رگولاتورهای dc to dc step down buck

 رگولاتورهای DC-to-DC Step Down (Buck)

تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها، دوربین‌های دیجیتال، سیستم‌های ناوبری، تجهیزات پزشکی و سایر دستگاه‌های قابل حمل کم‌مصرف اغلب حاوی مدارهای مجتمع متعددی هستند که بر روی فرآیندهای نیمه‌ رسانای مختلف تولید می‌شوند. این دستگاه ها معمولاً به چندین ولتاژ تغذیه مستقل نیاز دارند که هر کدام معمولاً با ولتاژی که توسط باتری یا منبع تغذیه خارجی ac-to-dc تأمین می شود متفاوت است.

شکل 1 یک سیستم معمولی کم مصرف را نشان می دهد که با باتری لیتیوم یونی کار می کند. خروجی قابل استفاده باتری از 3 ولت تا 4.2 ولت متغیر است، در حالی که آی سی ها به ولتاژهای 0.8 ولت، 1.8 ولت، 2.5 ولت و 2.8 ولت نیاز دارند. یک راه ساده برای کاهش ولتاژ باتری به ولتاژ dc کمتر، استفاده از رگولاتور کم خروجی است. (LDO). متأسفانه، توانی که به بار تحویل داده نمی شود، به عنوان گرما از بین می رود، و زمانی که VIN بسیار بیشتر از VOUT باشد، LDO ها ناکارآمد می شوند. یک جایگزین محبوب، مبدل سوئیچینگ، به طور متناوب انرژی را در میدان مغناطیسی سلف ذخیره می کند و انرژی را با ولتاژ متفاوت به بار آزاد می کند. کاهش تلفات آن را به انتخاب بهتری برای راندمان بالا تبدیل می کند. مبدل‌های باک یا کاهنده - که در اینجا پوشش داده شده‌اند - ولتاژ کمتری را ارائه می‌کنند. مبدل های تقویت کننده یا افزایش دهنده ولتاژ خروجی بالاتری را ارائه می دهند. مبدل های سوئیچینگ که شامل FET های داخلی به عنوان سوئیچ هستند، تنظیم کننده سوئیچینگ نامیده می شوند، در حالی که دستگاه هایی که به FET های خارجی نیاز دارند، کنترل کننده های سوئیچینگ نامیده می شوند. اکثر سیستم های کم مصرف از LDO و مبدل های سوئیچینگ برای دستیابی به اهداف هزینه و عملکرد استفاده می کنند.

 

شکل 1. Typical low-power portable system.


تنظیم کننده های باک از دو سوئیچ، دو خازن و یک سلف تشکیل شده است، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است. درایوهای سوئیچ بدون همپوشانی تضمین می کنند که در هر زمان فقط یک کلید روشن است تا از جریان ناخواسته جلوگیری شود. در فاز 1، سوئیچ B باز است و سوئیچ A بسته است. سلف به VIN متصل است، بنابراین جریان از VIN به بار جریان می یابد. جریان به دلیل ولتاژ مثبت در سلف افزایش می یابد. در فاز 2، سوئیچ A باز و سوئیچ B بسته است. سلف به زمین متصل است، بنابراین جریان از زمین به بار جریان می یابد. جریان به دلیل ولتاژ منفی در سلف کاهش می یابد و انرژی ذخیره شده در سلف به بار تخلیه می شود.

 

شکل 2. توپولوژی مبدل باک و شکل موج های عملیاتی.

توجه داشته باشید که عملکرد رگولاتور سوئیچینگ می تواند پیوسته یا ناپیوسته باشد. هنگام کار در حالت هدایت پیوسته (CCM)، جریان سلف هرگز به صفر نمی رسد. هنگام کار در حالت هدایت ناپیوسته (DCM)، جریان سلف می تواند به صفر برسد. مبدل های باک کم مصرف به ندرت در DCM کار می کنند. ریپل جریان، که به صورت ΔIL در شکل 2 نشان داده شده است، معمولاً 20 تا 50 درصد جریان بار نامی طراحی شده است.

