CC BY
150Максим ДЕНИСОВ
mdenisov@pec.spb.ru
Введение
Современная электронная аппаратура, используемая в автомобилях, в профессиональной контрольно-измерительной технике и телекоммуникационном оборудовании, содержит большое количество сложных цифровых устройств, таких как программируемые логические микросхемы, модули памяти и микроконтроллеры, и поэтому предъявляет особые требования к ОС/БС-конверторам. Например, в системах сбора и накопления данных требуется, чтобы частота переключений БС/БС-преобразователя была максимально близка к тактовой частоте. Серия ц-модулей содержит схему фазовой автоподстройки собственной частоты коммутации с внешней тактовой частотой. Кроме того, многие системы требуют различные напряжения питания для работы внутрен-
Новое поколение DC/DC-преобразователей —
p-модули от компании Linear Technology
Последние достижения компании Linear Technology в совершенствовании регуляторов напряжения позволили создать новый тип DC/DC-преобразователей. Данная серия получила название р-модулей — преобразователей, особенностью которых является наличие ШИМ-контрол-лера, MOSFET-транзисторов, индуктивностей, входных и выходных проходных конденсаторов, а также схемы компенсации пульсаций выходного напряжения в едином корпусе площадью всего 2,25 см2. Корпус р-модулей — LGA (Land Grid Array) с матрицей контактных площадок, имеющий размеры 15x15x2,8 мм, позволяет с большей эффективностью отводить тепло и защищает внутренние элементы от воздействия неблагоприятных внешних факторов. Несмотря на свои размеры, р-модули работают в широком диапазоне входных напряжений (от 4,5 до 28 В) с возможностью понижения выходного напряжения вплоть до 0,6 В и работой с силой тока от 6 до 12 А.
них компонентов, таких как модули памяти, интерфейсы ввода/вывода, микропроцессоры и пр. В связи с этим важно, чтобы преобразователи напряжения имели схемы точной настройки стабилизации выходного напряжения.
Описание и принцип работы р-модуля 1.ТМ4600
1ЛМ4600 представляет собой синхронный переключающий БС/БС-преобразователь. Модуль дает возможность точной настройки выходного напряжения от 0,6 до 5,0 В посредством изменения номинала внешнего резистора. При этом выходное напряжение не должно превышать 80% от входного. Диапазон входных напряжений — от 4,5 до 20 В. В состав данных модулей входят ОС/БС-регулятор, МО8РЕТ-транзисторы со сверхнизкими величинами сопротивлений «исток-сток» и высокой частотой переключения, а также диоды Шоттки. Стандартная частота переключения составляет 850 МГц. Внутренняя схема обратной связи и компенсации обеспечивает достаточную стабильность при работе модуля в заявленном температурном диапазоне. В качестве выходных можно применять как танталовые, так и керамические конденсаторы, например, классов Х5И и Х7И.
В модуле реализована схема плавного старта. Подача напряжения ниже 0,8 В на вход
Ии№88 переводит схему в режим выключения, закрывая транзисторы Q1 и Q2. При увеличении напряжения происходит заряд внутреннего конденсатора (1000 пФ), благодаря чему обеспечивается время плавного запуска 0,7 мс.
В ЦГМ4600 реализована возможность защиты от повышенного напряжения. При превышении выходного напряжения более чем на 10% от заданного транзистор Q1 закрывается, а Q2 переходит в открытое состояние до снижения выходного напряжения. При изменении выходного напряжения на ±10% внутренняя схема сравнения подает сигнал на сервисный выход РОООБ.
В ц-модулях ІТМ4600 предусмотрена возможность работы с внешним регулятором. При отключенном или замкнутом на «землю» входе ЕХТУСС работу модуля контролирует внутренний линейный регулятор. При подаче напряжения свыше 4,7 В на входе ЕХТУСС внутренний регулятор отключается, схема переключает управление затвором на внешний регулятор. Данное решение позволило исключить потери мощности на регуляторе и снизить тепловую нагрузку на весь модуль в целом. Максимальное напряжение на входе ЕХТУСС должно быть ниже 6 В и не должно превышать входное напряжение Уіп. Важным моментом является то, что управляющее напряжение необходимо подавать после подачи входного напряжения Уіп.
Расчет и программирование выходного напряжения
Внутреннее опорное напряжение ШИМ-контроллера модуля LTM4600 составляет 0,6 В ±1%. Изменение значения выходного напряжения производится введением в схему между VOSEt и SGND (Small Signal Ground Pin) резистора RSET.
Питание ЦТМ4600 осуществляется от источника постоянного напряжения с низким сопротивлением постоянному току. Основные требования, предъявляемые к входным конденсаторам: возможность работы на высоких частотах, низкое эффективное последовательное сопротивление. Выбор сглаживающего входного конденсатора должен осуществляться исходя из его возможности работы с большими эффективными значениями токов. Для понижающего преобразователя производительность может быть рассчитана с помощью формулы:
О = Уо/У№
где О — производительность, УО — выходное напряжение, Ую — входное напряжение.
Эффективное значение тока на входном конденсаторе вычисляется по следующей формуле:
^СЩЯМБ) = 1О(МАХ)/п%х^°х(1-°),
где 1С1М(ЙМ5) — ток на входном конденсаторе, 1о(мах) — максимальный выходной ток, О — производительность, п% — расчетный КПД.
Параметры выходных конденсаторов с низким эффективным последовательным сопротивлением должны обеспечивать сглаживание пульсаций и искажений выходного напряжения ЦТМ4600. Типичная емкость танталовых, керамических выходных конденсаторов — 200 мкФ.
Тепловой режим 1.ТМ4600
Создание ц-модулей непосредственно связано с усовершенствованием типа корпуса ЬОА. Разработчики устройств с высокой степенью интеграции сталкиваются с определенными проблемами при расчете термической стойкости устройств. Все компоненты ц-мо-дуля заключены в единый пластиковый корпус, не имеют собственных выводов, и единственными точками крепления компонента к печатной плате являются контактные площадки корпуса. Рассмотрим некоторые варианты монтажа и показатели термической стойкости модуля.
Монтаж модуля
без внешнего радиатора
При работе в режиме преобразования из 12 в 3,3 Вс током нагрузки 10 А и в режиме преобразования из 24 в 3,3 Вс током нагрузки 10 А КПД составляет 91% и 87% соответственно. Рассеиваемая на печатной плате мощность в данных режимах — 3 и 4,25 Вт. На рис. 2, 3 приведены тепловые снимки модуля при работе на разных режимах работы. Видно, что в режиме 12-3,3 В при 10 А максимальная температура модуля составила 65,9 °С (рис. 2). При работе в режиме преобразования 24-3,3 В при 10 А температура составляет 85,7 °С (рис. 3). Максимальная температура, зарегистрированная в данном режиме (при измерении в непосредственной близости от МОЗБЕТ-транзистора) состави-
Таблица. Соответствия RSet и Vo
Rset, кОм - 66,5 49,9 43,2 31,G 22,1 13,7
<0, В G,6 1,2 1,5 1,8 2,5 3,3 5
Рис. 2. Тепловой снимок LTM46GG 12-3,3 В, 1G А
тгц
Avio
Рис. 3. Тепловой снимок LTM46GG 24-3,3 В, 1G А
ла 89,8 °С, средняя температура печатной платы — 75 °С. Таким образом, тепловое сопротивление составило 15,2 °С/Вт. В данном примере был рассмотрен наименее предпочтительный вариант монтажа — без внешнего радиатора и воздушного охлаждения.
