Работа системы накачки заряда DC-DC преобразователя mcp1253 в режиме понижения напряжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.6:621.3.089.2

В. К. Битюков, В. А. Петров, А. А. Сотникова Работа системы накачки заряда DC-DC преобразователя MCP1253 в режиме понижения напряжения

Представлены результаты исследований пульсаций выходного напряжения и напряжения на летающем конденсаторе при работе микросхемы DC-DC преобразователя MCP1253 с накачкой заряда в режимах понижения напряжения с различными комбинациями входных и выходных напряжений (5,1 и 3,5 В, 5,1 и 4,8 В, 3,26 и 3,02 В, 2,59 и 2,18 В, 2,52 и 1,71 В, 2,17 и 1,71 В) при токах нагрузки в диапазоне 5...100 мА. На основе полученных результатов впервые показано, что алгоритмы работы системы накачки заряда микросхемы MCP1253 зависят от соотношений величин входного и выходного напряжений и изменения тока нагрузки.

Ключевые слова: микросхема, DC-DC преобразователь, накачка заряда, летающий конденсатор, удвоитель напряжения, алгоритм работы.

Введение

Интегральные регулируемые DC-DC преобразователи с накачкой заряда все более широко применяются в различных мобильных устройствах с батарейным электропитанием. Большинство производителей электронных компонентов предлагают микросхемы, предназначенные для построения повышающих, понижающих или полярно-инвертирующих преобразователей. И лишь небольшое число микросхем можно использовать для получения регулируемого стабилизированного напряжения как в режиме понижения, так и в режи-? ме повышения входного напряжения, напри™ мер микросхемы MAX1759 (Maxim Integrated ц Products), MCP1252/3 (Microchip Technology) и X LTC3245 (Linear Technology) [1-3]. «> В технических характеристиках MCP1253

< [2] указан возможный диапазон входного нам пряжения - 2,0.. .5,5 В. При этом преобразова-| тель позволяет получать выходное напряжение » в диапазоне 1,5.5,5 В. Это актуально в связи с § начавшимся переходом современной электро-

m

га ники на низкое напряжение 1,5 В. Однако при-

^ водимые в описании этой микросхемы, общем

g с описанием ее модификации MCP1252, основ-

^ ные технические характеристики не являются

s

■= полными и не охватывают все режимы ее при-

« менения. Например, зависимость выходного

напряжения от входного дана только для но-

Si минального значения выходного напряжения,

9 равного 3 В. Причем эта зависимость приве-

3 дена лишь для микросхемы MCP1252, имею-

z _

W (П

" © Битюков В. К., Петров В. А., Сотникова А. А., 2018

щей тактовую частоту осциллятора 650 кГц. Для микросхемыМСР1253 того же семейства, имеющей частоту осциллятора 1 МГц, данные отсутствуют. Кроме того, отсутствуют данные по зависимости выходного напряжения от тока нагрузки при различных режимах. Аналогичная ситуация имеет место и с другими характеристиками.

Отдельно необходимо коснуться описания алгоритма работы микросхемы. Из приведенного в руководстве [2] описания МСР1252/3 нельзя получить необходимые данные об алгоритмах работы микросхемы в различных режимах. В руководстве [2] представлен один из возможных алгоритмов работы, при этом не указано, к какому режиму он относится, а использованные в объяснении алгоритма ключи не показаны на функциональной блок-схеме. В инструкции [4] представлен только один алгоритм работы микросхемы при понижении напряжения, однако его реализация не подтверждена результатами измерений, а за описанием алгоритмов работы в других режимах дана отсылка к руководству [2], в котором эти вопросы не рассмотрены. В инструкции [4] дана схема работы системы накачки заряда (рис. 1).

