CC BY
50Быстрые РС/РС-конверторы Мыга1а обеспечивают плавные переходные процессы
при быстром изменении нагрузки
Такаши НОМА (Takashi NOMA) Перевод: Евгений КАРТАШЕВ
В аппаратуре, предназначенной для передачи данных, и в так называемых «интеллектуальных» бытовых приборах используется большое количество микросхем обработки данных, таких как цифровые сигнальные процессоры (DSP), программируемые вентильные матрицы (FPGA) и микропроцессоры. Особенностью этих микросхем является низковольтное напряжение питания (1,0—1,5 В) и высокий ток потребления, что требует от источника питания минимальной рассеиваемой мощности и, следовательно, высокой эффективности. При работе указанных интегральных схем ток потребления может мгновенно увеличиваться или уменьшаться в зависимости от выполняемой процессором задачи. В результате в выходном напряжении DC/DC-конвертора могут возникать пульсации, способные вызвать сбой в работе системы.
Применение распределенной топологии, или POL (Point Of Load), при которой источник питания включает несколько маломощных конверторов, каждый из которых расположен рядом с соответствующим потребителем, позволяет решить данную проблему. Кроме того, в этом случае несколько внешних конденсаторов подключаются параллельно выходу каждого конвертора, обеспечивая низкий выходной импеданс источника напряжения в широком диапазоне рабочих частот.
Для устойчивой работы в подобных режимах необходим высокоскоростной DC/DC-конвертор, обеспечивающий минимальное изменение выходного напряжения в условиях быстрых переходных процессов изменения нагрузки и способный поддерживать низкий выходной импеданс в диапазоне высоких частот. В компании Murata Manufacturing Co., Ltd. разработана схема детектирования и управления уровнем пульсаций, сегодня она имеет лучшие ха-
рактеристики переходных режимов при изменении нагрузки. На базе коммерческих технологий компания выпустила новую серию конверторов MPDRX с экстремальными переходными характеристиками, эти устройства способны обеспечивать требуемый уровень точности выходного напряжения даже при уменьшенных номиналах выходных конденсаторов.
На рис. 1 показаны наружные размеры конверторов MPDRX001S и MPDRX003S. Особенности и перспективы развития преобразователей серии MPDRX будут рассмотрены в следующем разделе.
Система
контроля пульсаций
Схема, позволяющая детектировать и регулировать уровень пульсаций, это модернизированный вариант разработанного компанией устройства, известного как «конвертор пульсаций» (ripple converter). В данном преобразователе режим автоколебаний достигается за счет создаваемого системой времени задержки. Особенностью существующей схемы являются некоторые доработки, способствующие улучшению динамических характеристик. Например, рабочая частота схемы зависит от наличия и величины керамического сглаживающего конденсатора, установленного на выходе устройства.
Принцип работы схемы контроля пульсаций показан на рис. 2. Традиционная схе-
ма с применением широтно-импульсного модулятора (ШИМ-модулятора) характеризуется большим временем задержки, поскольку разница между выходным и опорным напряжением вычисляется с помощью интегрирующей цепочки. В новой схеме контроля пульсаций время задержки реакции системы может быть очень малым, поскольку выходное напряжение непосредственно сравнивается с опорным. Уникальная технология Мига1а, позволяющая выделить переменную составляющую тока пульсаций и преобразовать ее в напряжение обратной связи, позволяет полностью решить проблему возникновения переходных процессов при быстрых изменениях нагрузки, свойственную стандартным схемам ЭСЮС-конверторов.
Представление серии МРРРХ
Конверторы серии МРБИХ предназначены для преобразования входного напряжения 5 В в напряжение в диапазоне 0,8-1,8 В при токе до 16 А. Конверторы МРБК80038 имеют входное напряжение 12 В и обеспечивают выходное напряжение в таком же диапазоне (0,8-1,8 В) при токе до 12 А. Данные модели выпускаются в корпусах, соответствующих промышленным стандартам, размером 33,0-13,5 мм. Основные характеристики преобразователей класса «конвертор пульсаций» показаны в таблице.
33,0±0,2
п
□
Вид сверху
LJLJ LJLJ LJLJ
ИГ
3 4 5 6 7 8 9 10
Вид снизу
1 2 »# и* 12 •
Номер Символ Функция Номер Символ Функция
1, 2 Vin Вход 7, 8 TRIM Регулировка выходного напряжения
3, 4 GND GND 9, 10 SENSE Датчик выходного напряжения
5, 6 Vout Выход 11, 12 ON/OFF Удаленное подключение
Рис. 1. Размеры MPDRX001S и MPDRX003S
1,85
MPDRX001S Д V = 38mV (Cout = 100[jF)
- Output current, A
- lo = OA—9A
: di/dt=2A/[jS
Conventional PWM products Д V = 168mV (Cout = 100(jF)
h—h
5A/div
1,82
1,80
1,78
1,76
1,74
10
5
0
100 Time, |js
(a) Comparison in external capacity of 100|j F
MPDRX001S /Д V = 38mV (Cout = 100pF)
200
: Outp 1 Volt >ut / aqe.V / :
: и _JJill :
: 20 mV/d iv :
: :
і Conv Д v = entio = 38m lalPW V (Co /М pr< jt = 1 jduCtS 3000|j F) J
: Ou tput с urrenl , A : :
: lo = 0A-9A di/dt=2A/pS : 5A/div ;
; :
250 Time, |js
500
1.
.Bfl
(b) When external capacity is increased so that AV is the same
Рис. 3. Сравнение флуктуаций напряжения при неожиданном изменении нагрузки при использовании МРОРХ001в и стандартной ШИМ-системы
Таблица. Основные характеристики «конвертора пульсаций»
Параметры MPDRX001S MPDRX003S
Размеры, мм 33x13,5x8
Вес, г 5 (типовой)
Входное напряжение, В 4,5~5,5 10,8~13,2
Диапазон выходных напряжений, В 0,8-1,8
Выходной ток, А 16 12
Статическая точность стабилизации напряжения, % ±2,5
Флуктуации напряжения | ±40 мВ 1 ±50мВ 1
при переходном режиме нагрузки Vo = 1,8 В, Io + 50%, Ta = 25 °C Cout = 100 мкФ, di/dt = 2 А/мкс
Пульсация выходного напряжения 15 MVpp (типовое) Vo=1,8 В, Io = max, BW = 20 МГц, Ta = 25 °C
Эффективность преобразования IV о о HL% А В, 88% Vo =1,8 В, Io = 12 А
Рабочий диапазон температур, °С от -40 до +85
Флуктуации
низковольтного напряжения
На рис. 3 представлено сравнение характеристик переходного процесса при резком изменении нагрузки. Они получены при использовании преобразователя MPDRX001S и стандартного DC/DC-конвертора. Показанные на рис. 3а флуктуации напряжения наблюдались при установке внешней сглаживающей емкости 100 мкФ. При работе MPDRX001S уровень амплитуды колебаний напряжения при резком изменении нагрузки оказывается в 4 раза меньше, чем при использовании обычного ШИМ-преобразова-теля. Это подтверждает, что вероятность сбоя системы при внезапном изменении то-
ка нагрузки явно снижается при использовании источника питания на основе конверторов MPDRX.
Эпюры, представленные на рис. 3б, показывают, что для достижения такого же результата при использовании стандартного ШИМ-устройства внешняя емкость Cout должна быть увеличена в 130 раз (Cout = 13 000 мкФ). В случае применения MPDRX001S время установления выходного напряжения конвертора практически следует за изменением нагрузки, поскольку постоянная времени отклика снижена более чем в 5 раз. За счет этого сама выходная емкость и место, которое она занимает на печатной плате, могут быть существенно уменьшены. Все это подтверждает очевидные преимуще-
