CC BY
69Новые микросхемы фирмы Maxim-Dallas
для импульсных малогабаритных источников питания
Дмитрий ИОФФЕ
dsioffe@yandex.ru
В предлагаемой вниманию читателя статье представлен краткий обзор микросхем для построения импульсных малогабаритных источников питания, которые фирма Maxim-Dallas выпустила за последние два года.
Фирма Maxim Integrated Products была основана Джеком Гиффордом в 1983 году. В 2001 году она приобрела фирму Dallas Semiconductor. Ежегодно компания выпускает 200-300 новых микросхем, то есть примерно 5 новых ИС в неделю [1].
Одно из основных направлений деятельности компании — выпуск микросхем для источников питания электронной аппаратуры. Среди них важное место занимают импульсные преобразователи напряжения. Они широко применяются в самых массовых видах современной электронной техники, обеспечивая высокий КПД и, следовательно, экономию электрической энергии и длительную работу от автономных источников питания.
За последние два года фирма выпустила несколько десятков типов микросхем импульсных преобразователей напряжения. Основным направлением развития в этой области является обеспечение высокоэффективными источниками питания наиболее массовых изделий современной электроники: автомобильной электронной техники, коммуникационных устройств, портативной аппаратуры. Для них характерно постоянное и быстрое снижение размеров и стоимости, а также повышение эффективности и уменьшение собственного потребления для увеличения срока службы элементов питания.
Одна из самых больших групп новых микросхем импульсных преобразователей фир-
мы Maxim-Dallas — это устройства из уже известного и хорошо зарекомендовавшего себя семейства MAXPower. В нее входят преобразователи MAX5080, MAX5081, MAX5082, MAX5083 и MAX5090. Это высоковольтные понижающие обратноходовые преобразователи со встроенными силовыми ключами, с фиксированной частотой преобразования и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), предназначенные для применения в автомобильной и промышленной аппаратуре. Их особенности:
• Широкий диапазон входных напряжений — до 76 В. Это позволяет использовать микросхемы в разнообразных сетях постоянного напряжения, например, в автомобильных, для которых характерны частые изменения напряжения и присутствие высоковольтных импульсных помех.
• Рабочие частоты 125 или 250 кГц. Такие частоты позволяют обходиться пассивными компонентами небольших размеров из широкого ассортимента, предлагаемого различными производителями.
• Очень малое собственное потребление.
• Наличие внешней синхронизации для использования в схемах, чувствительных к шумам.
• Защита по току и температуре.
• Плавный старт.
• Для обеспечения высокого КПД при небольших нагрузках преобразователи автоматически переключаются в режим пропуска импульсов.
В таблице 1 представлены основные параметры новых микросхем семейства MAXPower [2, 3, 4].
Отметим, что микросхемы MAX5080 — MAX5082 имеют внешнюю частотную компенсацию. Это дает большую гибкость при разработке схем. В то же время устройство MAX5090 имеет встроенную компенсацию, что позволяет упростить схемы на его основе. При том, что MAX5090 может отдавать в нагрузку ток до двух ампер, его ток в режиме ожидания составляет всего 19 мкА.
Семейство микросхем MAXPower можно сравнить с семейством понижающих импульсных стабилизаторов Simple Switcher фирмы National Semiconductor. Оба семейства включают большое количество микросхем разных лет выпуска. Фирма National Semiconductor также недавно выпустила новое поколение микросхем: LM557x и LM2557x [5]. Они имеют параметры, сходные с параметрами устройств MAXPower: минимальное входное напряжение 6 В, максимальное входное напряжение 42 или 75 В, минимальное выходное напряжение 1,225 В, максимальный выходной ток 0,5, 1,5 или 3 А. Оба семейства имеют различия, которые могут повлиять на выбор разработчика в конкретной ситуации. К преимуществам микросхем MAXPower можно отнести:
• меньшее тепловое сопротивление корпуса TQFP (30 °С/Вт против 40 °С/Вт у корпуса TSSOP с тепловой площадкой в днище от NS) и большая термостойкость такого корпуса (это позволяет, например, микросхеме MAX5090 рассеивать мощность 2,67 Вт при температуре +70 °С);
• заметно меньшую площадь корпуса (25 мм2 против 42 мм2);
• несколько больший КПД и существенно более подробную спецификацию КПД для разных режимов (это упрощает разработку устройств, особо чувствительных к потреблению, таких как устройства с питанием от батарей).
