CC BY
58Джефф Фэйлин (Jeff Faun)
Ограничение пусковых токов
в линейных регуляторах
Большинство из разработанных ранее линейных стабилизаторов характеризуются высоким значением пускового тока, необходимого для заряда выходных конденсаторов и обеспечения нагрузочных характеристик. Его значение может быть рассчитано по формуле:
I
Inrush
COUT X VOUT/tRis
где — время нарастания выходного сигнала; Соит — выходная емкость регулятора. При отсутствии схемы контроля пускового тока (обычно называемой схемой плавного запуска) величина 11птиЛ ограничивается только предельным значением тока регулятора, которое, как правило, значительно превышает номинальное значение. Если входной источник питания имеет функцию
ограничения тока или длина соединительной цепи (и, соответственно, распределенная индуктивность) достаточно велика, напряжение на входе регулятора может опуститься ниже порога его отключения (например, уровень UVLO, Under Voltage LockOut). На рис. 1 показано, как подобная ситуация приводит к появлению ступенчатого падения выходного сигнала, продолжающегося до тех пор, пока повторный заряд входных емкостей не обеспечит перезапуск схемы.
В прежние годы описанная проблема была обычной для линейных стабилизаторов напряжения, она актуальна до сих пор в схемах с большим значением выходной емкости. Разработчики оборудования должны учитывать особенности работы регулятора с пусковыми токами, особенно если схема не имеет функции ограничения IInrush- Для решения
Время (200 мкс/дел.)
Рис. 1. Эпюры включения ненагруженного регулятора с уровнем защиты UVLO, равным 2,5 В
Схема контроля пускового тока
3,3 В
C1-L в 1,0 мкФ
EN-
U1
TPS73525DRB
IN OUT
NC NC
NC NR/FB
EN GND
PwPd
т
С2_ 2,2 мкО"
. СЗ
0,01 мкФ ^
R2
R1 100 Ом 31,6 кОм
.С6
'100мкФ
Рис. 2. Схема регулятора пускового тока с полевым транзистором на выходе TPS73525
этого вопроса может быть использовано дополнительное внешнее устройство. Простейшим способом является применение схемы с полевым (FET) транзистором и несколькими пассивными компонентами, регулирующей характеристики проводимости FET в зависимости от выходного напряжения преобразователя.
Пользователь может получить минимальный контроль стартового тока регулятора с быстрым запуском с помощью схемы Texas Instruments (TI) TPS734xx/5xx, обладающей высоким уровнем подавления пульсаций, низкими шумами и сверхнизким током потребления. На рис. 2 показано, как добавление FET-транзистора и нескольких пассивных компонентов к микросхеме TPS73525 обеспечивает более эффективное ограничение IInrush. Измерение тока IIN производится между входом регулятора и входным конденсатором, чтобы исключить влияние C1, также создающего перегрузку при включении.
Отметим, что, как показано на рис. 3, амплитуда и длительность начального пика тока существенно ниже, чем на графике, представленном на рис. 4, поскольку выходная емкость регулятора в этом случае всего 2,2 мкФ вместо 100 мкФ. Достаточно неожиданным является факт, что конденсатор С5 между затвором и стоком и резистор R1 задают время запуска схемы. В [1] подробно объясняется принцип работы устройства, обосновывается выбор типа полевого транзистора и номиналов элементов схемы.
В некоторых регуляторах контроль пускового тока обеспечивается схемой самого устройства. Например, линейные стабилизаторы, входящие в семейство TI TPS732xx/ 4xx/6xx, содержат встроенный зарядовый насос, необходимый для управления затворами n-канальных регулирующих транзисторов. При запуске насосу требуется некоторое ограниченное время (несколько сотен мкс) для заряда внутреннего сервоконденсатора, который, в свою очередь, заряжает емкость затвора n-FET транзистора. На рис. 5 показано выходное напряжение TPS73633 и его пусковой ток при значениях COUt 1 и 10 мкФ. Хотя максимальное значение Iout этого линейного регулятора составляет 800 мА, величина Ilmush не превышает 150 мА после короткого всплеска с амплитудой 300 мА даже при выходной емкости 10 мкФ.