Монтаж с использованием внешнего радиатора
На рис. 4 представлен термический снимок, сделанный при монтаже ц-модуля с использованием радиатора, установленного на корпусе модуля. В этом случае, при тех же режимах работы (12-3,3 В и 24-3,3 В), средняя температура печатной платы составила 54 °С и 73 °С соответственно. При применении радиатора теплоотвод более равномерный. Температура радиатора при таких условиях составила примерно 66 °С, а тепловое сопротивление — 21,5 °С/Вт. Максимальная заре-
___ ________
№ га іші тш шзгк
Рис. 4. Тепловой снимок LTM46GG 24-3,3 В, 1G А с радиатором
ВХОД LTM4601 выход 1
1 1 выход 2
LTC6902 1 -- LTM4601 LTM4601 LTM4601
выход 3
выход 4
Рис. 7. Блок-схема объединенного решения с использованием четырех ^-модулей и согласующего генератора 1106902
гистрированная температура модуля — 84 °С. Таким образом, температурная нагрузка на печатную плату при использовании радиатора гораздо меньше, и от модуля обеспечивается более эффективный отвод тепла. Общее тепловое сопротивление составляет 13,9 °С/Вт.
Монтаж с использованием металлической пластины
Данный тест термического сопротивления LTM4600 проведен с использованием в качестве радиатора металлической пластины размером 100x80 мм и термической прослойки типа Gap Pad (рис. 5, 6). Температура печатной платы составила 66 °С, а температура металлической пластины — 44 °С, тепловое сопротивление пластины — 7,5 °С/Вт. Максимально зарегистрированная температура ц-модуля— 76 °С. Общее тепловое сопротивление в данном случае составило 12 °С/Вт.
Технология и способы монтажа
В современном производстве материалы и технология монтажа, а также возможность контроля качества производства готового устройства являются для разработчика одними из основных факторов при выборе компонентов с высокой степенью интеграции. Важнейший момент при внедрении ц-модуля в проектируемую схему — это разработка шаблона. Электрическое и механическое со-
единение ц-модуля осуществляется с использованием паяльной пасты.
Качество паяльной пасты — один из важнейших параметров при производстве интегральных схем современных высокотехнологичных устройств. Производитель рекомендует к использованию паяльную пасту 8и63/РЬ37, Sn95/3,5Ag/0,5Cu.
Контроль качества пайки осуществляется с использованием рентгеновского излучения. Основная задача процесса контроля в данном случае — выявление пустот в местах пайки и замыканий между контактными площадками. При правильной пайке и точном соответствии контактных площадок на печатной плате и модуле дополнительная регулировка положения модуля на плате не требуется.
Возможность сопряжения и совместной работы р-модулей
В настоящее время разработчики часто сталкиваются с проблемой обеспечения достаточной мощностью отдельных элементов проектируемой схемы. Использование модулей серии ЦГМ4600 является наиболее предпочтительным вариантом в условиях ограниченного пространства на плате или приборе. Для увеличения выходной мощности ЭС/ЭС-источника возможно объединение до четырех ц-модулей с синхронизацией частоты. На рис. 7 показана схема использования четырех преобразователей с выходными напря-
Рис. 8. График зависимости КПД преобразователя от значения тока нагрузки
жениями 1,5 В при 12 А, 1,8 В при 12 А, 2,5 В при 12 А и 3,3 В с током 10 А соответственно. В качестве согласующего генератора используется разработка Linear Technology LTC6902 — многофазный генератор с расширенной частотной модуляцией. При данных условиях общая выходная мощность с учетом КПД (рис. 8) каждого из модулей составила 103 Вт при общих размерах решения 11x11 см.
Заключение
Компания Linear Technology разработала инновационное поколение DC/DC-преобразователей, характеризующееся высокой степенью интеграции. Это решение позволяет разработчикам уменьшить рабочую площадь на печатной плате, а реализованное устройство дает возможность обеспечить точным и стабильным питанием такие устройства, как цифровые сигнальные процессоры, программируемые вентильные матрицы и микропроцессоры. Небольшие размеры, контроль выходного напряжения на наличие пульсаций, возможность работы с токами до 14 А и широкий диапазон входных и выходных напряжений — вот основные преимущества новой линейки DC/DC-конвертеров, выгодно отличающих LTM4600 от других типов преобразователей. ■