Согласно приведенным в инструкциях [2, 4] описаниям, в режиме понижения напряжения ключ всегда замкнут, а ключ £Ж2 всегда разомкнут, и работа микросхемы, выступающей в качестве преобразователя и стабилизатора, в установившемся режиме состоит из трех фаз. Первая фаза - это фаза заряда летающего конденсатора Свъу, в течение кото-

Рис. 1. Схема работы системы накачки заряда [4]

рой замкнут ключ 5Ж3. Она длится половину периода цикла (Т/ 2) внутреннего осциллятора (Т/ 2) = 500 нс. В течение первой фазы летающий конденсатор подключен к входу Ум, благодаря чему он и заряжается. По ее окончании открываются все ключи, начинается вторая фаза - фаза покоя. Гистерезисный компаратор и2 сравнивает напряжение обратной связи с опорным, точнее, с напряжением, которое меньше опорного на величину гистерезисного напряжения. Если напряжение обратной связи при его понижении станет равным этому напряжению, преобразователь перейдет в третью фазу - фазу разряда летающего конденсатора на выходной конденсатор Соит и нагрузку Яь. Третья фаза реализуется путем размыкания ключа £Ж3 и замыкания ключа и может быть разной по продолжительности, вплоть до половины периода осциллятора. В этой фазе вновь происходит сравнение напряжения обратной связи с опорным, но, точнее, теперь уже с напряжением, равным опорному, плюс величина гистерезисного напряжения. Если до истечения времени, соответствующего половине периода осциллятора, напряжение обратной связи станет равным этому напряжению, система регулирования возвратится во вторую фазу. Если переноса заряда, осуществлявшегося в течение половины периода осциллятора, недостаточно до достижения верхнего порога регулирования, после сравнения микросхема переходит в первую фазу, т. е. в фазу заряда

летающего конденсатора в течение половины периода.

Однако из приведенной выше информации инструкций [2, 4] невозможно заключить, как будет работать система накачки заряда в режиме понижения напряжения при различных токах нагрузки, а также при близких значениях входного и выходного напряжения и входных напряжениях, намного больших выходных. В этом и заключалась основная цель настоящей работы, являющейся продолжением цикла исследований, первые результаты которых были представлены в работе [5]. Необходимо отметить, что для ее реализации потребовалось расширить методику исследований, использованную в работе [5] и описанную ранее в статьях [6-8]. Методика измерений и объект исследований Дополнительно к ранее проведенным с помощью осциллографа измерениям переменной составляющей регулируемого выходного напряжения иои~ и напряжения на летающем конденсаторе (напряжение между его

положительным полюсом и землей) в настоящей работе проведено измерение напряжения на отрицательном полюсе летающего конденсатора иу-. Эти измерения осуществлены при подключении к закрытому (Цу-) и открытому (UflyDC+ и UflyDC-) входам осциллографа, что позволило существенно упростить анализ получаемых результатов и расширить

X (U

ч

те 0-

о:

О

О.

£

ф ц

(Ч

о сч

возможности изучения алгоритмов работы микросхем DC-DC преобразователей с накачкой заряда.

В связи с тем, что по результатам предварительных измерений было обнаружено большое влияние величин и соотношений Uin и Uout, а также величин Iout на работу системы накачки заряда, были получены результаты для нескольких типовых режимов. Отметим, что при использовании входного модуля измерительного стенда, схематично показанного в статье [6], построенного на основе использования микросхемы LM317, которая является линейным стабилизатором напряжения, есть возможность получать только 8 дискретных значений напряжения в диапазоне 1,6.. .5,3 В. Эти значения были использованы в качестве входных напряжений исследуемого DC-DC преобразователя. Выходные напряжения DC-DC преобразователя регулировались с помощью цифрового потенциометра в цепи обратной связи исследуемой микросхемы MCP 1253. С его помощью можно получать 256 дискретных значений выходного напряжения в диапазоне 1,6.5,3 В с малым шагом. В качестве нагрузки в настоящей работе использован магазин сопротивлений, позволяющий регулировать ток нагрузки в любом режиме с малым шагом. Наибольшие ограничения в выборе режима исследований связаны с малым количеством возможных величин входного напря-

жения Uin. С учетом этого обстоятельства в настоящей статье в качестве входных напряжений выбраны значения, близкие к максимальному, среднему и минимальному значениям напряжения диапазона 2,0.5,5 В, установленного в руководстве [2]. Это же относится и к выходному напряжению Uout, для которого установлен [2] диапазон 1,5.5,5 В. Здесь дополнительно учитывалась необходимость изучения работы преобразователя как при большой, так и при малой разнице входного и выходного напряжений. Что касается величин токов нагрузки, то для каждого режима устанавливалось до десяти значений тока нагрузки из рабочего диапазона 10.100 мА.

