CC BY
55Дмитрий ВАСИЛЕНКО
DVasilenko@arroweurope.com
Импульсные модули питания
от National Semiconductor
Введение
При разработке современных цифровых электронных систем с применением сложных процессоров и FPGA инженеры зачастую откладывают решение проблемы питания на последний момент. Основные силы концентрируются на написании и отладке программ, создании интерфейсов и других задачах. В конце цикла разработки оказывается, что обеспечить качественное питание не так-то просто, возникают следующие проблемы:
• экранирование электромагнитных помех от импульсных источников;
• уменьшение энергопотребления системы;
• оптимизация места на плате совместно с проблемами отвода тепла.
Для облегчения решения таких задач производители стабилизаторов напряжения со-вешенствуют традицонные серии импульсных и линейных регуляторов, в последнее время появились модули питания с интегрированным импульсным ИП и индуктивным элементом. В январе 2010 г. National Semiconductor выпускает первые 3 микросхемы из серии таких модулей, о них и пойдет речь в данном обзоре.
Описание серии и технические характеристики
где Z — принадлежность к серии модулей питания, A — поколение модуля (в настоящий момент доступны модули только первого поколения), ВВ обозначает максимальное входное напряжение питания (05 соответствует 5 В, 20 — 20 В, 42 — 42 В), СС отвечает за максимальный выходной ток (03 соответствует 3 А, 04 — 4 А). Например, модуль с наименованием LMZ12003 имеет максимальное входное напряжение 20 В и максимальный выходной ток 4 А.
Модули питания разработаны с учетом требований по дальнейшему упрощению разработки локального регулирования питания и являются логическим продолжением попу-
лярной серии SimpleSwitcher. На рис. 2 представлена позиция выпускаемых модулей питания по отношению к уже существующим сериям стабилизаторов с интеграцией ключевого элемента (регуляторов) и с внешними ключами (контроллеров).
Схема включения и свойства корпуса Компоновка модулей питания серии LMZ позволяет значительно упростить разработку локальных стабилизаторов напряжения благодаря уже выбранному индуктивному элементу. Также облегчается и разводка платы, поскольку место установки индуктивности, а также колебательные точки оптимизи-
о-----
Входное
напряжение
111
Регулятор серии SimpleSwitcher
Выходное
напряжение
Рис. 1. Внутреннее устройство модуля питания серии LMZ
Выпускаемая линейка модулей
Модули питания серии LMZ от National Semiconductor представляют собой синхронный регулятор напряжения и индуктивный элемент, интегрированные в едином корпусе (рис. 1). В качестве базовых регуляторов напряжения производителем были выбраны хорошо зарекомендовавшие себя и доработанные микросхемы серии SimpleSwitcher.
National Semiconductor выпускает 3 модуля питания на следующие рабочие токи и напряжения:
• LMZ10504 — на входное напряжение до 5,5 В и рабочий ток до 4 А;
• LMZ12003 — на входное напряжение до 20 В и рабочий ток до 3 А;
• LMZ14203 — на входное напряжение до 42 В и рабочий ток до 3 А.
Более подробные характеристики модулей представлены в таблице 1.
Структура формирования наименования модуля питания серии LMZ имеет следующий вид:
LM Z A BB CC,
Таблица 1. Выпускаемая линейка модулей
Наимено- вание Диапазон входного напряжения, В Диапазон выходного напряженя, В Максимальный выходной ток, А Пиковый КПД, % Дополнительные функции
LMZ10504 2,95-5,5 0,8-5 4 96 Программирование последовательности включения, Soft-start
LMZ12003 4,5-20 0,8-6 3 92 Soft-start, прецизионное включение, совместимость с LMZ14203
LMZ14203 6-42 0,8-6 3 92 Soft-start, прецизионное включение, совместимость с LMZ12003
à і Выходной ток
12А ■
5 А Контроллеры SIMPLE SWITCHER (LM315x) Модули питания SIMPLE SWITCHER (LMZx)
Регуляторы SIMPLE SWITCHER (LM267x, LM2267x)
Простота применения Более высокая
Рис. 2. Позиция новых модулей питания по отношению к выпускаемым сериям стабилизаторов
рованы внутри микросхемы. Типовые схемы включения модулей максимально упрощены (рис. 3).
Частота переключения практически фиксирована для каждого из модулей, но присутствует и некоторая гибкость для обеспечения устойчивой работы стабилизаторов во всем диапазоне входных и выходных условий. Для модулей до 5 А возможно задать отличающуюся от рекомендованной ШИМ-частоту при помощи резистора Ron. Для модулей с напряжениями от 5 В возможно ввести компенсационную цепочку между выходом Vout и входом обратной связи FB. Это позволяет добавить еще по одному полюсу и нулю к внутренней компенсации (2 полюса, один нуль) и обеспечить максимальную стабильность работы. Заметим, что выбор всех навесных элементов в схемах включения модулей LMZ будет запрограммирован в online-среде расчетов WEBENCH (на сайте производителя).
Модули питания предлагаются в корпусах, «похожих» на ТО263-7 (рис. 4). Данные корпуса специально разработаны для серии
LMZ, и они обладают неоспоримыми преимуществами:
• упрощенное прототипирование благодаря обычному корпусу;
• улучшенный отвод тепла благодаря «земляной» пластине с обратной стороны корпуса;
• внутренний экран подавляет электромагнитные помехи от импульсного регулятора.
В большинстве случаев отвод тепла через «земляную шину» (Isolated Ground) достаточен для правильной работы стабилизатора, соответственно, обдув воздухом не требуется.
На рис. 5 представлены результаты сравнительных тестов модуля LMZ10504 и аналогичной микросхемы от другого производителя. Условия работы стабилизаторов:
• входное напряжение 5 В;
• выходное напряжение 1,8 В, ток 4 А.
По результатам тестов оказалось, что у LMZ10504 корпус нагревается меньше (42 °С против 46 °С у аналогичной микросхемы другого производителя), и отвод тепла от нее происходит более равномерно.
При разработке корпуса для новых модулей питания было уделено большое внимание снижению электромагнитных помех путем экранирования внутренних импульсных элементов. В результате модули отвечают самым жестким требованиям по электромагнитной совместимости, например, на рис. 6 представлены тесты рассматриваемых элементов, демонстрирующие соответствие спецификации EN55022. Тестирование производилось в центре сертификации TÜV Rheinland в Санта-Кларе.
Несмотря на простоту включения модулей, для достижения высоких показаний по электромагнитной совместимости и минимизации излучения помех необходимо уделить внимание разводке платы. Простые правила представлены в документации на стабилизаторы, производитель рекомендует следующее: минимизировать размеры петель импульсных токов, организовать единую земляную шину для всех контактов модуля, шины входного и выходного напряжения сделать максимально широкими,
Рис. 5. Сравнение модуля питания серии LMZ и аналогичной микросхемы от конкурентов
Рис. 6. Результаты тестов модулей питания на электромагнитную совместимость (жирная горизонтальная линия соответствует ограничению по стандарту EN55022):
а) LMZ10504, тест демо-платы;
б) LMZ12003 (входное напряжение 12 В, выходное напряжение 3,3 В, ток 3 А), стандартная схема включения;
в) LMZ14203 (входное напряжение 42 В, выходное напряжение 3,3 В, ток 3 А), стандартная схема включения
уменьшить длину обратной связи и организовать достаточный теплоотвод. Для каждого из стабилизаторов разработана демоверсия, которую можно использовать как пример разводки платы.
Сравнение с альтернативными решениями
Модули питания со встроенной индуктивностью предлагаются рядом других производителей. Наиболее распространенные решения — силовые модули, совместимые со стандартами POLA (например, серия PTH от Texas Instruments), а также высоко-интегрованные миниатюрные модули (например, наиболее распространенные — производстства Linear Technology). В чем отличия и преимущества применения этих микросборок? Проведем сравнение различных схем организации питания с условиями: номинальное входное напряжение 5 В, выходное напряжение 1,8 В, ток до 4 А. Воспользуемся следующими модулями: PTH05050W (Texas Instruments), LTM4604 (Linear Technology) и LMZ10504 (National Semiconductor).