Таблица 1. Основные параметры новых микросхем семейства MAXPower
Параметры MAX5080 MAX5081 MAX5082 MAX5083 MAX5090
Минимальное входное напряжение, В 4,5 7,5 4,5 7,5 6,5
Максимальное входное напряжение, В 40 40 40 40 76
Фиксированные выходные напряжения, В - - - - 3,3 и 5
Диапазон регулируемых выходных напряжений, В 1,23-32 1,23-32 1,23-32 1,23-32 1,265-11
Частота преобразования, кГц 250 250 250 250 127
Выходной ток, А 1 1 1,5 1,5 2
Площадь корпуса, мм2 25 25 25 25 25
Диапазон рабочих температур, °С -40...+125 -40...+125 -40...+125 -40...+ 125 -40...+ 125
Несомненным преимуществом преобразователей Simple Switcher, в свою очередь, является широкий диапазон рабочих частот — от 50 до 500 кГц или 1 МГц.
Другая большая группа новых импульсных преобразователей от фирмы MaximDallas — это устройства, способные работать на высокой частоте преобразования — до 2,2 МГц. К этой группе можно отнести MAX5072, MAX5073, MAX5088 и MAX5089 [6, 7, 8]. Высокая рабочая частота позволяет значительно уменьшить номиналы и, следовательно, габариты пассивных компонентов, используемых в схеме преобразователя. Сами микросхемы также имеют очень небольшие габариты (площадь корпуса 25 мм2, высота 0,8 мм). Все это в сочетании с высоким КПД позволяет создавать очень компактные и эффективные источники питания. Среди основных особенностей новых преобразователей можно отметить:
• Широкий диапазон регулирования рабочих частот: от 200 кГц до 2,2 МГц. Это позволяет, например, исключить помехи в рабочей полосе частот чувствительных к шуму тюнеров с амплитудной модуляцией или в полосе частот ADSL2+, или же уменьшить габариты источника.
• Встроенные силовые ключи дают возможность снизить габариты проектируемого устройства.
• Наличие внешней синхронизации.
• Плавный старт.
Микросхемы MAX5072 и MAX5073 содержат по два независимых ШИМ-преобразова-теля, каждый из которых может быть использован как в понижающей, так и в повышающей топологии. Основные параметры этих микросхем приведены в таблице 2.
Преобразователи в одной микросхеме работают в противофазе, что позволяет уменьшить размах пульсаций на входном конденсаторе, а также его габариты и стоимость. Кроме того, имеется выход тактовой частоты с фазовым сдвигом, которым можно синхронизировать второе такое устройство, чтобы избежать совпадения тактов работы всех четырех преобразователей по фазе. Для каждого преобразователя предусмотрены индивидуальные входы включения-выключения и выходы сигнала перехода в установившийся режим Power Good. Благодаря этому мож-
Таблица 3. Основные параметры преобразователей MAX5088 и MAX5089
Параметры MAX5088 MAX5089
Диапазон входных напряжений, В 4,5—5,5 или 5,5-23
Минимальное выходное напряжение, В 0,6
Максимальный выходной ток, А 2
Сопротивление встроенного силового ключа, мОм 150
Диапазон рабочих температур, °С -40...+ 125
но создавать источники питания со сложной последовательностью подачи напряжений в нагрузку.
У крупнейших конкурентов фирмы Maxim— фирм National Semiconductor и Texas Instruments — нет микросхем, похожих на MAX5072 и MAX5073 по совокупности функций и параметров.
Преобразователи MAX5088 и MAX5089 могут работать только как понижающие. Они содержат встроенные n-канальные силовые ключи, обеспечивающие ток нагрузки до 2 А. Микросхема MAX5088 — это несинхронный преобразователь, для выпрямления в нем используется внешний диод Шоттки с малым падением напряжения. MAX5089 — синхронный преобразователь, использующий для выпрямления внешний полевой транзистор нижнего плеча, что повышает КПД схемы. MAX5088 имеет выход тактовой частоты с фазовым сдвигом 180°, который может использоваться для синхронизации других импульсных преобразователей.
Основные параметры микросхем MAX5088 и MAX5089 приведены в таблице 3.
