Jste zde

Navrhujeme zvyšující měnič, pracující z jediného článku – 1. díl

Jan Robenek, 4. Květen 2010 - 7:35

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

Úvod

V současné době využívá celá řada přenosných aplikací, živených z baterie, hned několik napájecích článků. Vůbec tedy nepřekvapí, že se konečné rozměry výrobku v některých případech přímo odvíjí od rozměrů bateriového packu. V této aplikační poznámce proto představíme a rozebereme příslušné vztahy včetně kompromisů, usnadňujících nasazení synchronních zvyšujících měničů s jedním vstupním článkem. Budeme přitom vycházet z rodiny obvodů MCP1640/B/C/D od Microchipu, kterou jsme již krátce zmínili v příspěvku

Účinné napájení s prakticky vybitými články.

Zmíněné zvyšující měniče, určené pro práci s jedním vstupním článkem, umožňují spouštění ze zdrojů velmi malého vstupního napětí. Struktury MCP1640/B/C/D tak začínají na zdrojových 0.65 V a pracují směrem dolů až k 0.35 V, přičemž na svém výstupu generují zvýšené napětí od 2.0 V až do 5.5 V. Dvě typická zapojení pro názornost zachycuje obr. 1.

Obr. 1: Typická zapojení obvodu MCP1640

Maximální účinnosti obvodů MCP1640/MCP1640C se pro celý zátěžový rozsah dosahuje automatickým přepínáním z módu

Pulse Skipping či Pulse Frequency Modulation (PFM)

do režimu

pravidelného taktování pevným kmitočtem 500 kHz.

Pro aplikace, které ale nemohou tolerovat nízkofrekvenční režim Pulse Skipping nebo s ním spojené zvlnění výstupního napětí, máme zase k dispozici čipy MCP1640B/D, plynule spínající na pevné frekvenci (s pulsně - šířkovou modulací) 500 kHz. Vedle dvou režimů spínání máme u rodiny obvodů MCP1640/B/C/D rovněž k dispozici dvě možnosti „vyřazení“. V případě

poctivého odpojení výstupu (True Output Disconnect, MCP1640/MCP1640B)

bude výstup synchronního zvyšujícího měniče otevřen a typická diodová trasa ze vstupu na výstup rozpojena, izolujíce tak vstup od výstupu. Volba

vstupního bypassu (Input Bypass, MCP1640C/D)

zase spojí vstup a příslušný výstup pomocí synchronního spínače s kanálem typu P. V tomto režimu se pak typické klidové proudy, odebírané z baterie, pohybují pod úrovní 1 μA. Volba vstupního bypassu tedy zajišťuje napájecí napětí zátěži ve stavu hlubokém spánku s možností zvýšit svůj potenciál až na úroveň, potřebnou pro normální fungování.

Analýza zvyšujícího měniče

Princip činnosti zvyšujícího měniče

Režim, při kterém dochází ke spínání indukčnosti (Inductive Switch) se používá u zvyšujících měničů, určených k napájení, chceme – li z malého napětí vyrobit větší. Zvyšující topologie vyžaduje

indukčnost,
spínač,
diodu a také
výstupní kondenzátor.

Pro rozbor činnosti zvyšujícího měniče předpokládejme malé zvlnění výstupního napětí, resp. rovnou jeho stejnosměrnou úroveň. V praxi se s takovým předpokladem běžně setkáváme u DC/DC měničů.

Ve spoustě zvyšujících měničů protékají stejnosměrné proudy ze vstupu na výstup přes indukčnost L1 a diodu. Ikdyž pak bude v typickém zapojení zvyšující měnič deaktivován, přesto může „ždímat“ baterii. V případě našich obvodů MCP1640/B/C/D byla dioda nahrazena MOSFETem s kanálem typu P, chovajícím se také jako dioda, jinými slovy vedoucím propustné proudy ze vstupu na výstup a vypínajícím pro zajištění blokace závěrných toků z výstupu směrem na vstup. Zabudovaný spínač navíc blokuje propustnou diodovou trasu kanálu P v době vyřazení měniče z činnosti. Základní prvky synchronního zvyšujícího regulátoru zachycuje obr. 2.

Obr. 2: Zapojení zvyšujícího měniče

Smyčka s Q1 je uzavřena

Na začátku cyklu dochází k sepnutí spínače Q1. O dodávku výstupního proudu se v této fázi stará výstupní kapacita Cout, energie magnetického pole se zase ukládá v rámci indukčnosti L1. Bude – li tedy spínač Q1 sepnut, začne konstantní rychlostí narůstat proud tekoucí indukčností a to úměrně vstupnímu napětí Vin lomeno indukčností L1. Pracovní fázi spínače vhodně dokresluje obr. 3.

Obr. 3: Spínač Q1 sepnut

Smyčka s Q1 je rozpojena

Na konci PWM cyklu (Pulse Width Modulation) zvyšující spínač Q1 vypíná. Proud tekoucí indukčností musí, a také bude, pokračovat ve svém toku, nalézajíce přitom cestu přes Q2. Tok se uzavírá zátěží, přičemž zkrátka nepřijde ani výstupní kondenzátor Cout, vybitý během fáze sepnutého spínače. Stav rozpojeného spínače zachycuje obr. 4.

Obr. 4: Spínač Q1 rozpojen

Pro vyrovnanou činnost musíme energii, odčerpanou z výstupní kapacity Cout v době sepnutého spínače, nahradit naprosto stejným množstvím ve fázi rozpojeného spínače. Vedle nábojově – časového dorovnání na výstupním kondenzátoru Cout se tak pro stabilní činnost PWM spínání ukazuje jako nezbytná i naprostá rovnost mezi proudem, tekoucím indukčností při sepnutém spínači (jeho „rampou“) a proudem indukčností ve fázi rozpojeného spínače. Napětí, působící na indukčnosti po stanovenou dobu sepnutí, resp. rozepnutí spínače, se tedy musí shodovat ve své velikosti a lišit svou orientací. Definovali jsme tak náš první vztah: