Чем будем питаться? Силовые компоненты управления питанием от Micrel

Компоненты и технологии, № 7'2004

Чем будем питаться? Питание от Micrel

В спектре продукции, выпускаемой компанией Micrel, значительное место занимают компоненты управления питанием. Этим материалом открывается цикл статей, призванных познакомить специалистов с широким выбором функций, параметров, типов корпусов силовых компонентов Micrel для решения самых разнообразных задач.

Илья Зайцев

ilya.zc@eltech.spb.ru

Учитывая, что всю электронику можно разделить на две части — сигнальную (аналоговую, цифровую, смешанную) и силовую, можно предположить, что они равнозначны. В то же время подсистемам питания уделяется зачастую незаслуженно меньшее внимание в разработке перспективных устройств. Компоненты подсистем питания выполняют функцию обеспечения целевой задачи, находятся в ее фоне. Разработчик, сосредоточившись на главной цели, оставляет меньшую часть бюджета времени на проработку схемы питания. Поэтому весьма актуально, чтобы разнообразные требования к питанию могли быть разрешены оптимальным набором функций и параметров интегральных компонентов систем питания с минимальными затратами времени, усилий и средств.

Компания Micrel предлагает множество семейств компонентов для подсистем питания, различающихся назначением, функциональностью, специфическими параметрами:

• Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения со встроенным или внешним (контроллеры LDO) регулирующим элементом. Об этом классе компонентов будет рассказано в данной публикации.

• Контроллеры импульсных стабилизаторов — включают компоненты повышающих, понижающих, изолирующих преобразователей напряжения, синхронных, асинхронных, на входные напряжения до 180 В, с внешним или встроенным ключевым элементом.

• Контроллеры «горячего» включения и замены (Hot-swap, Hot-Plug) — обеспечивают элементы электромагнитной совместимости сложных модульных систем, защиту источников питания от перегрузки при подключении новой подсистемы без выключения питания.

• MOSFET-драйверы верхнего, нижнего плеча, по-лумостовые; сдвоенные, счетверенные; с защитой от перегрева, с управляемым ограничением тока, с выводом сигнала диагностики.

• Ключи питания с защитой, фиксированным или регулируемым ограничением тока, управляемые логическим уровнем — предназначены для программного включения-выключения нагрузки общего назначения и стандартных интерфейсов: USB, CardBus, PCMCIA.

64

• Контроллеры заряда литий-ионных батарей на фиксированное напряжение заряда 4,2 В или регулируемое, а также прецизионная схема ограничения тока заряда.

• Супервизоры микропроцессоров с обычными и специфическими свойствами. Среди специфических свойств: микромощные, с регулируемым гистерезисом, сдвоенные, с функцией мониторинга перенапряжения.

• Драйверы светодиодов и электролюминесцент-ных ламп — обеспечивают однокристальное энергосберегающее управление сверхъяркими светодиодами, матрицами светодиодов (до 35 независимо управляемых) и высоковольтное преобразование напряжения.

• Мощные быстродействующие драйверы с регистром-защелкой являются, по существу, версиями компонентов из стандартной логики 74xx259, 595, 596 с более мощными выходами (до 500 мА).

Часть 1. Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения

LDO, контроллеры LDO и другие линейные стабилизаторы

LDO (Low Drop-Out — буквально: «малый перепад») это жаргонное наименование класса линейных стабилизаторов, которые требуют лишь незначительного превышения входного напряжения над номинальным и стабильным выходным. Для различных уровней выходных токов типовые значения перепада составляют от десятков до сотен милливольт. Для «классических» линейных стабилизаторов, как, например, 7805 или LM317, необходимо, чтобы входное напряжение было выше номинального выходного на 2,5-3,0 В. LDO показывают существенно более высокую эффективность по сравнению с классическими линейными стабилизаторами. Так, LDO Micrel MIC37151-3.3 на фиксированное выходное напряжение 3,3 В при нагрузке 1,0 А может работать от входного напряжения, всего на 270 мВ превышающего номинальное выходное. Его эффективность превышает 90%. А эффективность LM317 составит около 50%. Другим преимуществом LDO является возможность использования в системах с распределенным питанием недорогих магистральных преобразователей AC/DC