Следует отметить, что преобразователи MAX5072, MAX5073, MAX5088 и MAX5089 также можно использовать для питания автомобильной аппаратуры [9], хотя это несколько сложнее, чем для микросхем семейства MAXPower. Для надежной работы в бортовой сети автомобиля преобразователь должен выдерживать напряжение на входе не менее 40 В. Технологически такая способность обеспечивается за счет увеличения геометрических размеров, толщины переходов и длины каналов, которые приводят к увеличению задержек распространения. Эта технология изначально является более медленной и становится неэффективной также потому, что приводит к увеличению фронтов импульсов ключей, которые вызывают более высокие потери на переходных процессах. Имеющаяся в распоряжении проектировщиков фирмы Maxim передовая технология позволяет разрабатывать чрезвычайно быстродействующие преобразователи, работающие при средних уровнях напряжения (до 23 В) — как, в частности, рассматриваемые четыре микросхемы. Перенапряжения в автомобильной сети могут быть долговременными (сохраняющимися в течение интервалов времени, превышающих постоянную времени тепловых процессов в устройстве) и кратковременными. Для долговременных перенапряжений
типичным требованием является выдержать напряжение 24 В в течение двух минут. Предельно допустимое напряжение, которое эти микросхемы могут выдерживать в течение короткого времени, — 25 В. Таким образом, повредить MAX5072, MAX5073, MAX5088 и MAX5089 могут только кратковременные перенапряжения, которые можно подавить при помощи распространенных недорогих устройств, таких как варисторы или подавители переходных напряжений. На рис. 1 [9] приводится схема импульсного преобразователя для автомобильного источника питания, собранного на микросхеме MAX5073 с применением очень небольшого числа внешних компонентов. На входе этого преобразователя используется схема защиты от перенапряжений MAX6398 фирмы Maxim.
Следующая группа микросхем, которую мы рассмотрим — это малогабаритные мощные контроллеры понижающих импульсных стабилизаторов MAX5060, MAX5061 [10] и MAX5066 [11]. Области их применения — высокотехнологичная компьютерная техника и телекоммуникационные системы. Они рассчитаны на работу с внешними силовыми ключами, поэтому выполненные на них источники питания могут отдавать в нагрузку ток 25-30 А. Основные общие черты этих контроллеров:
• регулируемая частота переключения;
• управление по среднему току;
• точное ограничение тока;
• внешняя синхронизация;
• плавный старт.
Устройства MAX5060, MAX5061 могут подключаться параллельно для построения источников питания большой мощности. Кроме того, MAX5060 имеет следующие особенности: выход сигнала синхронизации для управления следующим DC/DC-преобразователем, работающим в противофазе, контрольный выход, напряжение на котором пропорционально току нагрузки, выход сигнала PowerGood, защита от повышенного напряжения и дифференциальный вход для подключения удаленного датчика напряжения на нагрузке.
Микросхема MAX5066 — это сдвоенный синхронный контроллер для построения источников питания с малым количеством внешних компонентов и большим выходным током. Его можно сконфигурировать для работы как с одним, так и с двумя выходами. При работе на один выход устройство может формировать выходной ток 50 А и более, два отдельных выхода позволяют получить токи до 25 А с каждого. Ключи разных выходов работают в противофазе, что позволяет снизить требования к входному конденсатору.
Основные параметры микросхем MAX5060, MAX5061 и MAX5066 приводятся в таблице 4.
Еще одно новое семейство микросхем — преобразователи MAX5094, совместимые по выводам с промышленным стандартом и широко распространенными микросхема-
Таблица 2. Основные параметры преобразователей MAX5072 и MAX5073
Параметры MAX5072 MAX5073
Диапазон входных напряжений понижающего преобразователя, В 4,5-5,5
Диапазон входных напряжений повышающего преобразователя, В 5,5-23
Минимальное выходное напряжение понижающего преобразователя, В 0,8
Максимальное выходное напряжение повышающего преобразователя, В 28
Максимальный ток первого выхода, А 2
Максимальный ток второго выхода, А 1
Точность выходного напряжения ±1%
Диапазон рабочих температур, °С -40...+125
Выход 2. 5В/1А
'О
470 пкф 1
пкф XX
.2к
10 к
-си-
10 мкГн/2А
£ В240 22 мкФ Керамика
30,1 к
5,73 к
ввш
0,01 мкФ/100 В 0,47 мкФ/100 В
Керамика п Керамика РОР3682
0,1 мкФ
Выход ^ тактовой частоты_____
22 мкФ/25В Керамика
т
|\сиам пКа п ілсиаіу
Увлт Р Т Ч Т 7,5 В-28 В ф В2100ф (80 В выбросы)
ОК1р
СЖР
22 пкф-, 2 Нф
иг
ш оит щ
2 энры оате| 7
3 | ЭЕТ ОМр| 8
П15К
—^ г...