Вполне вероятно, что за период производства микросхемыMCP1253 алгоритм работы системы накачки мог изменяться. В связи с этим отметим, что представленные ниже результаты получены для микросхемы, имеющей маркировку 1253^/7012109. Результаты экспериментов Режим Un = 5,1 В, Uout = 3,5 В. Главная особенность этого режима заключается в большой разнице величин входного и выходного напряжений. На рис. 2 представлены некоторые результаты измерения для сравнительно малых токов нагрузки. В левом его поле показаны нулевые уровни сигналов. Здесь и далее нечетные цифры соответствуют напряжениям на летающем конденсаторе, а четные - напряже-

<

I

to те

0 ü CÛ те

1

о.

ф

£

и ф

CÛ

сч ■clin 9 сч ■clin сч

(П (П

Рис. 2. Формы сигналов (10 мкс/дел) напряжений Щугс-(100 мВ/дел) и Пош- (20 мВ/дел) при и,„ = 5,1 В, Пш = 3,5 В и различных токах нагрузки: 1, 2 - 11 мА; 3, 4 - 19 мА; 5, 6 - 30 мА

нию на выходе. С увеличением тока нагрузки частота пульсаций выходного напряжения Uout~ увеличивается. Причем увеличение UflyDC- начинается одновременно с увеличением Uout~, а между их пиками напряжение UflyDC _ близко к нулю.

На рис. 3 для режимов, близких к представленным на рис. 2, показано изменение UflyDC+. Во всех трех случаях большую часть времени напряжение UflyDC+ составляет около 3,5 В, что близко к выходному напряжению Uout. В моменты, соответствующие крутому увеличению Uout~, появляются пики увеличения UflyDC+. Это означает, что при заряде летающего конденсатора к входному напряжению Vin одновременно подключаются как Cfly, так и Сот (см. рис. 1). Такое подключение может быть реализовано с помощью замыкания ключей SW1, SW3 и SW4.

По истечении времени, соответствующего половине периода тактовых импульсов осциллятора, наступает состояние покоя, при котором замкнутым остается только ключ SW1. Компаратор U2 сравнивает напряжение обратной связи с суммарным значением опорного напряжения VREF и напряжения гистерезиса. Если напряжение обратной связи достигло верхнего предела срабатывания системы регулирования, то ключи остаются в том же положении, а система регулирования теперь начинает сравнивать напряжение обратной связи с величиной,

равной разности ¥шр и напряжения гистерезиса. Если после первого переноса заряда напряжение обратной связи не достигло верхнего предела срабатывания системы регулирования, то за первым переносом заряда должен следовать второй.

На рис. 4 более детально отображена стадия однократного заряда и отключения летающего конденсатора, зарегистрированная в масштабе 1 мкс/дел. При заряде летающего конденсатора, происходящем в течение 0,5 мкс, одновременно увеличивается напряжение на выходе, а после отключения от входного напряжения летающего конденсатора напряжение По^ начинает медленно уменьшаться. Увеличение напряжения Пп - во время заряда не зависит от тока нагрузки и примерно равно 460 мВ.

Результаты измерений при больших токах нагрузки представлены на рис. 5. Как и при малых токах нагрузки, увеличение выходного напряжения начинается в момент начала заряда летающего конденсатора. С увеличением тока нагрузки осуществляется переход от одиночных импульсов накачки заряда сначала к чередованию одиночных и парных импульсов, а затем к парным импульсам. Увеличение напряжения ПуПС+ за время одного импульса составляло примерно 480 мВ, длительность каждого импульса накачки и промежуток времени между парными импульсами составили 0,5 мкс. Увеличение напряжения Пол~ при оди-

6*- Л Л Л f

2*-

Рис. 3. Формы сигналов (5 мкс/дел) напряжений ПауПС+ (1 В/дел) и Пои~ (20 мВ/дел) при и,„ = 5,1 В, Пы = 3,5 В и различных токах нагрузки: 1, 2 - 11 мА; 3, 4 - 19 мА; 5, 6 - 33 мА

га

m

х

(U

ч

га Q.

га

о

о.