Пользуясь приведенным выше соотношением для IInrush и сравнивая время нарас-
Время (200 мкс/дел.)
Время (100 мкс/дел.)
Рис. 3. График включения TРS73525 на емкость 100 мкФ без ограничения тока
Рис. S. График включения TРS73633 на емкость 1 и 10 мкФ
Время (500 мкс/дел.)
растающего опорного напряжения усилителя сигнала ошибки. Микросхема содержит встроенный источник стабильного тока (Iss), что позволяет линейно заряжать внешний конденсатор (С55) на входе «софт-старт», связанном с усилителем сигнала ошибки. Когда емкость заряжается до напряжения опорного источника VRef, усилитель рассогласования подключается к источнику опорного напряжения. Таким образом, изменяя величину конденсатора, пользователь имеет возможность определять время запуска tss с помощью простого выражения:
tss = Vref х Css/Iss*
Рис. 4. График включения TРS73525 на емкость 100 мкФ со схемой контроля пускового тока на базе FET-транзистора
тания выходного напряжения на рис. 4 и 5, можно увидеть, что существует обратная зависимость между ікке и пусковым током. Опираясь на этот факт, производители интегральных регуляторов в последние годы разрабатывали схемы с управляемым пользователем временем нарастания VOUт (режим «плавный запуск») не только для ограниче-
ния IInTUsh, но и для удовлетворения требований по tRise для цифровых сигнальных процессоров (DSP) и программируемых логических матриц (FPGA).
Простейший метод «плавного запуска», реализованный в семействе регуляторов TI TPS74x01, состоит в формировании после подачи сигнала разрешения плавно на-
На рис. 6 показано выходное напряжение и пусковой ток TPS74901 при двух значениях С55 и выходной емкости 10 мкФ. Подобный метод плавного пуска достаточно широко используется в тех случаях, когда нагрузка имеет в основном емкостной характер.
В случае резистивной нагрузки схема также работоспособна, однако время «софт-старта» при этом получается несколько больше расчетного. Микросхема экономичного двуполярного 350-мА линейного регулятора
EN (5 В/дел.)
1т (500 мА/дел.), Css = 560 пф
l!N (500 мА/дел.), Css = 2200 пФ
Время (500 мкс/дел.)
Время (20 мкс/дел.)
Рис. 6. Плавный пуск TРS74901 на емкость = 10 мкФ при ^ = 560 пФ Рис. 7. Включение TРS72015 при разных значениях нагрузки RL
TPS720xx способна работать как с емкостной, так и с активной нагрузкой. В ней используется новый способ контроля пускового тока, который ограничивается на уровне:
IInmsh_Limit = ^М+ОиГ*0,0455,
где 1К1 — начальный ток активной нагрузки. На рис. 7 показан запуск микросхемы TPS72015 при различных значениях нагрузочного сопротивления и величине выходной емкости 2,2 и 10 мкФ. Схема плавного запуска масштабирует пусковой ток пропорционально СоиТ таким образом, чтобы время пуска «виртуально» не зависело от значения емкости.
Заключение
Как правило, разработчики отдают предпочтение линейным регуляторам благодаря их дешевизне, простоте, отсутствию шумов и высокому уровню подавления пульсаций. К сожалению, инженеры очень редко обращают внимание на способность устройства ограничивать всплеск тока при включении. Такое упущение может в худшем случае привести к тому, что источник питания окажется неспособен обеспечить необходимый ток, и регулятор не запустится. Особенно остро эта проблема проявляется, если он имеет большую выходную емкость. В этом случае пользовате-
лю приходится использовать дополнительное внешнее устройство, обеспечивающее контроль пускового тока. В настоящее время имеется возможность выбрать линейный регулятор нового поколения, снабженный встроенной схемой «плавного пуска», ограничивающий всплеск тока при включении. Применение подобных микросхем позволяет полностью исключить рассмотренную в статье проблему. ■
Литература
1. Falin J. Monotonic, Inrush Current Limited Start-Up for Linear Regulators. Application Report slva 156.
2. www.ti.com/sc/device/partnumber