در شکل 3، سوئیچ A و سوئیچ B به ترتیب با سوئیچ های PFET و NFET برای ایجاد یک تنظیم کننده باک همزمان پیاده سازی شده اند. اصطلاح سنکرون نشان می دهد که یک FET به عنوان سوئیچ پایینی استفاده می شود. تنظیم کننده های باک که از دیود شاتکی به جای سوئیچ پایینی استفاده می کنند به عنوان ناهمزمان (یا ناهمگام) تعریف می شوند. برای مدیریت توان کم، رگولاتورهای باک سنکرون کارآمدتر هستند زیرا FET افت ولتاژ کمتری نسبت به دیود شاتکی دارد. با این حال، بازده مبدل سنکرون در بار سبک به خطر می افتد اگر FET پایینی هنگامی که جریان سلف به صفر برسد آزاد نشود و مدار کنترل اضافی پیچیدگی و هزینه آی سی را افزایش دهد.

شکل 3. تنظیم کننده باک نوسانگر، حلقه کنترل PWM و FET های سوئیچینگ را ادغام می کند.

 

رگولاتورهای باک سنکرون کم مصرف امروزی از مدولاسیون عرض پالس (PWM) به عنوان حالت کار اولیه استفاده می کنند. PWM فرکانس را ثابت نگه می دارد و عرض پالس (tON) را برای تنظیم ولتاژ خروجی تغییر می دهد. میانگین توان تحویلی متناسب با چرخه وظیفه D است و این روشی کارآمد برای تامین توان بار است.

 

کلیدهای FET توسط یک کنترل کننده عرض پالس کنترل می شوند که از بازخورد ولتاژ یا جریان در یک حلقه کنترل برای تنظیم ولتاژ خروجی در پاسخ به تغییرات بار استفاده می کند. مبدل های باک کم مصرف معمولا بین 1 تا 6 مگاهرتز کار می کنند. فرکانس های سوئیچینگ بالاتر امکان استفاده از سلف های کوچکتر را فراهم می کند، اما راندمان به ازای هر دو برابر شدن فرکانس سوئیچینگ تقریباً 2٪ کاهش می یابد.

عملکرد PWM همیشه کارایی سیستم را در بارهای سبک بهبود نمی بخشد. برای مثال مدار تغذیه یک کارت گرافیک را در نظر بگیرید. همانطور که محتوای ویدیو تغییر می کند، جریان بار روی مبدل باک که پردازنده گرافیکی را هدایت می کند نیز تغییر می کند. عملکرد مداوم PWM می‌تواند طیف وسیعی از جریان‌های بار را تحمل کند، اما راندمان در بارهای سبک به سرعت کاهش می‌یابد زیرا توان مورد نیاز تنظیم‌کننده درصد بیشتری از کل توان تحویلی به بار را مصرف می‌کند. برای کاربردهای قابل حمل، تنظیم‌کننده‌های باک از تکنیک‌های صرفه‌جویی انرژی اضافی مانند مدولاسیون فرکانس پالس (PFM)، پرش پالس یا ترکیبی از هر دو استفاده می‌کنند.

دستگاه های آنالوگ عملکرد کارآمد بار سبک را به عنوان حالت ذخیره انرژی (PSM) تعریف می کند. هنگامی که حالت صرفه جویی در مصرف برق وارد می شود، یک افست القا شده در سطح تنظیم PWM باعث می شود ولتاژ خروجی افزایش یابد، تا زمانی که تقریباً به 1.5٪ بالاتر از سطح تنظیم PWM برسد، در این نقطه عملکرد PWM خاموش می شود: هر دو کلید برق خاموش هستند. و حالت بیکار وارد می شود. COUT مجاز است تا زمانی که VOUT به ولتاژ تنظیم PWM برسد تخلیه شود. سپس دستگاه سلف را به حرکت در می آورد و باعث می شود VOUT دوباره به آستانه بالایی برسد. این فرآیند تا زمانی تکرار می شود که جریان بار زیر آستانه جریان ذخیره انرژی باشد.

ADP2138 یک مبدل کم حجم 800 میلی آمپر، 3 مگاهرتز، dc به dc است. شکل 4 یک مدار کاربردی معمولی را نشان می دهد. شکل 5 بهبود راندمان بین PWM اجباری و عملکرد خودکار PWM/PSM را نشان می دهد. با توجه به فرکانس متغیر، فیلتر کردن تداخل PSM ممکن است سخت باشد، بنابراین بسیاری از تنظیم‌کننده‌های باک دارای یک پین MODE (نشان داده شده در شکل 4) هستند که به کاربر اجازه می‌دهد عملیات PWM مداوم را مجبور کند یا به عملکرد خودکار PWM/PSM اجازه دهد. پین MODE را می توان برای هر دو حالت کار سیم کشی کرد یا در صورت نیاز برای صرفه جویی در مصرف برق، به صورت پویا سوئیچ کرد.

شکل 4. ADP2138/ADP2139 typical applications circuit.

 

 

 

شکل 5. کارایی ADP2138 در (الف) حالت PWM پیوسته و (ب) حالت PSM.

 

Buck Regulators Improve Efficiency

افزایش راندمان اجازه می دهد تا زمان کارکرد باتری طولانی تر قبل از تعویض یا شارژ مجدد، یک ویژگی بسیار مطلوب در طراحی های جدید دستگاه های قابل حمل باشد. به عنوان مثال، یک باتری لیتیوم یونی قابل شارژ می تواند با استفاده از ADP125 LDO یک بار 500 میلی آمپری را با ولتاژ 0.8 ولت هدایت کند، همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است. راندمان LDO، VOUT/VIN × 100 درصد یا 0.8/4.2، تنها 19 درصد است. . LDO ها نمی توانند انرژی استفاده نشده را ذخیره کنند، بنابراین 81٪ (1.7 وات) توانی که به بار تحویل نمی شود به عنوان گرما در LDO تلف می شود که می تواند باعث گرم شدن سریع دستگاه دستی شود. استفاده از رگولاتور سوئیچینگ ADP2138 که با ورودی 4.2 ولت و خروجی 0.8 ولت 82 درصد راندمان عملیاتی را ارائه می دهد، بیش از چهار برابر راندمان را ارائه می دهد و افزایش دمای دستگاه قابل حمل را کاهش می دهد. چنین پیشرفت های اساسی در کارایی سیستم منجر به طراحی تعداد زیادی تنظیم کننده سوئیچینگ در دستگاه های قابل حمل شده است.

 

شکل 6. ADP125 low-dropout regulator can drive 500-mA loads.

 

مشخصات و تعاریف مبدل Key Buck

محدوده ولتاژ ورودی: محدوده ولتاژ ورودی مبدل باک کمترین ولتاژ تغذیه ورودی قابل استفاده را تعیین می کند. مشخصات ممکن است محدوده ولتاژ ورودی وسیعی را نشان دهد، اما VIN باید بیشتر از VOUT باشد تا عملکرد کارآمد باشد. به عنوان مثال، یک ولتاژ خروجی 3.3 ولتی تنظیم شده به ولتاژ ورودی بالاتر از 3.8 ولت نیاز دارد.

جریان زمین یا ساکن: IQ جریان بایاس dc است که به بار تحویل نمی شود. دستگاه هایی با ضریب هوشی پایین تر، کارایی بالاتری دارند. ضریب هوشی را می توان برای بسیاری از شرایط مشخص کرد، با این حال، از جمله خاموش شدن، بار صفر، عملکرد PFM یا عملکرد PWM، بنابراین بهتر است به داده های بازده عملیاتی واقعی در ولتاژهای عملیاتی و جریان های بار خاص نگاه کنید تا بهترین رگولاتور باک را برای یک رگولاتور تعیین کنید. کاربرد.

Shutdown Current: جریان ورودی مصرف شده زمانی که پین فعال در حالت خاموش تنظیم شده است. این جریان که معمولاً برای تنظیم‌کننده‌های باک کم‌مصرف بسیار کمتر از 1 µA است، در زمان‌های طولانی آماده به کار روی باتری در حالی که دستگاه قابل حمل در حالت خواب است، مهم است.

دقت ولتاژ خروجی: مبدل های باک دستگاه های آنالوگ برای دقت ولتاژ خروجی بالا طراحی شده اند. دستگاه‌های خروجی ثابت در دمای 25 درجه سانتی‌گراد، در کارخانه تا 2±% بریده شده‌اند. دقت ولتاژ خروجی بر روی محدوده دمای کارکرد، ولتاژ ورودی و جریان بار مشخص می‌شود و در بدترین حالت عدم دقت به صورت ±x% مشخص می‌شود.

 

تنظیم خط: تنظیم خط تغییر در ولتاژ خروجی است که در اثر تغییر در ولتاژ ورودی، در بار نامی ایجاد می شود.

تنظیم بار: تنظیم بار تغییر ولتاژ خروجی برای تغییر در جریان خروجی است. اکثر رگولاتورهای باک می توانند ولتاژ خروجی را برای تغییر آهسته جریان بار ثابت نگه دارند.

 

بار گذرا: خطاهای گذرا ممکن است زمانی رخ دهد که جریان بار به سرعت از کم به زیاد تغییر کند و باعث تغییر حالت بین PFM و PWM یا از عملکرد PWM به PFM شود. گذراهای بار همیشه مشخص نمی شوند، اما بیشتر برگه های داده نمودارهایی از پاسخ های گذرا بار در شرایط عملیاتی مختلف دارند.

 

محدودیت جریان: رگولاتورهای باک مانند ADP2138 از مدارهای حفاظتی برای محدود کردن مقدار جریان مثبت عبوری از کلید PFET و یکسو کننده سنکرون استفاده می کنند. کنترل جریان مثبت مقدار جریانی را که می تواند از ورودی به خروجی عبور کند محدود می کند. حد جریان منفی مانع از برگشت جهت جریان سلف و خروج از بار می شود.

 

Soft Start: برای تنظیم‌کننده‌های باک مهم است که یک عملکرد استارت نرم داخلی داشته باشند که هنگام راه‌اندازی ولتاژ خروجی را به صورت کنترل‌شده افزایش دهد تا جریان هجومی را محدود کند. این از افت ولتاژ ورودی باتری یا منبع تغذیه با امپدانس بالا در هنگام اتصال به ورودی مبدل جلوگیری می کند. پس از فعال شدن دستگاه، مدار داخلی چرخه روشن شدن را آغاز می کند.

 

زمان راه‌اندازی: زمان راه‌اندازی زمان بین لبه بالارونده سیگنال فعال و زمانی است که VOUT به 90 درصد مقدار اسمی خود می‌رسد. این تست معمولا با اعمال VIN انجام می شود و پین فعال از حالت خاموش به روشن تغییر می کند. در مواردی که فعال‌سازی به VIN متصل است، زمانی که VIN از حالت خاموش به روشن تغییر می‌کند، زمان راه‌اندازی می‌تواند به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یابد، زیرا تثبیت حلقه کنترل به زمان نیاز دارد. زمان راه اندازی یک رگولاتور باک برای برنامه هایی که رگولاتور اغلب روشن و خاموش می شود برای صرفه جویی در مصرف برق در سیستم های قابل حمل مهم است.

 

خاموشی حرارتی (TSD): اگر دمای محل اتصال از حد مشخص شده بالاتر رود، مدار خاموشی حرارتی رگولاتور را خاموش می کند. دمای شدید اتصال می تواند نتیجه عملکرد جریان بالا، خنک کننده ضعیف برد مدار یا دمای بالای محیط باشد. Hysteresis در مدار حفاظتی گنجانده شده است تا از بازگشت به عملکرد عادی تا زمانی که دمای روی تراشه به زیر حد از پیش تعیین شده افت نکند، جلوگیری می کند.

 

100% کارکرد چرخه وظیفه: با کاهش VIN یا افزایش ILOAD، رگولاتور باک به حدی می رسد که سوئیچ PFET در 100% مواقع روشن است و VOUT به زیر ولتاژ خروجی مورد نظر می رسد. در این حد، ADP2138 به آرامی به حالتی تغییر می کند که سوئیچ PFET در 100٪ مواقع روشن می ماند. هنگامی که شرایط ورودی تغییر می کند، دستگاه بلافاصله تنظیم PWM را بدون بیش از حد VOUT راه اندازی مجدد می کند.