£

ф ц

(Ч

Рис. 4. Формы сигналов (1 мкс/дел) напряжений ЦуПС-(100 мВ/дел) и иои~ (20 мВ/дел) при ип = 5,1 В, иоШ = 3,5 В токах нагрузки 11 мА, 19 мА и 30 мА в стадии заряда и отключения летающего конденсатора

о

CV

<

I

со те

г

2*-бк Л Л Л Л

/ V / v_

Рис. 5. Формы сигналов (2 мкс/дел) напряжений ЦуПС+ (1 В/дел) и (20 мВ/дел) при ит = 5,1 В, Ц,^= 3,5 В и различных токах нагрузки: 1, 2 - 83 мА; 3, 4 - 95 мА; 5, 6 - 110 мА

0 ^

0Q те

1

о.

ф

£

и ф

CÛ

сч ■clin

с?

сч ■clin сч

(П (П

ночных импульсах накачки составляло примерно 30 мВ, а при парных - 60 мВ. Из этого следует, что при больших токах нагрузки одного переноса заряда за полпериода цикла осциллятора для достижения верхнего предела срабатывания системы недостаточно. Здесь имеет место второй перенос заряда длительностью также в полпериода, что и приводит к увеличению верхнего предела срабатывания системы регулирования выходного напряжения.

Режим Uin = 5,1 В, Uout = 4,8 В. В этом режиме различие между входным и выходным напряжением невелико. Результаты измерений (рис. 6), как и следовало ожидать, отличаются

от предыдущего режима. Парные импульсы передачи заряда для этого режима наблюдались при всех токах нагрузки ниже 46 мА, при этом напряжение на выходе увеличивалось на 36 мВ. При токе 63 мА происходил переход от парных импульсов передачи заряда к тройным, а выходное напряжение за три последовательные передачи заряда увеличивалось на 44 мВ. При этом в каждом импульсе напряжение на летающем конденсаторе увеличивается от базового уровня, соответствующего величине выходного напряжения, примерно на 160.170 мВ, что лишь немного меньше разности Цп и Ц^. Согласно полученным результатам, можно за-

ключить, что при токах нагрузки 46 и 63 мА в этом режиме, как и в предыдущем (Uin = 5,1 В, Uout = 3,5 В), во время передачи заряда конденсаторы Cfly и COUT соединены параллельно и подключены к Cin и VN. Однако при токе 100 мА при трех последовательных импульсах передачи заряда система регулирования работала в другом режиме (см. рис. 6).

Необходимо отметить, что в данном случае после каждого переноса заряда в течение 500 нс летающий конденсатор отключался от выходного напряжения, что видно по большим провалам в UflyDC+. Такой режим наступал уже при токе 77 мА. На рис. 7 формы сигналов для такого режима показаны в большем масштабе

по времени (1 мкс/дел). Но здесь в отличие от рис. 6 показано напряжение ЦауГса не ЦауГС+. Видно, что в провалах ЦауГс - величина этого напряжения близка к нулю, что также служит подтверждением того, что при заряде летающий конденсатор отключался от выходного напряжения.

Из полученных результатов, показанных на рис. 7, следует, что после первого и второго разрядов летающий конденсатор подключен к ип параллельно (ключ 8Ж2 замкнут, остальные разомкнуты). При передаче заряда на нагрузку в данном случае летающий конденсатор включается последовательно с ип (замкнуты ключи 8Ж2 и SW4, остальные разомкнуты).

Рис. 6. Формы сигналов (2 мкс/дел) напряжений ПауГС+ (1 В/дел) и Пош- (20 мВ/дел) при Пт = 5,1 В, Паш = 4,8 В и различных токах нагрузки: 1, 2 - 46 мА; 3, 4 - 63 мА; 5, 6 - 100 мА

Рис. 7. Формы сигналов (1 мкс/дел) напряжений:

1 - Пугс- (1 В/дел); 2 - Паи- (20 мВ/дел) при Пт = 5,1 В, Пош = 4,8 В и токе нагрузки 77 мА

га

m

х

(U

ч

га Q.

га

о

о.

£

V

ц

(Ч

о сч

<

I

<0 те

0 ^

CÛ те

1

о.

ф

£

и ф

CÛ

сч ■clin

с?

сч ■clin сч

(П (П

Этот режим называется режимом удвоителя напряжения. Но даже такой режим при малой разнице входного и выходного напряжения преобразователя за короткий промежуток времени, равный половине тактовой частоты осциллятора (500 нс), не может обеспечить перенос необходимого заряда при большом токе нагрузки.