Решение на основе PTH05050W является самым миниатюрным, его размер без уче-
та навесных элементов (двух конденсаторов и подстроечного резистора) составляет 22x19x10 мм. Корпус модуля соответствует стандарту POLA и имеет 6 штыревых выводов. Создать макет источника питания на основе такого модуля довольно просто, но в производстве, возможно, потребуется дополнительный процесс, отличный от SMD-монтажа. В документации на PTH05050W не специфицировано соответствие стандартам электромагнитной совместимости, и может возникнуть необходимость в дополнительном экранировании. Модуль питания PTH05050W демонстрирует высокие значения КПД (90%) при выбранных условиях, также разработчик может использовать возможности для согласования работы нескольких источников.
Модуль LTM4604 предлагается в корпусе LGA, который достаточно сложно макетировать; в производстве потребуется проверка монтажа. Размер модуля (без учета навесных элементов трех конденсаторов и подстро-ечного резистора) составляет 15x9x2,3 мм. Модуль LTM4604 также не соответствует стандартам электромагнитной совместимости (нет упоминания в документации), однако в линейке модулей Linear Technology есть модули с низким уровнем излучения помех.
КПД модуля при выбранных условиях составляет 85%.
Сравнение технических параметров решений представлено в таблице 2.
Из сравнения решений видно, что применение новых модулей National Semiconductor оправдано тогда, когда требуется обеспечить быстрое и удобное макетирование, электромагнитную совместимость простым способом, высокий КПД и простой теплоотвод. Также преимуществом модуля LMZ следует считать миниатюрный корпус.
Заключение
В статье рассмотрены первые модули питания серии LMZ от National Semiconductor, дан сравнительный анализ источника питания на основе одного из модулей и двух альтернативных вариантов. Показано, что новинки — LMZ10504, LMZ12003, LMZ14203 — обладают целым рядом уникальных особенностей, которые, несомненно, заинтересуют инженеров-разработчиков электронных приборов с высокими требованиями по ЭМС, минимуму занимаемого места, сложностями с телоотводом (особенно при отсутствии обдува).
Встроенная экранированная индуктивность, удобный выводной корпус (похожий на TO263-7), малые размеры решения, максимально быстрые сроки разработки ИП — основные преимущества применения модулей серии LMZ. Помимо этого, LMZ10504, LMZ12003 и LMZ14203 обеспечивают высокие уровни КПД и низкое излучение помех (соответствие стандарту EN55022). Эти свойства позволят применить новые модули в ряде медицинских, телекоммуникационных и измерительных электронных приборов, особенно если в устройствах необходимо быстро организовать питание процессоров или ПЛИС. ■
Таблица 2. Сравнение решений на основе различных модулей (номинальное входное напряжение 5 В, выходное напряжение 1,8 В, ток до 4 А)
LMZ10504 LTM4604 PTH05050W
Уровень макетирования Простое (благодаря выводному корпусу) Сложное (безвыводной корпус LGA) Простое (благодаря выводному корпусу), соответствует стандарту POLA — взаимозаменяемость с модулями других производителей
Тепловое сопротивление корпуса ^д), °С /Вт 20 25 Не специфицировано, возможно потребуется обдув
Соответствие стандарту электромагнитной совместимости ЕЫ55022 Да Нет (есть альтернативные варианты с низким излучением помех) Не гарантировано
КПД при 25 °С, % 90 85 90
Размер корпуса, мм 10x13x4,6 15x9x2,3 22x19x10
Необходимые навесные элементы 1 входной конденсатор, 1 выходной конденсатор, 2 подстроечных резистора 1 выходной конденсатор, 1 подстроечный резистор 1 выходной конденсатор, 1 подстроечный резистор