سوئیچ تخلیه: در برخی از سیستم ها، اگر بار بسیار سبک باشد، خروجی یک رگولاتور باک می تواند برای مدتی پس از وارد شدن سیستم به حالت خواب بالا بماند. سپس، اگر سیستم توالی روشن شدن را قبل از تخلیه ولتاژ خروجی شروع کند، ممکن است سیستم قفل شود یا دستگاه ها آسیب ببینند. رگولاتور باک ADP2139 از یک مقاومت سوئیچ یکپارچه (معمولاً 100 Ω) برای تخلیه خروجی زمانی که پین فعال پایین می‌آید یا هنگامی که دستگاه وارد قفل ولتاژ کم یا خاموش شدن حرارتی می‌شود، استفاده می‌کند.

 

قفل کم ولتاژ: قفل کم ولتاژ (UVLO) تضمین می کند که ولتاژ تنها زمانی به بار می رسد که ولتاژ ورودی سیستم بالاتر از آستانه مشخص شده باشد. UVLO مهم است زیرا به دستگاه اجازه می دهد تنها زمانی روشن شود که ولتاژ ورودی به مقدار لازم برای عملکرد پایدار یا بالاتر باشد.

 

نتیجه

رگولاتورهای باک کم مصرف، طراحی مبدل dc به dc را ابهام می کنند. دستگاه های آنالوگ خانواده ای از رگولاتورهای باک بسیار یکپارچه را ارائه می دهد که ناهموار، استفاده آسان و مقرون به صرفه هستند - و برای دستیابی به راندمان عملیاتی بالا به حداقل اجزای خارجی نیاز دارند. طراحان سیستم می توانند از محاسبات طراحی ارائه شده در بخش برنامه های کاربردی برگه داده استفاده کنند یا از ابزار طراحی ADIsimPower™ استفاده کنند. راهنماهای انتخاب، برگه‌های داده و یادداشت‌های کاربردی برای تنظیم‌کننده‌های آنالوگ دستگاه‌های آنالوگ را می‌توانید در www.analog.com/en/power-management/products/index.html پیدا کنید. برای اطلاعات بیشتر، لطفاً با مهندسهای شرکت تسلا مدار بگیرید

 

ضمیمه

مبدل‌های 3 مگاهرتزی همزمان با سرعت پایین به DC بارهای 800 میلی آمپری را هدایت می‌کنند

مبدل‌های DC به DC ADP2138 و ADP2139 برای استفاده در گوشی‌های بی‌سیم، پخش‌کننده‌های رسانه شخصی، دوربین‌های دیجیتال و سایر دستگاه‌های قابل حمل بهینه شده‌اند. آنها می توانند در حالت مدولاسیون پهنای پالس اجباری (PWM) برای کمترین ریپل کار کنند، یا می توانند به طور خودکار بین حالت PWM و حالت صرفه جویی در مصرف جابجا شوند تا کارایی را در بارهای سبک به حداکثر برسانند. محدوده ورودی 2.3 ولت تا 5.5 ولت امکان استفاده از منابع برق استاندارد از جمله سلول های لیتیوم، قلیایی و NiMH و باتری ها را فراهم می کند. چندین گزینه ولتاژ خروجی ثابت از 0.8 ولت تا 3.3 ولت با قابلیت بارگذاری 800 میلی آمپر و دقت 2 درصد موجود است. یک سوئیچ برق داخلی و یکسو کننده سنکرون کارایی را بهبود می بخشد و تعداد اجزای خارجی را به حداقل می رساند. ADP2139 که در شکل A نشان داده شده است، یک سوئیچ تخلیه داخلی اضافه می کند. ADP2138 و ADP2139 که در بسته‌های فشرده 1 میلی‌متری × 1.5 میلی‌متری، 6 توپی WLCSP موجود است، از -40 درجه سانتی‌گراد تا +125 درجه سانتی‌گراد مشخص شده‌اند و قیمت آنها 0.90 دلار در 1000 ثانیه است.