Для этого требуются три последовательных переноса заряда, обозначенные на рис. 7 как стадии 1, 3 и 5. Стадии 1, 3 и 5 - это стадии переноса заряда при работе в режиме удвоителя напряжения, когда входное напряжение соединяется последовательно с напряжением на летающем конденсаторе (ключи SW2 и SW4 замкнуты, ключи SW1 и SW3 разомкнуты). Стадии 2 и 4 - это стадии заряда летающего конденсатора. Каждая из стадий 1-4 по времени соответствует длительности половины периода осциллятора (500 нс).

Гистерезисный компаратор все время сравнивает опорное напряжение с верхним пределом работы системы регулирования в режиме удвоителя напряжения. По этой причине стадия 5, в которой осуществлялся перенос заряда, оказалась менее продолжительной, чем стадии 1 и 3. Для трех последовательных переносов заряда верхний предел срабатывания системы регулирования оказался выше обычного, что привело к росту величины размаха пульсаций выходного напряжения до 70 мВ. Подобные формы сигналов имеют место при токах нагрузки от 77 мА вплоть до предельных значений 100 мА.

Режим Uin = 3,26 В, U0ut = 3,02 В. Этот режим, как и предыдущий, относится к режимам с малой разностью значений входного и выходного напряжений, но в отличие от предыдущего в этом режиме абсолютные значения этих напряжений ниже. На рис. 8 показаны формы напряжений при малом токе, составляющем всего 9 мА. Можно видеть три различные стадии работы системы регулирования. После запуска начала измерений осциллографа по нисходящему фронту UflyDC _ это напряжение уменьшается до нуля, что свидетельствует об отключении CFLY от системы регулирования (все ключи разомкнуты). В таком состоянии летающий конденсатор находится до тех пор, пока Uout~ при уменьшении не достигнет нижнего предела срабатывания гистерезисного компаратора. Когда это происходит, летающий конденсатор переходит в стадию первого переноса заряда, подключаясь к входному напряжению последовательно для работы в режиме удвоителя напряжения даже при таких малых токах. Отметим, что показанный на рис. 8 заметный выброс Uout~ при этом подключении связан с работой ключей и не является типичным. Увеличение напряжения Uout~ при этом подключении составляет 45 мВ, и это является максимальной величиной при работе системы регулирования. Измерения с меньшей ценой деления по времени показали, что время переноса заряда составляет 500 нс (половина периода осциллятора).

Рис. 8. Формы сигналов (20 мкс/дел) напряжений:

1 - UflyDc- (1 В/дел); 2 - Пош~ (20 мВ/дел) при и,„ = 3,26 В, иош = 3,02 В и токе нагрузки 9 мА

Рис. 9. Формы сигналов (2 мкс/дел) напряжений:

1 - UflyDc- (1 В/дел); 2 - Vaut~ (20 мВ/дел) при U,„ = 3,26 В, Uout = 3,02 В и токе нагрузки 45 мА

За стадией первого переноса заряда следуют две другие с меньшими значениями увеличения напряжения Uout~. После ее завершения и отключения CFLY от нагрузки напряжение на летающем конденсаторе UflyDc - медленно уменьшается и в момент срабатывания системы регулирования по нижнему пределу гистерезисного компаратора составляет примерно 1,6 В. Это происходит через 38 мс с момента начала первой стадии разряда Cout. В этот момент летающий конденсатор имеет еще значительный заряд, напряжение на нем при подключении к входному напряжению составляет около 1,6 В и во время второго переноса заряда увеличивается примерно до 2,8 В. Во время второго переноса заряда выходной конденсатор Cout подключен к Cfly, последовательно подключенному к входному напряжению VIN. В этом случае выходное напряжение Uout ~ увеличивается на 35 мВ, т. е. на меньшую, чем при первом заряде, величину. Вторая стадия уменьшения UflyDC - длится примерно 14 мкс, а следующая за ней третья стадия уменьшения Uout~ длится еще меньше - примерно 10 мкс. После завершения третьего переноса заряда летающий конденсатор отключается от схемы (состояние покоя, все ключи разомкнуты).

С увеличением тока нагрузки характер работы системы регулирования изменяется. На рис. 9 показаны формы напряжений при токе нагрузки 45 мА. Видно, что показанная на рис. 8 трехстадийная схема работы системы сменилась на двухстадийную, в которой увели-

чение Uout ~ в 40 мВ чередуется с увеличением примерно в 34 мВ, а на UflyDC _ появляется слабо наклонное верхнее плато при напряжении примерно 2,3 В. Из-за меньшей цены деления по времени на рис. 9 хорошо видны детали пиков на UflyDC -, связанные с переносом заряда. В частности, видно, что при отключении летающего конденсатора для перехода в состояние покоя на ниспадающем фронте UflyDC - есть уступ, который хорошо воспроизводится.

При дальнейшем увеличении тока нагрузки слабо наклонное верхнее плато на UfiyDC - постепенно уменьшается и при токе 88 мА полностью исчезает (рис. 10). В каждом цикле подъем Uout~ составляет 40 мВ, он имеет место в ходе заряда CFLY, который длится 500 нс, т. е. в течение половины периода осциллятора. Сразу после истечения этого времени напряжение на выходе и на летающем конденсаторе начинает уменьшаться из-за перехода в обычное состояние покоя, когда все ключи разомкнуты.

Режим U„ = 2,52 В, Uout = 1,71 В. На рис. 11 представлены три комплекта форм UflyDC- и Uout~ при трех значениях тока нагрузки, охватывающих весь диапазон его преобразования. При изменениях тока нагрузки характер UflyDC- и Uout~ одинаков, изменяется лишь частота циклов перенос заряда - отключение летающего конденсатора. Начало увеличения совпадает по времени с началом заряда летающего конденсатора, а окончание увеличения Uout~ - с его отключением.

га

m

х

(U

ч

га Q.

га

о

о.

£

ф ц

(Ч

[О 231.663kHz

Рис. 10. Формы сигналов (2 мкс/дел) напряжений:

1 - UflyDc- (1 В/дел); 2 - Пош~ (20 мВ/дел) при и,„ = 3,26 В, иош = 3,02 В и токе нагрузки 88 мА

2* IL Ii

..........

iHL

I л jl л

i.\......

\М \Л N AI \i\

1 V \1 \! \1 J V ;\) \| V : i V ^ V V V

Рис. 11. Формы сигналов (5 мкс/дел) напряжений и)угс-(200 мВ/дел) и (20 мВ/дел) при Пп = 2,52 В, Поиг = 1,71 В и различных токах нагрузки: 1, 2 - 19 мА; 3, 4 - 46 мА; 5, 6 - 92 мА

те

^ В этом режиме характер изменения и^гс- и Поиц~ ® подобен наблюдаемому для режима Пы = 5,1 В, ¡55 = 3,5 В, в котором входное напряжение

я значительно превышало выходное. | Режим ип = 2,59 В, и^ = 2,18 В. На

о рис. 12 представлены некоторые результаты * почти для того же значения входного напря-¡Е жения, что и в предыдущем режиме, но при ш более близком к входному значению выходного напряжения. С увеличением тока нагрузки для 2 подъема выходного напряжения от нижнего до верхнего предела срабатывания системы регу-«3 лирования осуществляется переход от одного к трем последовательным импульсам накачки ^ заряда. При этом период пульсаций П0>ш~ оста-

ется постоянным и равным примерно 4,3 мкс, а различие между верхним и нижним уровнями AUout~ этих пульсаций изменяется немонотонно. Если при токе нагрузки 36 мА достаточно одного переноса заряда длительностью 500 нс и при этом AUout ~ = 20 мВ, то при токе нагрузки 68 мА необходимо уже два переноса заряда, при этом AUout~ = 30 мВ. При токе нагрузки 101 мА за три последовательных переноса заряда достигается AUout ~ = 22 мВ.

Из этих измерений следует, что в основу работы системы регулирования в данном режиме положены не пороги срабатывания ги-стерезисного компаратора, а время. В режим удвоителя напряжения даже при предельных

Рис. 12. Формы сигналов (2 мкс/дел) напряжений UflyDC -(500 мВ/дел) и Uout~ (10 мВ/дел) при Uin = 2,59 В, UoUt = 2,18 В и различных токах нагрузки: 1, 2 - 101 мА; 3, 4 - 68 мА; 5, 6 - 36 мА

токах нагрузки система регулирования не переходит.

Режим U„ = 2,17 В, Uout = 1,71 В. На

рис. 13 в качестве примера показаны формы для четырех пар напряжений UflyDC - и Uaut~ при различных токах нагрузки. Видно, что и для этого режима с увеличением тока нагрузки система регулирования выходного напряжения увеличивает число последовательных импульсов UflyDCПри этом, как правило, в каждой из последовательностей амплитуда первого импульса меньше, чем остальных. Амплитуда пульсаций Uout~ имеет величину около 20 мВ,

однако для различных токов нагрузки, а иногда и для одного тока нагрузки несколько отличается. Система регулирования, как и в предыдущем режиме, не переходит на работу в состояние удвоителя напряжения при больших токах нагрузки. Заключение

По итогам проведенных исследований преобразователя напряжения МСР1253 с накачкой заряда в режиме понижения напряжения установлено, что описанный в руководствах [2, 4] алгоритм работы микросхемы, состоящий из трех фаз, не отражает реального алгоритма ее

Рис. 13. Формы сигналов (2 мкс/дел) напряжений UflyDC-(200 мВ/дел) и Vaut~ (10 мВ/дел) при U,„ = 2,17 В, Uout = 1,71 В и различных токах нагрузки: 1, 2 - 19 мА; 3, 4 - 45 мА; 5, 6 - 68 мА; 7, 8 - 99 мА

га

m

х

(U

ч

га Q.

га

о

.

£ V

ц

(Ч

работы. Даже в случае, когда напряжение на входе намного больше напряжения на выходе, перенос заряда в течение половины длительности тактовых импульсов в отличие от описанного алгоритма осуществляется при одновременном подключении к входному напряжению летающего и выходного конденсаторов. При больших токах нагрузки одного переноса за цикл тактовых импульсов недостаточно, и система регулирования переходит к парным импульсам переноса заряда.

При высоких значениях входных и выходных напряжений и малой разнице их величин перенос заряда при малых токах нагрузки также осуществляется при одновременном подключении к входному напряжению летающего и выходного конденсаторов и реализации накачки с помощью парных и тройных импульсов. Однако при токах нагрузки более 60 мА система регулирования работает в режиме удвоителя напряжения, причем после двух или трех последовательных переносов заряда система не переходит в состояние покоя, когда все ключи разомкнуты, а летающий конденсатор остается подключенным к входному напряжению. Применение двухстадийного или трехстадийного переноса заряда в этом случае о приводит к увеличению амплитуды пульсаций т-" выходного напряжения.

^ При невысоких значениях входного и

выходного напряжений и малой разнице меж-£ ду ними = 3,26 В, VOUT = 3,02 В) система ^ регулирования работает в режиме удвоителя | напряжения начиная с малых токов нагрузки.

После трехстадийного переноса заряда в этом Ф случае система переходит в состояние покоя ш (все ключи разомкнуты). С увеличением тока х нагрузки система переходит к двухстадийному ^ режиму переноса заряда, в котором переход

г

в состояние покоя чередуется с состоянием,

| в котором летающий конденсатор остается

ь подключенным к входному напряжению. При о

со дальнейшем увеличении тока нагрузки система осуществляет регулирование только при использовании переноса заряда в режиме удвоителя напряжения и перехода в состояние покоя. 8 Необходимое количество переносимого заряда ю в этом случае достигается за счет существен-и ного увеличения частоты циклов переноса.

При малых значениях входного напряжения (VIN ~ 2,5 В) и больших относительных отличиях входного напряжения от выходного система регулирования работает в режиме, когда при переносе заряда летающий конденсатор подключен к входному напряжению, как и во всех случаях, при которых не используется режим удвоителя напряжения. Необходимое количество переноса заряда при различных токах нагрузки за цикл реализуется как за счет увеличения числа циклов переноса в единицу времени, так и за счет уменьшения времени нахождения системы в состоянии покоя в промежутке между циклами.

Представленные в статье результаты исследований получены в рамках выполнения государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации № 8.5577.2017/8.9 на выполнение проекта по теме «Исследование шумовых характеристик и пульсаций микросхем мобильных источников вторичного электропитания». Список литературы

1. Buck/Boost Regulating Charge Pump in yMAX, MAX1759. Datasheet 19-1600. Maxim Integrated Products, 2000. 10 p.

2. Low Noise, Positive-Regulated Charge Pump MCP1252/3. Datasheet DS2175A. Microchip Technology, 2002. 18 p.

3. Wide VN Range, Low Noise, 250 mA Buck-Bust Charge-Pump LTC3245. Datasheet 3245a. Linear Technology, 2013. Pp. 1-18.

4. Converting a 5.0 V Supply Rail to a Regulted 3.0 V. Microchip Technology Application Note AN1025 (DS01025A), 2006. Pp. 3, 4.

5. Битюков В. К., Петров В. А., Сотникова А. А. Работа DC-DC преобразователя MCP1253 с накачкой заряда в режиме понижения напряжения // Российский технологический журнал. 2017. Т. 5. № 4. С. 13-21.

6. Битюков В. К, Иванов А. А., Миронов А. В., Михневич Н. Г., Перфильев В. С., Петров В. А. Стенд для исследования характеристик микросхем источников вторичного электропитания с накачкой заряда // Российский технологический журнал. 2016. Т. 4. № 3. С. 37-52.

7. Битюков В. К., Иванов А. А., Миронов А. В., Михневич Н. Г., Перфильев В. С., Петров В. А. Исследование характеристик микросхем ис-

точников вторичного электропитания с накачкой заряда // Радиотехника. 2017. № 2. С.126-134.

8. БитюковВ. К., МироновА.В., МихневичН. Г, Петров В. А. Работа системы накачки заряда

DC-DC преобразователя MAX1759 в режиме повышения напряжения // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2017. № 1. С. 48-59.

Поступила 09.04.18

Битюков Владимир Ксенофонтович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической радиотехники и радиофизики Московского технологического университета (МИРЭА), г. Москва. Область научных интересов: физика и схемотехника устройств радиоэлектроники, методы и средства бесконтактного контроля их теплового состояния.

Петров Вадим Александрович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры теоретической радиотехники и радиофизики Московского технологического университета (МИРЭА), г. Москва. Область научных интересов: мобильные источники вторичного электропитания, автоматизация экспериментальных исследований, теплофизические и терморадиационные характеристики материалов.

Сотникова Анастасия Александровна - студент Института радиотехнических и телекоммуникационных систем

Московского технологического университета (МИРЭА), г. Москва.

Область научных интересов: мобильные источники вторичного электропитания.

| Эnектронмка. PaguoTexHUKa|

m

Charge pumping system operation in the buck mode of the MCP1253 DC-to-DC converter

The paper presents investigation results concerning output ripple voltage and flying capacitor voltage in the integrated circuit of the MCP1253 charge pump DC-to-DC converter operating in buck mode with various combinations of input and output voltage values (5.1 and 3.5 V, 5.1 and 4.8 V, 3.26 and 3.02 V, 2.59 and 2.18 V, 2.52 and 1.71 V, 2.17 and 1.71 V) when load currents vary of 5...100 mA. The results obtained allowed us to show for the first time that operation algorithms of the charge pumping system in the MCP1253 integrated circuit depend on the ratio of input to output voltage and variations in the load current.

Keywords: integrated circuit, DC-to-DC converter, charge pumping, flying capacitor, voltage doubler, operation algorithm.

Bityukov Vladimir Ksenofontovich - Doctor of Engineering Sciences, Professor, Head of Department of Theoretical Radio Engineering and Radiophysics, MIREA - Russian Technological University, Moscow.

Science research interests: physics and circuit design for radioelectronic devices, methods and means of non-contact thermal state monitoring for said devices.

Petrov Vadim Aleksandrovich - Doctor of Engineering Sciences, Professor, Professor, Department of Theoretical Radio Engineering and Radiophysics, MIREA - Russian Technological University, Moscow.

Science research interests: portable converter-based power supplies, automation of experimental investigations, thermophysical and thermal radiation properties of materials.

Sotnikova Anastasiya Aleksandrovna - student, Institute of Radioengineering and Telecommunication Systems,

MIREA - Russian Technological University, Moscow.

Science research interests: portable converter-based power supplies.