►РС0002
1281 1271 1261 1251 24 1231 22
---. БОиКСЬ? рсмо БСМП Зои КСЬ РОООО,----
^уськоит РЄООРіі 21
■Т]вет2Апо2 вБт^УрщРго
■~3~|рРАШг -~4~|рКА1Мг ■Т]ем2
■ ~6~| РВ2
"Т]сОМР2 _
БУГІС N.0. ОЭС У+ VI. VI. ВУРАвв
МАХ5073
ен2|17
ЕР ^ РВ2 16
БвЫР |---
СОМР2| 15 ----------------- ... ВУРАЕ
гуі Г9І По] [ТП [Ї2І [ІЗ] ГТ4]
Системный такт Г
21В
100 мкФ /35В _1_ А1_
РЄМР ,
6,04 к
10 к
-СП-
4,7 мкГн/ЗА
В340
*
22 мкФ/25В Керамика 30,1 к
-.оы —X X ОРР -
1,2 нф
22 пкФ
т
10 к
■=■ Х7
ее©
0,1 мкФ
X
22 мкФ Керамика
Выход 1 З.ЗВ/2А
470 пкф
ЇЧІ V I
1,2 к
9,65 к
Частота переключений 2 МГц (каждый преобразователь) Каждый корпус может рассеивать 2,7 Вт (многослойная плата)
МАХ6398
Рис. 1. Автомобильный источник питания с защитой от перенапряжений на микросхеме МАХ5073
ми иСС28С43 (МАХ5094А) и иСС28С45 (МАХ5094В). По сравнению со своими предшественниками они имеют меньший пусковой ток, меньший допуск на разброс частоты генератора и большую точность токового датчика, что позволяет просто обновлять существующие источники питания с целью улучшения их параметров при минимальной замене компонентов. Частота коммутации ИС имеет внешнее программирование в пределах от 20 кГц до 1 МГц. При этом обеспечивается точность подстройки частоты не хуже ±7%, а установки порогового значения минимального тока, напряжений пуска и выключения — не хуже ±5%. Разрядный ток время-задающего конденсатора может задаваться в пределах ±5%. Все это позволяет осуществ-
лять точное программирование максимально возможной скважности, значения которой равны 1 и 0,5 для МАХ5094А и МАХ5094В соответственно.
Малая величина задержки (60 нс) величины порогового тока от периода к периоду обеспечивает быструю реакцию схемы при КЗ выхода. Типовое значение стартового тока 35 мА позволяет использовать пусковой резистор большого номинала, что снижает рассеиваемую на нем мощность и его размеры. Выход драйвера затвора ИС обеспечивает выходной ток величиной 2 А и ток потребления 1 А.
МАХ5094 работает в диапазоне рабочих температур от -40 до +125 °С и поставляется в 8-выводных корпусах 80 или тсгоМАХ [12].
Выпускаются также версии этих микросхем под именем МАХ5095. Микросхемы МАХ5095А и В отличаются наличием двунаправленной синхронизации, которая позволяет нескольким контроллерам работать на одной частоте для предотвращения биения частот. Синхронизация осуществляется простым соединением выводов синхронизации всех устройств. Кроме того, эти контроллеры могут синхронизироваться и внешним сигналом. Устройство МАХ5095С имеет дополнительный выход для управления синхронным выпрямителем [13].
И завершить обзор можно совсем новым устройством — понижающим преобразователем МАХ8640, о выпуске которого было объявлено в январе 2007 года. В пресс-релизе говорится, что это самый маленький импульсный преобразователь, позволяющий получить ток 500 мА. Микросхемы выпускаются в корпусе 8С-70 площадью 4,2 мм2 и |^DFN (1,5 мм2). Кроме того, эти преобразователи работают на частоте 2 МГц (MAX8640Y) или 4 МГц (МАХ86402), что позволяет использовать внешние компоненты очень малого размера: конденсатор 4,7 мкФ и индуктивность 2,2 мкГн или 2,2 мкФ и 1 мкГн соответственно. Пульсации выходного напряжения при этом получаются очень небольшими.
Внутреннее синхронное выпрямление устраняет необходимость использования внешнего диода Шоттки и значительно улучшает КПД источника питания. Другие особенности этих устройств:
• Плавный старт.
• Собственный ток потребления 24 мкА.
• Высокое быстродействие как по входу, так и по нагрузке.
• Набор фиксированных выходных напряжений в диапазоне от 0,8 до 2,5 В позволяет не использовать внешние задающие компоненты.
Таблица 4. Основные параметры микросхем МАХ5060, МАХ5061 и МАХ5066
Параметры МАХ5060 МАХ5061 МАХ5066
Диапазон входных напряжений, В 4,75-5,5 или 7—28 4,75—5,5 или 5—28
Диапазон выходных напряжений, В 0,6-5,5 0,61—5,5
Максимальный выходной ток, А 30 25
Частота преобразования, МГц 0,125—0,5 0,2—2,0
Диапазон рабочих температур, °С —40...+125 —40...+ 125
Тип корпуса 28TQFN (5060) ІбТББОР (5061) 28Т8БОР
Вход L1 Выход 1мкГнили 0,8—2,5 В 2,2мкГн ДобООмА
2,7-4,9 В IN LX MAX8640Y
С1 _ 2,2 мкФ - ON/OFF
MAX8640Z SHDN С2 = 2,2 мкФ -
или 4,7 мкФ
Рис. 2. Типовая схема включения преобразователей MAX8640
• Начальная точность ±1%.
На рис. 2 показана типовая схема включения преобразователей MAX8640. Для нее требуется всего три внешних компонента. ■
Литература
1. Келл Г. Maxim Integrated Products: портрет компании // Новости электроники. 2005. № 2.
2. MAX5080/MAX5081 1A, 40 V, MAXPower Step-Down DC-DC Converters. Rev 1; 2/07. Материал с сайта фирмы Maxim-Dallas ht tp://w ww.maxim-ic.c om
3. MAX5082/MAX5083 1.5A, 40V, MAXPower Step-Down DC-DC Converters. Rev 0; 5/05. Материал с сайта фирмы Maxim-Dallas
ht tp://w ww.maxim-ic.c om
4. MAX5090A/B/C 2A, 76V, High-Efficiency MAX-Power Step-Down DC-DC Converters. Rev 0; 3/06. Материал с сайта фирмы Maxim-Dallas
ht tp://w ww.maxim-ic.c om
5. LM557x and LM2557x SIMPLE SWITCHER Regu-lators NEW! ht tp://ww w.na-tional.com/appinfo/ power/switcher.ht ml
6. MAX5072 2.2MHz, Dual-Output Buck or Boost Converter with POR and Power-Fail Output. Rev 2; 2/06. Материал с сайта фирмы Maxim-Dallas ht tp://w ww.maxim-ic.c om
7. MAX5073 2.2MHz, Dual-Output Buck or Boost Converter with Internal Power MOSFETs. Rev 2; 2/06. Материал с сайта фирмы Maxim-Dallas ht tp://w ww.maxim-ic.c om
8. MAX5088/MAX5089 2.2MHz, 2A Buck Converters with an Integrated High-Side Switch. Rev 1; 5/06. Материал с сайта фирмы Maxim-Dallas
ht tp://w ww.maxim-ic.c om
9. Кэлдж Н., Дайджерт Г. Высокочастотные источники питания для автомобилей // ChipNews. 2007. № 1. Исходный вариант статьи на англ. языке находится по адресу ht tp:/ /powerelectronics.c om/ passive_components_pack-aging_interconnects/ circuit_protection_devices/609PET20.pdf
10. MAX5060/MAX5061 0.6V to 5.5V Output, Paral-lelable, Average-CurrentMode DC-DC Controllers. Rev 2; 7/05. Материал с сайта фирмы MaximDallas ht tp://w ww.maxim-ic.c om
11. MAX5066 Configurable, Single-/Dual-Output, Synchronous Buck Controller for High-Current Applications. Rev 1; 8/05. Материал с сайта фирмы MaximDallas ht tp://w ww.maxim-ic.c om
12. ШИМ контроллер от Maxim Integrated Products обновляет существующие стандарты. Материал с сайта Терра Электроника
ht tp://w ww.terraelectronica.r u
13. MAX5094A/B/C/D/MAX5095A/B/C High-Perfor-mance, Single-Ended, Current-Mode PWM Con-trollers. Rev 3; 10/06. Материал с сайта фирмы Maxim-Dallas ht tp://w ww.maxim-ic.c om
