohybuje pod

  • 1 μA.

Dokončení příště.

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

 

Hodnocení článku: