CC BY
218Компоненты и технологии, № 2'2005 Компоненты
Современные микропотребляющие ОС/ОС-преобразователи с накачкой заряда
для приборов с батарейным питанием
В отличие от DC/DC-преобразователей, использующих индуктивности для накопления энергии в магнитном поле, преобразователи charge pump (с накачкой заряда) используют переключаемые конденсаторы для переноса и накопления энергии. Во время своего появления на рынке электронных компонентов около десяти лет тому назад преобразователи с накачкой заряда сильно уступали индуктивным по широте своих возможностей и могли предоставить лишь малые токи и нестабилизированные выходные напряжения, кратные входным (обычно с кратностью 2, 3 или -1). В последующие годы интерес к преобразователям с накачкой заряда непрерывно возрастал из-за простоты их использования, дешевизны и высокого КПД.
Дмитрий Яблоков
dmitri.yablokov@mail.ru
Функциональная схема простейшего удвоителя напряжения с накачкой заряда представлена на рис. 1, а временная диаграмма, поясняющая его работу, — на рис. 2.
В фазе 1 ключи 82, 83 замкнуты, а 81, 84 — разомкнуты: происходит зарядка конденсатора Ср до напряжения источника Ую; в это время нагрузка расходует энергию конденсатора Соит. В фазе 2 состояния ключей меняются на противоположные: 82, 83 разомкнуты, а 81, 84 замкнуты: конденсатор Соит подзаряжается до напряжения, равного сумме напря-
Рис. 1
CLK
'OUT
Рис. 2
жения источника и CF. Таким образом напряжение на нагрузке колеблется в небольших пределах вокруг 2xVin, с частотой коммутации ключей.
Исторически самым известным устройством, интегрирующим сразу 2 преобразователя с накачкой заряда, был драйвер интерфейса RS232 фирмы Maxim MAX202. Первый преобразователь микросхемы удваивал напряжение питания +5 В, а второй инвертировал полученное напряжение +10 В в -10 В. И, хотя параметры этих преобразователей были невысоки: выходной ток — единицы миллиампер, а для работы необходимы 5 электролитических конденсаторов по 10 мкФ, — компактное интегральное решение MAX202 было экономически более выгодно, чем 3 отдельные микросхемы: драйвер RS232 и 2 индуктивных DC/DC-преобразователя.
В настоящее время в связи с миниатюризацией электронных компонентов и бурным развитием рынка портативных устройств с батарейным питанием все более привлекательными становятся именно преобразователи с накачкой заряда. Усилия разработчиков преобразователей, направленные на устранение главных недостатков: малой нагрузочной способности, повышенных пульсаций и отсутствия стабилизации выходного напряжения, привели к созданию ряда весьма удачных микросхем с накачкой заряда.
Проблема малой нагрузочной способности была решена с развитием технологий производства компонентов. С появлением керамических конденсаторов с низким внутренним сопротивлением и емкостью до сотни микрофарад появилась возможность переносить большие заряды на высоких частотах. Затем развитие кремниевых технологий позволило интегральным КМОП-ключам коммутировать токи в единицы ампер при низком управляющем напряжении. Благодаря этому современные преобразователи с накачкой заряда работают начиная от напряжения одного элемента (0,9—1,5 В) и обеспечивают
Компоненты и технологии, № 2'2005
3,4
3,35
3,3
3,25
3,2
(А)
0 2 4 6 8 10 12 14 16
t/jis
3,4
3,35
I 3,3 о
> 3,25 3,2
Рис. 4
(А)
2 4 6 8 10 12 14 16
t/ns
ток нагрузки до 300 мА, используя керамические конденсаторы емкостью 1-4,7 мкФ, переключаемые с частотой до 1 МГц.
Следующая проблема повышенных пульсаций решилась внедрением двухтактной (push-pull) схемы удвоителя напряжения (рис. 3).
Эта схема объединяет два преобразователя с накачкой заряда, работающих параллельно, но в противофазе. Пока конденсатор CF1 заряжается от источника напряжения VIN, конденсатор CF2 передает часть заряда выходному конденсатору COUT; в следующем полупериоде заряжается CF2, а разряжается CF1. Таким образом происходит непрерывная передача
энергии в нагрузку. Осциллограммы на рис. 4 иллюстрируют снижение пульсаций выходного напряжения в двухтактной схеме (В) по сравнению с однотактной схемой (А), показанной на рис. 1.
Последняя и наиболее трудная задача стабилизации выходного напряжения решается сегодня тремя способами: изменением схемы коммутации, преобразованием с пропуском импульсов и преобразованием с постоянной частотой.
Внедрению стабилизации методом изменения схемы коммутации способствовала разработка схемы умножителя напряжения с нецелым коэффициентом кратности преобразования (1,5). Развитие кремниевой технологии позволило совместить на одном кристалле умножители х1,5, х2 и х3. Стабилизация производится изменением в процессе работы, «на лету», коэффициента передачи умножителя в зависимости от изменения входного напряжения и тока нагрузки. Функциональная схема умножителя напряжения с накачкой заряда с коэффициентом преобразования 1,5 представлена на рис. 5.
Работает схема следующим образом: в фазе 1 замкнуты только ключи 83, 84, 85: при этом происходит зарядка последовательно соединенных конденсаторов Ср1 и Си до напряжения источника Уш. Так как Ср1 и Ср2 имеют одинаковую емкость, то каждый из них оказывается заряженным до напряжения Ую/2. В фазе 2 ключи 83, 84, 85 размыкаются, и замыкаются ключи 81, 82, 86, 87. Конденсаторы Ср1 и СР2 оказываются включенными в параллель друг с другом и последовательно с источником Ую. При этом к нагрузке оказывается приложенным напряжение 1,5хУ1№
Способ стабилизации с пропуском импульсов основан на удержании выходного напряжения в заданных пределах при помощи накачки заряда с регулируемой частотой, изменяющейся в зависимости от тока нагрузки (рис. 6).
Пока выходное напряжение У0ит остается меньше нижней границы заданного диапазона, преобразователь, использующий способ стабилизации с пропуском импульсов, работает в обычном ключевом режиме с фиксированной частотой. Но как только выходное напряжение превысит верхнюю границу, преобразователь переходит в ждущий режим и остается в этом режиме до следующего снижения выходного напряжения меньше нижней границы. График I на рис. 6 показывает моменты дискретной передачи энергии выходному конденсатору С0ит при снижении напряжения. Способ стабилизации с пропуском импульсов стабилизации обеспечивает максимальный КПД преобразования благодаря ключевому режиму работы и чередованию активного и ждущего режимов.
Однако наиболее высокое качество стабилизации обеспечивает преобразование с постоянной частотой за счет аналогового способа регулирования тока заряда, передаваемого выходному конденсатору СОИТ (рис. 7).
Ток регулируется изменением напряжения на затворах ключей, коммутирующих конденсатор Ср. КПД преобразования оказывается в этом случае не так высок из-за перехода в аналоговый линейный режим стабилизации.
Существует большое число приложений, в которых качество стабилизации напряжения ±5... 10% считается вполне приемлемым, при исключительно жестких требованиях к по-
Компоненты и технологии, № 2'2005
Таблица 1. Особенности основных способов стабилизации напряжения в преобразователях с накачкой заряда
Способ стабилизации Достоинства Недостатки
Изменение схемы коммутации Очень широкий диапазон входных напряжений Дискретность коэффициента передачи
Пропуск импульсов Максимальный КПД Изменяющаяся частота пульсаций
Преобразование с постоянной частотой Минимальные пульсации выходного напряжения Снижение КПД
Таблица 2. Семейство низковольтных стабилизированных преобразователей напряжения с накачкой заряда серии TPS
треблению, КПД и габаритам стабилизатора. К таким приложениям относятся устройства с батарейным питанием типа индивидуальных носимых медицинских датчиков, портативных измерительных приборов, игрушек, автономных датчиков охранно-пожарной сигнализации и т. п. Именно в этих устройствах использование преобразователей с накачкой заряда оказывается практически безальтернативным.
Одной из наиболее интересных практических реализаций преобразователей с накачкой заряда являются микросхемы серии TPS603xx производства Texas Instruments (табл. 2). Они предназначены для питания от одного элемента напряжением 0,9-1,8 В миниатюрных устройств, потребляющих ток до 20 мА при напряжении 3,0-3,3 В. Фиксированное напряжение стабилизации микросхем TPS603x0 и TPS603x2 равно 3,3 В, а TPS603x1 и TPS603x3 — 3,0 В. Уникальной особенностью этих микросхем является высокий КПД и исключительно низкий собственный ток потребления, имеющий типовое значение 2 мкА при токе нагрузки до 2 мА. Микросхемы выпускаются в корпусе 8VSSOP размером 3x5 мм с шагом выводов 0,5 мм.
Для достижения максимального КПД микросхемы серии TPS603xx гибко используют все три способа стабилизации, описанные выше: изменением схемы коммутации, преобразованием с пропуском импульсов и преобразованием с постоянной частотой (табл. 1). Выбор наиболее эффективного способа осуществляется автоматически схемой управления, в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки.
Структурная схема микросхем серии TPS6031x приведена на рис. 8.
Микросхемы имеют в своем составе два последовательно включенных преобразователя с накачкой заряда, источник опорного напря-
Микро- схема Входное напряжение (min), В Входное напряжение (max), В Выходное напряжение, В Выходной ток, мА Ток потребления, мкА Частота (max), кГц Корпус Особен- ности
TPS60313 0,9 1,8 3,0 20 2 900 10VSS0P 3
TPS60312 0,9 1,8 3,3 20 2 900 10VSS0P 3
TPS60311 0,9 1,8 3,0 20 2 900 10VSS0P 3
TPS60310 0,9 1,8 3,3 20 2 900 10VSS0P 3
TPS60303 0,9 1,8 3,0 40 35 650 10VSS0P 1; 3
TPS60302 0,9 1,8 3,3 40 35 650 10VSS0P 1; 3
TPS60301 0,9 1,8 3,0 40 35 650 10VSS0P 1; 3
TPS60300 0,9 1,8 3,3 40 35 650 10VSS0P 1; 3
TPS60243 1,8 5,5 3,0 25 250 220 8VSS0P 1; 5
TPS60242 1,8 5,5 2,7 25 250 220 8VSS0P 1; 5
TPS60240 1,8 5,5 3,3 25 250 220 8VSS0P 1; 5
TPS60213 1,8 3,6 3,3 50 2 400 10VSS0P 3
TPS60212 1,8 3,6 3,3 50 2 400 10VSS0P 2
TPS60211 1,8 3,6 3,3 100 2 400 10VSS0P 3
TPS60210 1,8 3,6 3,3 100 2 400 10VSS0P 2
TPS60205 1,6 3,6 3,3 100 35 400 10VSS0P 1; 3
TPS60204 1,6 3,6 3,3 100 35 400 10VSS0P 1; 2
TPS60203 1,8 3,6 3,3 50 40 400 10VSS0P 1; 3
TPS60202 1,8 3,6 3,3 50 40 400 10VSS0P 1; 2
TPS60201 1,8 3,6 3,3 100 40 400 10VSS0P 1; 3
TPS60200 1,8 3,6 3,3 100 40 400 10VSS0P 1; 2
TPS60125 1,8 3,6 3,0 200 55 450 20HTSS0P 1; 3
TPS60124 1,8 3,6 3,0 200 55 450 20HTSS0P 1; 2
TPS60123 1,8 3,6 3,3 100 55 450 20HTSS0P 1; 3
TPS60122 1,8 3,6 3,3 100 55 450 20HTSS0P 1; 2
TPS60121 1,8 3,6 3,3 200 55 450 20HTSS0P 1; 3
TPS60120 1,8 3,6 3,3 200 55 450 20HTSS0P 1; 2
TPS60101 1,8 3,6 3,3 100 50 400 20HTSS0P 1; 4
TPS60100 1,8 3,6 3,3 200 50 400 20HTSS0P 1; 4
Особенности:
1. Вход «разрешение работы» (Enable).
2. Выход компаратора входного напряжения (Low Battery Warning).
3. Выход компаратора выходного напряжения (Power Good Comparator).
4. Вход синхронизации (Synchronization Pin).
5. Двухфазный преобразователь с минимальными пульсациями (Zero-Ripple).
жения, два усилителя ошибки, компаратор выходного напряжения, схему мягкого запуска и управления. Первый из преобразователей построен по стандартной схеме удвоителя напряжения и имеет свой выход ОиТ1, у второго преобразователя изменяемый коэффициент передачи — 1,5 или 2. Его выход ОИТ2 и является выходом микросхемы. Переключением схемой управления общего коэффициента передачи х3 или х4 достигается грубая
C1F
Рис. 8
первичная стабилизация напряжения, в зависимости от условий работы.
Выход ОиТ2 стабилизирован, а на выходе ОиТ1 присутствует нестабилизированное удвоенное напряжение источника Ую. Ток, снимаемый с выхода ОИТ2, не должен превышать 20 мА при ненагруженном выходе ОИТ1. Или, наоборот, при ненагруженном выходе ОИТ2 с выхода ОИТ1 можно получить не более 40 мА. Исходя из последнего условия могут быть вычислены любые другие сочетания максимальных токов для этих выходов. Например, можно одновременно получать 20 мА с выхода ОИТ1 и 10 мА с выхода ОИТ2.
Более точная стабилизация выходного напряжения осуществляется с помощью комбинированного алгоритма управления, названного разработчиками Лт8к1р», и представляющего собой адаптивное сочетание двух алгоритмов: преобразования с пропуском импульсов и преобразования с постоянной частотой. Преобразование с пропуском импульсов, как наиболее экономичное, используется при малых значениях тока нагрузки, менее 7,5 мА. При большем значении тока, для снижения пульсаций, микросхема автоматически переключается в режим преобразования с постоянной частотой. Возрастающий в линейном
Компоненты и технологии, № 2'2005
0,001 0,01 0,1 і ю 100
I0-Output Current(OUT2)-mA
Рис. 9
Сц=
режиме до 2 мА собственный ток потребления уже не играет в этом случае существенной роли в общем энергопотреблении.
Микросхемы серии TPS603xx имеют еще один, особый режим работы «snooze», при котором собственный ток потребления снижается до 2 мкА, что ниже, чем ток саморазряда большинства химических источников тока. В батарейных приборах это позволяет совсем отказаться от выключателя питания. При переходе в режим «snooze» точность стабилизации выходного напряжения снижается с ±4% до ±10%. Микросхемы автоматически переходят в режим «snooze», если ток, потребляемый нагрузкой, меньше 2 мА и выходят из этого режима при токе нагрузки больше 2 мА. Переход в режим «snooze» может быть заблокирован высоким логическим уровнем на выводе
1 SNOOZE микросхемы. КПД преобразователя, в зависимости от тока нагрузки, в различных режимах работы и точки переходов между этими режимами показаны на рис. 9.
Компараторы напряжения, использованные в серии TPS603xx, формируют импульс сброса низкого логического уровня при падении выходного напряжения стабилизатора ниже 98% от номинала. Микросхемы TPS603x0 и TPS603x1 имеют выход компаратора с открытым стоком, а TPS603x2 и TPS603x3 двухфазный КМОП выходной каскад (рис. 10).
Способность выходного КМОП-каскада отдавать ток до 5 мА и низкое сопротивление верхнего ключа R(PG1), составляющее около 15 Ом, позволяют использовать встроенный компаратор не только в режиме супервизора. Например, через КМОП-каскад компаратора
к выходу преобразователя OUT2 возможно подключение дополнительной нагрузки. На рис. 11 показано, что нагрузка может представлять собой периферийную аналоговую цепь, полностью отключаемую от источника при снижении выходного напряжения или принудительном выключении преобразователя. Таким образом достигается дополнительная экономия энергии батареи. Кроме того, сопротивление ключа R(PG1) совместно с конденсатором CPG составляют RC-цепочку, дополнительно фильтрующую пульсации напряжения.
Цоколевка, внутренняя структура и логика работы TPS6030x и TPS6031x полностью идентичны, за исключением назначения вывода 1 микросхем. У TPS6031x вывод 1 SNOOZE предназначен для принудительной блокировки перехода в режим «snooze», а у TPS6030x вывод 1 EN отключает преобразователь при подаче сигнала низкого логического уровня.
Важной особенностью, присущей преобразователям с накачкой заряда, является полное отсоединение нагрузки от источника при выключении преобразователя, что продлевает срок службы батареи.
Все микросхемы серии ТР8603хх требуют для работы 5 конденсаторов по 1 мкФ. В качестве С1Р, С2Р возможно применение дешевых конденсаторов меньшей емкости, до 0,1 мкФ, без ухудшения стабильности, но с соответствующим уменьшением максимального выходного тока. Из-за высокой частоты переключения, среднее значение которой составляет 700 кГц, все используемые конденсаторы должны быть только керамическими. Чтобы снизить пульсации выходного напряжения, очень важно минимизировать внутреннее сопротивление выходного конденсатора. Для этого желательно составить его из нескольких однотипных керамических конденсаторов, соединенных параллельно. ММ
l,5V :
C,N =£
1 И-F З
On -l|iF-
OUT2
V|N
TPS60312
PG
C1 + C2+
ci- C2-
SNOOZE OUT1
GND
ж:
_L 1M-F
1M
г
10
■ C2F X °'^F
ljiF ■=■
ON H
_
Display
MSP430
1 f 1
Amplifier <- Sensor
Рис. 11
