Trendem pro napájení současné moderní elektroniky a elektronických systémů je z důvodu maximálního zvýšení účinnosti a tím maximálního snížení spotřeby el. energie použití spínaných zdrojů. Využívá se jich nejen jako převodníků ze střídavých 230 V na stejnosměrné nižší napětí, ale i pro převod, stabilizaci napětí a generování různých přesných výstupních napětí v DC/DC měničích. Podobně jako v ostatních elektronických částech zařízení, i zde se výrobci snaží o maximální integraci všech prvků do jednoho obvodu na jeden čip.

U spínaných zdrojů je to však obtížnější z toho důvodu, že k jejich funkci je nevyhnutelně nutné použít cívky a dost velké a hlavně kvalitní kondenzátory s nízkými parazitními parametry, které nelze jednoduše a s uspokojitelnou přesností integrovat. Proto je vždy nutné integrovaný (řídící obvod) doplnit o externí tlumivky a kondenzátory. Naopak moderní technologie (například SMARTMOS firmy Freescale) již umožňují na chip integrovat i výkonové spínací tranzistory, které bylo ještě nedávno nutné též připojovat externě.

Složitější zařízení složená z několika MCU, procesorů či DSP, pamětí, senzorů, analogových obvodů, však ke svému provozu vyžadují různá napájecí napětí, často ve velmi širokém rozsahu 0.9 až třeba 15 VDC. A aby bylo možné například takovýto přístroj bateriově napájet, je nutné realizovat několik různých spínaných zdrojů, přičemž některé musí pracovat jako sestupné (step-down) a některé jako vzestupné (step-up). Aby nebylo nutné použít několik řídících IO a tak komplikovat desku plošných spojů (DPS) a osazování (zvláště to strojové) vyvinul Freescale zajímavý obvod označený jako MC34704: Multi-channel Power Management IC (PMIC).

Multinapěťový řídicí napájecí obvod MC34704

Obvod Freescale MC34704 je multikanálový řídicí napájecí obvod PMIC pro realizaci multinapěťového spínaného zdroje, který využívá adresované řídicí jádro, které poskytuje 5 nebo 8 nezávislých napájecích napěťových výstupů z jednoho stejnosměrného napájecího v rozsahu 2.7 a 5.5 VDC. Obvod tedy pracuje jako DC/DC měnič. Pro potřebu maximálního vyhlazení výsledného stejnosměrného napětí a minimalizaci rozměrů nutných pasivních součástek (cívek a kondenzátorů) se využívá vysoká spínací frekvence, která je nastavitelná skrze I2C komunikaci v rozsahu 750 kHz až 2 MHz (mimo REG6, 7 a 8 u nichž je rozsah 250 kHz až 1.0 MHz). Nastavovací krok je 250 kHz. Aby obvod negeneroval zátěžové špičky z napájecího zdroje a vyznačoval se lepším EMI, mají regulátory navzájem posunuté fáze spínání.

Všechny regulátory/výstupy mimo REG1 mají možnost zavést externí odporovou zpětnou vazbu pro hrubé nastavení výstupního napětí. Pro jemné doladění napětí v rámci desetin voltů slouží digitální dynamické donastavení v rozsahu +/- 10 nebo 17.5 % (dle konkrétního výstupu). Stejně tak všechny výstupy (opět mimo REG1) mají implementovaný tzv. měkký náběh (soft start), kdy napětí nenabíhá skokově, ale plynule. Doba náběhu se nastavuje (programuje) digitálně v registru obvodu opět přes rozhraní I2C. Regulátor REG1 / VG je pak základním zdrojem s výstupním napětím 5.0 V, u kterého není možné externí hardwarové přelaďování a není u něj implementován soft-start, narozdíl od zbylých regulátorů REG2 - 8. Pouze je k dispozici dynamické softwarové doladění o +/- 10 %. Pro snadné zapínání a vypínání zdroje je obvod MC34704 vybaven vstupem ON/OFF pro ovládaní zdroje mechanickým spínačem místo přepínače. Jeho stiskem a uvolněním se zdroj zapne, jeho stiskem a podržením po naprogramovanou dobu se zdroj vypne. Navíc, aby bylo možné odděleně ovládat (digitální přes I2C zapínat a vypínat) různé výstupy, jsou regulátory rozděleny do 5 skupin (Group A až E). Každou skupinu lze pak samostatně vypínat a zapínat, aniž by to ovlivnilo ostatní výstupy ostatních skupin.

Rozdělení do skupin je následující:

• Group A: REG1 (VOUT1)
• Group B: REG2, REG3 a REG4
• Group C: REG5, REG6 a REG7
• Group D: REG8
• Group E: speciální - obsahuje REG 5, když je zvolen sekvenční režim

Zajímavé na zde uvedeném řídícím obvodu je také jeho ovládání a nastavení jeho vlastností. Již bylo výše uvedeno, že se to provádí digitálně prostřednictvím sériového komunikačního rozhraní I2C. To již dnes samo o sobě není až tak zvláštní, ale překvapující je 29 integrovaných 8bitových registrů, což není běžné ani u menších MCU. Pokud však vezmeme v potaz to, že každému regulátoru přísluší 2 až 3 registry, není to až tak mnoho.

Přestože má integrovaný obvod hodně vývodů (vstupů a výstupů) je díky použití 56vývodového pouzdra QFN56 (Quad Flat Pack No-Lead) jeho velikost jen 7x7 mm. To sice umožňuje nasazení i do velmi malých přenosných přístrojů, ale již je to horší při jakémkoliv amatérském použití. Výsledkem všech výše popsaných vlastností je pak obvod ideální nejen pro velká "stolní" a průmyslová zařízení, ale i pro malé přístroje napájené lithiovými akumulátory nebo z USB konektoru.

Základní parametry Power Management obvodu MC34704

• 8 nebo 5 DC/DC spínaných regulátorů (měničů) s přesností výstupního napětí ±2%
• Účinnost: > 80 %
• 4 snižující a propustné BUCK měniče
• Vstupní napájecí napětí: 2.7 až 5.5 VDC
• Volitelný režim řízení napětí nebo řízení proud na výstupu REG8
• Výstupní napětí jednotlivých regulátorů (režim řízení napětí):
  • REG1/VG (Synchronous Boost): 5 VDC / max. 500 mA
  • REG2 (Synchronous Buck-Boost): 3.3 VDC (nastav. 0.6 až 3.6 VDC) / max. 500 mA
  • REG3 (Synchronous Buck): 1.2 VDC (nastav. 0.6 až 1.8 VDC) / max. 550 mA
  • REG4 (Synchronous Buck-Boost): 1.8 VDC (nastav. 0.6 až 3.6 VDC) / max. 300 mA
  • REG5 (Synchronous Buck-Boost): 3.3 VDC (nastav. 0.6 až 3.6 VDC) / max. 500 mA
  • REG6 (Synchronous Boost): 15 VDC (nastav. 5 až 15 VDC) / max. 60 mA
  • REG7 (Inverter Controller): - 7.0 VDC (nastav. -5 až -9VDC) / max. 60 mA
  • REG8 (Synchronous Boost): 15 VDC (nastav. 5 až 15 VDC) / max. 30 mA
• Dynamická změna / doladění výstupního napětí o +/- 10 nebo 17.5 %
• Volitelný režim řízení napětí nebo řízení proud na výstupu REG8
• Programování prostřednictvím rozhraní I2C a 53 vnitřních registrů
• Detekce a ochrana proti podpětí a přepětí každého regulátoru
• Detekce nadproudu a ochrana proti zkratu
• Oddělená detekce přehřátí každého regulátoru, vyjma regulátoru/výstupu REG7
• Integrovaná kompenzace pro regulátory / výstupy REG1, REG3, REG6 a REG8
• Nízkopříkonový režim s odběrem max. 5 mikroA (všechny výstupy jsou odpojeny)
• Opravdové spínání všech zvyšujících (boost) a blokovacích (buck-boost) měničů
• Pracovní teplota: -20 až 85°C
• Pouzdro: QFN56 o velikosti 7x7 mm

Použití spínaného multikanálového zdroje s obvodem MC34704

• Napájení zařízení a obvodů s vysokým proudovým odběrem
• Bateriově napájené aplikace (vstupní napětí stabilizátoru od 0.9 V)
• Miniaturizace výkonových zdrojů
• Souhrnné napájení DSP, mikroprocesorů a výkonných MCU a pamětí
• Přenosná a kapesní zařízení napájená lithiovými akumulátory
• Zařízení napájení přes USB (5.0 VDC)
• Mobilní telefony (Smart Phones)
• Bezdrátově komunikující PDA
• Navigační přístroje
• Bezpečnostní i přenosné fotoaparáty a kamery
• Dálkově ovládané přístroje
• Tiskárny a faxy
• Herní konzole
• Malé ruční elektrické spotřebiče a nástroje
• apod.

Typické zapojení multikanálového / multinapěťového zdroje s obvodem MC34704

Následující obrázky ukazují typické příklady zapojení zdrojů s 8- a 5-kanálovým obvodem MC34704. Na nich je vidět, že prakticky stačí výstup každého regulátoru doplnit filtrační cívkou a kondenzátorem pro vyhlazení výstupního napětí a odporovým děličem, kterým se hrubě nastavuje velikost výstupního napětí. Jemné nastavení se provádí digitálně přes I2CHodnoty a velikosti součástek lze pak snadno spočítat s použitím postupu a vzorců uvedených v podrobném datasheetu MC34704.pdf.

Závěr

Na stránkách firmy Freescale (www.freescale.com) lze nalézt mnoho dalších zajímavých podobných integrovaných obvodů pro spínané zdroje a mnoho ukázek jejich aplikací, včetně teoretického rozboru zvolených hodnot součástek nebo i praktické informace k požadavkům na umístění jednotlivých prvků na desce plošných spojů (v aplikačních listech a podrobných datasheetech). Tyto zdroje nejsou vhodné jen pokud potřebujete kvalitní vícenapěťový zdroj pro procesorovou techniku Freescale, ale také pro jakýkoli jiný mikrokontrolér, signálový procesor nebo FPGA nebo různé analogové obvody a senzory. Samozřejmě tyto integrované obvody nelze použít pro hlavní napájecí spínané zdroje zařízení poskytující stejnosměrné napětí ze zásuvkových střídavých 230 V. Pro tyto účely existují a slouží jiné integrované obvody mnoha specializovaných výrobců.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Freescale - www.freescale.com
• Přímý odkaz na stránku zabývající se Power managmentem - www.freescale.com/webapp/sps/site/homepage.jsp?nodeId=017440
• Přímý odkaz na stránku o integrovaném obvodu MC34704 - www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MC34704...
• Přímý odkaz na datasheet integrovaného obvodu MC34704 - www.freescale.com/files/analog/doc/data_sheet/MC34704.pdf
• Článek " Spínané zdroje s integrovanými obvody Freescale" na HW serveru o realizaci spínaných zdrojů s obvody Freescale
• Článek "Spínané zdroje" na HW serveru o realizaci spínaných zdrojů
• Doc. Ing. Miroslav Husák, CSc.: "Napájecí zdroje v elektronice", vydavatelství ČVUT, Praha 2000, ISBN 80-01-01764-8
• Ing. Alexandr Krejčiřík: "Moderní spínané zdroje", nakladatelství BEN, Praha 1999, ISBN 80-86056-78-3