------www.finestreet.ru-----------------------

Компоненты и технологии, № 7'2004

(импульсные преобразователи сетевого напряжения 220 В в постоянное) со стандартными номиналами выходных напряжений. Например, при использовании LM317 для получения стабилизированного питания 5,0 В необходимо входное напряжение около 8 В. Ближайший стандартный номинал выходного напряжения массово поставляемых, а значит, недорогих, преобразователей AC/DC составляет 12 В (7,5 и 9 В — также стандартные номиналы, но объем предложений и доступность их со складов поставщиков значительно меньше). Тогда на LM317 должно падать 7 В, что влечет потерю 7 Вт (при потребляемом токе 1 А), выделение тепла и потребность в более мощном источнике питания (соответственно, и более дорогом). Если же использовать LDO, то достаточно применить преобразователь AC/DC с регулируемым выходным напряжением 5 В. Обычно подобные преобразователи позволяют подстраивать выходное напряжение в диапазоне ±10%, как, например, MeanWell RS-25-5, S-25-5 в металлическом перфорированном корпусе или Chinfa DRA05-05 в корпусе для монтажа на DIN-рейку. С помощью регулировки можно выставить выходное напряжение до 5,5 В — и этого будет достаточно для стабильной работы LDO без непроизводительных потерь мощности.

LDO с одним, двумя и тремя выходными напряжениями

Компания Micrel производит широкую гамму LDO не только с одним выходным напряжением, но также с двумя и тремя фиксированными или регулируемыми выходами.

В номенклатуре представлены также LDO, стабилизирующие напряжение отрицательной полярности. И по нагрузочной способности Micrel предоставляет выбор наиболее эффективного решения — от 10 мА до 7,5 А со встроенными проходными транзисторами. Отличительными особенностями LDO Micrel являются крайне низкие токи собственного потребления и регулирования. Типовое значение максимального тока в общую шину составляет менее 2-3% от величины тока, отдаваемого в нагрузку. В паре с очень низким минимальным падением напряжения на проходном транзисторе эти два параметра повышают КПД стабилизаторов Micrel до 93-97% в широком диапазоне температур. Большинство LDO специфицированы для температурного диапазона от -40 до +125 °С. Одноканальные LDO Micrel предлагает более чем в 15 типах корпусов — от самых миниатюрных MLF размером 2x2 мм, SC-70, SOT-23 и других для поверхностного монтажа, до TO-247 для монтажа в отверстия.

LDO с функциями управления питанием

К ним относятся стабилизаторы Micrel с функциями электронного включения-выключения выходного напряжения, управляемой задержкой или последовательностью появления напряжения на выходе после подачи питания или сигнала включения, а также с сигнализацией о снижении выходного напряжения ниже порогового значения. К этому же подсемейству относятся LDO со встроенным драйвером — ключевым транзистором с открытым стоком. Он обычно ис--------------------www.finestreet.ru -

Таблица. Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения Micrel

Наименование ок нагрузки Стандартные номиналы вых.напряжения со £ I ег Точность И 3 4 ^ 5 ю еп 25 £ 1. ка ток е и н о ч и н а >лаг ошибки Вкл/выкл а т и U а rt 1 е р. п а н р. б О 5 а т и Защитное откл. Корпус

1,8 2,5 2,8 3,0 3,3 3,6 3,8 4 4,75 4,85 5 12 О 3 а т

MIC5208 50 мАх2 * * * * 3% 250 * * * * MSOP-8

MIC5211 50 мАх2 * * * * 3% 250 * * * * SOT-23-6

MIC5203 80 мА * * * * * * * 3% 300 * * * * SOT-143,SOT-23-5

MIC5200 100 мА * * * 1% 230 * * * * SOP-8, SOT-223, MSOP-8

MIC5202 100 мАх2 * * * 1% 225 * * * * SOP-8

LP2950 100 мА * 0,5%, 1% 380 * * TO-92

LP2951 100 мА * * 29 0,5%, 1% 380 * * * * DIP-8, SOP-8

MIC2950 150 мА * 0,5%, 1% 300 * * * * TO-92

MIC2951 150 мА * * 29 0,5%, 1% 300 * * * * * * DIP-8, SOP-8, MSOP-8

MIC5205 150 мА * * * * * * 16 1% 165 * * * * SOT-23-5

MIC5206 150 мА * * * * * 16 1% 165 * * * * * SOT-23-5, MSOP-8

MIC5210 150 мАх2 * * * * 1% 165 * * * * MSOP-8

MIC5207 180 мА * * * * * * * 16 3% 165 * * * * SOT-23-5, TO-92

MIC5201 200 мА * * 16 1% 270 * * * * SOP-8, SOT-223

MIC2954 250 мА * 29 0,5% 375 * * * * * * TO-220, SOT-223

MIC2920A 400 мА * * * 1% 450 * * * * TO-220-5, SOT-263-5

MIC29201 400 мА * * 1% 450 * * * * * * TO-220, SOT-223

MIC29202 400 мА 26 1% 450 * * * * * TO-220-5, SOT-263-5

MIC29204 400 мА * 26 1% 450 * * * * * * SOP-8, DIP-8

MIC5216 500 мА * * * 12 1% 300 * * * * * SOT-23-5, MSOP-8

MIC5219 500 мА * * * 12 1% 300 * * * * SOT-23-5, MSOP-8

MIC5209 500 мА * * * * * 16 1% 300 * * * * SOP-8, SOT-223, TO-253-5

MIC5237 500 мА * * 16 3% 300 * * * TO-220, TO-263

MIC2937A 750 мА * * 1% 370 * * * * TO-220, TO-263

MIC29371 750 мА * 1% 370 * * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29372 750 мА 26 1% 370 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC2940A 1,25 А * * 1% 400 * * * * TO-220, TO-263

MIC2941A 1,25 А 26 1% 400 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29150 1,5 А * * 1% 350 * * * * TO-220, TO-263

MIC29151 1,5 А * * 1% 350 * * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29152 1,5 А 26 1% 350 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29153 1,5 А 26 1% 350 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC39150 1,5 А * 1% 350 * * * TO-220, TO-263

MIC39151 1,5 А * 1% 350 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29300 3 А * * 1% 370 * * * * TO-220, TO-263

MIC29301 3 А * * 1% 370 * * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29302 3 А 26 1% 370 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29303 3 А 26 1% 370 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29310 3 А * 2% 600 * * TO-220, TO-263

MIC29312 3 А 16 2% 600 * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC39300 3 А * 1% 400 * * * TO-220, TO-263

MIC39301 3 А * 1% 400 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29500 5 А * 1% 370 * * * * TO-220

MIC29501 5 А * 1% 370 * * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29502 5 А 26 1% 370 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29503 5 А 26 1% 370 * * * * * TO-220-5, TO-263-5

MIC29510 5 А * 2% 700 * * TO-220, TO-263

MIC29512 5 А 16 2% 700 * * * TO-220-5

MIC29710 7,5 А * * 2% 700 * * TO-220

MIC29712 7,5 А 16 2% 700 * * * TO-220-5

MIC29750 7,5 А * * 1% 425 * * * * TO-247

MIC29751 7,5 А * * 1% 425 * * * * * * TO-247-5

MIC29752 7,5 А 26 1% 425 * * * * * TO-247-5

MIC5156 * * 36 1% * * * SOP-8, DIP-8

MIC5157 1% * * * SOP-14, DIP-14

MIC5158 1% * * * SOP-14, DIP-14

пользуется для управления индикацией, подсветкой или обмоткой реле током до 150 мА. Эти функции востребованы особенно в мобильных и портативных приборах с батарейным питанием, дистанционно управляемых, и модульных системах. Например, М1С2215 представляет собой три независимых ЬБО в одном малогабаритном безвыводном корпусе МЬБ-16, каждый из которых имеет вход

управления включением-отключением. Наиболее распространенные области применения этого компонента — сотовые телефоны, GSM/GPRS-модемы, компьютерные платы расширения и периферия, приемники GPS, карманные персональные компьютеры.

LDO-контроллеры

Задача LDO-контроллера — прецизионное управление мощным внешним проходным

Компоненты и технологии, № 7'2004

MIC2215-xxxBML

OFF] ON Щ-OFFfÖN Q-OFFfÖN _

C|N — 1 мФ —— ——----------

Ceramic

V V V

VIN1 VOUT1

VIN2 VOUT2

VIN3 VOUT3

EN1

EN2

EN3 CBYP

GND

4 Rx Chain

4 Tx Chain

— _L _L Cqut - 1 м<

Ceramic

V V

I SynthACXO/VCO I

Рис. 1. MIC2215 — три независимых LDO в одном корпусе. Типовая схема включения

транзистором. Такое конструктивное решение при значительных токах нагрузки и широком диапазоне изменения входного напряжения оказывается более эффективным, чем совмещение в одном кристалле силового и управляющего элементов. Трудность их сочетания в одном корпусе заключается в обеспечении температурной стабильности параметров узлов точного управления при нагреве силового проходного транзистора. В новые серии ЬБО-контроллеров М1С5190 и М1С5191 разработчики Мкге1 вложили уникальные свойства:

• функция активного фильтра помех с передовыми параметрами для этого класса устройств — более чем на порядок снижен уровень шумов в шине потребителя;

• более чем на 40 дБ снижены шумы от источника входного напряжения в полосе до 500 кГц;

• возможность работы с обычными керамическими конденсаторами;

• возможность обеспечения ультранизкого падения напряжения на проходном внешнем транзисторе — до 25 мВ при токе 10 А. При наличии таких характеристик логичным кажется наличие функций электронного включения-выключения и управляемого ограничения тока. Типовая схема включения М1С5190 приведена на рис. 2.

Все представители семейства ЬБО-кон-троллеров Мкге1 обеспечивают колебания выходного напряжения не более 1-3 мВ во всем специфицированном диапазоне условий эксплуатации — по входному напряжению, току нагрузки, температурному диапазону (от -40 до +125 °С).

ЬБО с функцией подавления шумов В серии ЬБО малой и средней мощности М1С52ХХ (до 500 мА) со встроенным регулирующим элементом разработчики Мкге1 предлагают версии стабилизаторов с существенно улучшенными параметрами по подавлению шумов — как от источника (уменьшение на 75 дБ), так и в нагрузке (снижение до 300 нВ/Гц1/2).

Для измерительных и высококлассных аудио устройств снижение уровня шумов по питанию является одной из наиболее важных составляющих повышения качественных параметров этих устройств.

¡¿САР ЬБО — стабильность на обычных конденсаторах

Подавляющее число линейных стабилизаторов различных производителей, представлен-

66 ---------------------------------------

ных сегодня на рынке компонентов для систем питания, рассчитано на использование фильтрующих конденсаторов с малыми токами утечки и низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ББИ). В основном производители рекомендуют использовать танталовые конденсаторы, а также электролитические с улучшенными параметрами по утечке и температурной стабильности. Эти типы не являются дешевыми компонентами, иногда их стоимость может превышать стоимость самого ЬБО. Например, встречаются предложения о поставке ЬМ317 по $0,15, в то время как электролитические конденсаторы, обеспечивающие стабильную работу во всем специфицированном диапазоне условий эксплуатации, стоят практически в два раза дороже. Особые параметры конденсаторов важны не для всех применений. Для устройств, не требующих оптимизации характеристик, можно использовать и широко доступные обычные конденсаторы. Подобные подсистемы питания при определенных условиях могут входить в состояние самовозбуждения или создавать короткое замыкание по выходу.

Компания Мкге1 владеет технологией цСЛР ЬБО, которая обеспечивает устойчивую работу стабилизатора во всем специфицированном диапазоне условий эксплуатации при применении даже обычных керамических конденсаторов небольшой емкости (до 10 мкФ). Это свойство позволяет не только

снизить стоимость компонентов, но и уменьшить габариты подсистемы питания. Защитные функции в LDO Micrel Схемотехника стабилизаторов Micrel включает целый ряд защитных функций, обеспечивающих им и питаемым схемам высокую надежность. Это такие свойства, как:

• ограничение выходного тока;

• защитное отключение при перегреве, превышении входного напряжения;

• стойкость к входному напряжению обратной полярности;

• сигнализация о снижении выходного напряжения ниже порогового значения (типовое значение -5%).

Ограничение выходного тока реализуется стабилизаторами Micrel двумя способами:

1. Замкнутая внутренняя цепь токового сенсора обеспечивает фиксированное значение выходного тока. Например, MIC29150, рассчитанный на номинальный выходной ток 1,5 А, при короткозамкнутой нагрузке ограничивает выходной ток на уровне 2 А. Если нагрузка носит емкостной характер, ток через некоторый промежуток времени уменьшится до номинального. При продолжительном токе, превышающем номинальный, вступает в действие «второй эшелон» защиты — кристалл стабилизатора нагревается и срабатывает защита от перегрева, отключающая выход.

2. Разработчик устанавливает уровень ограничения выходного тока. Для этого навнеш-ние контакты стабилизатора выведен инвертирующий вход встроенного компаратора. Второй вход компаратора запитан внутренним источником опорного напряжения 35-50 мВ (различная величина у разных наименований LDO Micrel). Включение миллиомного сопротивления между входом напряжения питания и входом сенсора тока позволяет варьировать величину порога ограничения тока.

В следующей части публикации будет рассмотрено разнообразие импульсных стабилизаторов Micrel.

Продолжение следует

Vcc-1,2B

----

Cl

0,01 мФ

Г

V|N -1/2 В

------

GND

MIC5190

IR3716S

~T.fi

Vcc

сз

0,0! мФ_^>

IS OUT

VIN

VCCI FB

VCC2 PGND

EN SGND

COMP

П

о

R1

100 Ом

12,5 кОм

ҐР

U125 Ом

V

0,9 В @7 А

—

С2

ЮмФ

GND

V

Рис. 2. MIC5190 — LDO-контроллер с функцией активного фильтра снижает уровень шумов с 200 мВ до 10 мВ в полосе до 500 кГц

www.finestreet.ru