Jste zde

Navrhujeme zvyšující měnič, pracující z jediného článku – 4. díl

Jan Robenek, 12. Květen 2010 - 7:16
10.jpg

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

Několik poznámek k praktickému nasazení

Spouštění malým napětím

Rodina obvodů MCP1640/B/C/D dokáže začít pracovat s připojenou zátěží i při velmi malém vstupním napětí. Nízkonapěťový náběh (Startup) začíná při sepnutí MOSFETu s kanálem typu P, „nabíjejícím“ výstup až na úroveň vstupního napětí. Jakmile bude tato podmínka splněna, přichází na scénu kanál typu N, zvyšující potenciál výstupu až na cca 1.6 V. Na tomto napětí přepíná vnitřní předpětí ze vstupu na výstup. V typickém zapojení přitom může obvod začít pracovat se vstupním napětím 0.65 V. Reprezentativní časové průběhy během spouštění zachycuje obr. 12.

 

Obr. 12: Spouštění malým napětím

Provoz s malým vstupním napětím a velkými výstupními proudy

Při provozních stavech, definovaných malým vstupním napětím a velkými výstupními proudy, může proud, vstupující do struktur MCP1640/B/C/D, dosáhnou svého špičkového omezení. K limitaci přitom v typickém případě dochází na 850 mA, ale také to může být již 600 mA. Špičkový vstupní proud se dá určit na základě výpočtu výstupního výkonu

  • Vout x Iout.

Vydělme tedy výsledek, tj. výstupní výkon, vstupním napětím a vzniklý koeficient poté znuvu dělme očekávanou účinností. Ve výsledku pak dostaneme průměrnou velikost vstupního proudu.

Činnost při vysokých pracovních cyklech

Při fungování z malého vstupního napětí s požadavkem na velká výstupní napětí se u obvodů MCP1640/B/C/D můžeme v otázce pracovního cyklu přiblížit nejvyššímu limitu 91 % (typ.). Mějme příklad:

Budeme – li pracovat ze

  • vstupního napětí 0.9 V a požadovat
  • výstupní napětí 5.0 V, dostáváme
  • pracovní cyklus ((Vout – Vin) / Vout) = 82 %.

Zapracujeme – li do analýzy i účinnost, můžeme se s aktuálními pracovními cykly přiblížit na

  • 90 %.

Vede to však k určitému

  • jitteru PWM

a dokonce i

  • ztrátě regulace výstupního napětí.

Maximální omezení pracovního cyklu je nezbytným údajem pro kterýkoli zvyšující měnič; vysoké zvyšující poměry umožňují prakticky získané limity v rozmezí od

  • 90 % do 92 %.

Výstupní kapacity 4.7 μF

Přestože je doporučována výstupní kapacita 10 μF, můžeme ve většině aplikací s určitými omezeními na výstupu použít i 4.7 μF v keramice. Snížení výstupní kapacity přitom ovlivní

  • stabilitu měniče a také
  • zvlnění výstupního napětí.

Stabilita s výstupními kondenzátory 4.7 μF

Rodina obvodů MCP1640/B/C/D využívá řízení v režimu špičkového proudu s vestavěnou kompenzací a adaptivní kompenzací strmosti, vyrovnávající poměry na připojené indukčnosti. Součástky přitom pro indukčnosti 4.7 μH a kapacity 10 μF vykazují v celém provozním rozsahu vstupních napětí, výstupních napětí a také výstupních proudů vysokou

  • fázovou (Phase Margin) i
  • amplitudovou bezpečnost (Gain Margin).

Obr. 13 ukazuje, že dělicí kmitočet měniče (0 dB) činí přibližně

  • 15 kHz spolu s
  • fázovou bezpečností 60 stupňů a
  • amplitudovou bezpečností 15 dB.

Obr. 13: Bodeho diagram pro indukčnost 4.7 μH a výstupní kapacitu 10 μF v režimu spojitého proudu

Na obr. 14 zase vidíme Bodeho diagram, platný pro stejné systémové podmínky jako na obr. 13, jen s výstupním kondenzátorem, změněným na 4.7 μF.

Obr. 14: Bodeho diagram pro indukčnost 4.7 μH a výstupní kapacitu 4.7 μF v režimu spojitého proudu

Zapojíme – li tedy na výstup kondenzátor s kapacitou 4.7 μF, katapultujeme dělicí kmitočet (0 dB) na téměř

  • 30 kHz,

generujíce tak rychlejší odezvu systému. Na druhé straně jsme však snížili

  • fázovou bezpečnost na méně než 40 stupňů a také
  • amplitudovou bezpečnost na přibližně 10 dB.

Fázovou bezpečnost 40 stupňů přitom považujeme za mez stability. Bude – li se tedy vstupní napětí měnit, bude fázová bezpečnost dále klesat až do svého bodu nestability. Nestabilní měnič produkuje nízkofrekvenční střídavé složky výstupního zvlnění, které se mohou nacházet ve slyšitelné oblasti.

Uvažujme nyní provoz v režimu nespojitého proudu, protékajícího indukčností, ve kterém dochází ke změně stability měniče a snížení řádu systému o jedničku, což vede ke zvýšení fázové bezpečnosti. Bodeho diagram měniče, pracujícího v nespojitém režimu, zachycuje obr. 15. Dělicí kmitočet pro 0 dB činí přibližně

  • 28 kHz,
  • fázová bezpečnost vychází přibližně na 60 stupňů a také
  • amplitudová bezpečnost je velká, něco přes 20 dB.

Vidíme tedy, že v nespojitém režimu bude činnost měniče stabilní.

Obr. 15: Bodeho diagram pro indukčnost 4.7 μH a výstupní kapacitu 4.7 μF v režimu nespojitého proudu

Shrneme – li tedy získané poznatky:

Při snížení výstupní kapacity na 4.7 μF musíme měnič provozovat v režimu nespojitého proudu, protékajícího indukčností, což ale omezuje maximální výstupní proudy.

Jako vodítko nám dobře poslouží tab. 2:

Tab. 2: Maximální výstupní proudy Iout nespojitého režimu

Zapojení s výstupem pod 2 V

Rodina obvodů MCP1640/B/C/D pracuje z interního napětí, vybírajíce přitom maximum mezi Vin a Vout. Během spouštění je maximálním napětím Vin, při nárůstání a samotném běhu pak hovoříme o Vout. Pro vstupy s jedním napájecím článkem a výstupní napětí 1.8 V se doporučuje změna indukčnosti

  • z 4.7 μH na 2.2 μH,

posílená výstupní kapacitou, zvýšenou na

  • 20 μF.

Budeme – li tedy mít na vstupu jediný článek, omezíme rozsah výstupního proudu pro

  • Vout = 1.8 V
  • na 100 mA,

při snižování provozu až na

  • 0.9 V.

Na obr. 16 máme vynesenu účinnost obvodu, provozovaného s výstupním napětím 1.8 V.

Obr. 16: Účinnost 1.8 V výstupu

V zapojeních s 1.8 V výstupem se budou díky menšímu internímu předpětí a také nižšímu internímu budícímu napětí hradla měnit prahové proudy pro PFM/PWM. Obr. 17 zachycuje prahové proudy režimů PWM/PFM, vykreslené v závislosti na vstupním napětí.

Obr. 17: Prahové proudy pro 1.8 V výstup s PFM/PWM

Díky rostoucím prahovým napětím v chladnějších podmínkách se pro obvody MCP1640/B/C/D a teploty okolí

  • nad 0 °C

doporučuje

  • minimální výstupní napětí 1.8 V.

Budeme – li zase pracovat z jediného vstupního alkalického článku, zatěžovaného výstupními proudy

  • do 40 mA,

můžeme použít

  • indukčnost 3.3 μH, doplněnou výstupním kondenzátorem s
  • kapacitou 10 μF.

Závěr:

Rodina obvodů MCP1640/B/C/D, fungující z jediného vstupního článku, nabízí vysokou míru účinnosti, nezabere hodně místa a ještě k tomu přidá vynikající dynamické parametry. Podobně jako u většiny DC/DC měničů i zde rozumíme podrobnostem o funkci použité topologie na základě rovnováhy

  • napětí v čase pro indukčnost nebo
  • náboje v čase pro kondenzátor.

Vestavěná kompenzace, tj. zesilovač odchylky s kompenzací strmosti, se bezprostředně podílí na stabilizaci DC/DC struktury, využívajíce přitom běžnou indukčnost 4.7 μH, doplněnou výstupní kapacitou 10 μF. Pro další snížení rozměrů celého řešení, ceny i pracovního rozsahu lze v omezeném rozpětí výstupního proudu a vstupního napětí hýbat i s hodnotami použité indukčnosti nebo kapacity.

Použitá literatura:

Download a odkazy:

 

 

Hodnocení článku: