Быстрые DC/DC Конверторы Murata обеспечивают плавные переходные процессы при быстром изменении нагрузки

Быстрые РС/РС-конверторы Мыга1а обеспечивают плавные переходные процессы

при быстром изменении нагрузки

Такаши НОМА (Takashi NOMA) Перевод: Евгений КАРТАШЕВ

В аппаратуре, предназначенной для передачи данных, и в так называемых «интеллектуальных» бытовых приборах используется большое количество микросхем обработки данных, таких как цифровые сигнальные процессоры (DSP), программируемые вентильные матрицы (FPGA) и микропроцессоры. Особенностью этих микросхем является низковольтное напряжение питания (1,0—1,5 В) и высокий ток потребления, что требует от источника питания минимальной рассеиваемой мощности и, следовательно, высокой эффективности. При работе указанных интегральных схем ток потребления может мгновенно увеличиваться или уменьшаться в зависимости от выполняемой процессором задачи. В результате в выходном напряжении DC/DC-конвертора могут возникать пульсации, способные вызвать сбой в работе системы.

Применение распределенной топологии, или POL (Point Of Load), при которой источник питания включает несколько маломощных конверторов, каждый из которых расположен рядом с соответствующим потребителем, позволяет решить данную проблему. Кроме того, в этом случае несколько внешних конденсаторов подключаются параллельно выходу каждого конвертора, обеспечивая низкий выходной импеданс источника напряжения в широком диапазоне рабочих частот.

Для устойчивой работы в подобных режимах необходим высокоскоростной DC/DC-конвертор, обеспечивающий минимальное изменение выходного напряжения в условиях быстрых переходных процессов изменения нагрузки и способный поддерживать низкий выходной импеданс в диапазоне высоких частот. В компании Murata Manufacturing Co., Ltd. разработана схема детектирования и управления уровнем пульсаций, сегодня она имеет лучшие ха-

рактеристики переходных режимов при изменении нагрузки. На базе коммерческих технологий компания выпустила новую серию конверторов MPDRX с экстремальными переходными характеристиками, эти устройства способны обеспечивать требуемый уровень точности выходного напряжения даже при уменьшенных номиналах выходных конденсаторов.

На рис. 1 показаны наружные размеры конверторов MPDRX001S и MPDRX003S. Особенности и перспективы развития преобразователей серии MPDRX будут рассмотрены в следующем разделе.

Система

контроля пульсаций

Схема, позволяющая детектировать и регулировать уровень пульсаций, это модернизированный вариант разработанного компанией устройства, известного как «конвертор пульсаций» (ripple converter). В данном преобразователе режим автоколебаний достигается за счет создаваемого системой времени задержки. Особенностью существующей схемы являются некоторые доработки, способствующие улучшению динамических характеристик. Например, рабочая частота схемы зависит от наличия и величины керамического сглаживающего конденсатора, установленного на выходе устройства.

Принцип работы схемы контроля пульсаций показан на рис. 2. Традиционная схе-

ма с применением широтно-импульсного модулятора (ШИМ-модулятора) характеризуется большим временем задержки, поскольку разница между выходным и опорным напряжением вычисляется с помощью интегрирующей цепочки. В новой схеме контроля пульсаций время задержки реакции системы может быть очень малым, поскольку выходное напряжение непосредственно сравнивается с опорным. Уникальная технология Мига1а, позволяющая выделить переменную составляющую тока пульсаций и преобразовать ее в напряжение обратной связи, позволяет полностью решить проблему возникновения переходных процессов при быстрых изменениях нагрузки, свойственную стандартным схемам ЭСЮС-конверторов.

Представление серии МРРРХ

Конверторы серии МРБИХ предназначены для преобразования входного напряжения 5 В в напряжение в диапазоне 0,8-1,8 В при токе до 16 А. Конверторы МРБК80038 имеют входное напряжение 12 В и обеспечивают выходное напряжение в таком же диапазоне (0,8-1,8 В) при токе до 12 А. Данные модели выпускаются в корпусах, соответствующих промышленным стандартам, размером 33,0-13,5 мм. Основные характеристики преобразователей класса «конвертор пульсаций» показаны в таблице.

33,0±0,2

п

Вид сверху

LJLJ LJLJ LJLJ

ИГ

3 4 5 6 7 8 9 10

Вид снизу

1 2 »# и* 12 •

Номер Символ Функция Номер Символ Функция

1, 2 Vin Вход 7, 8 TRIM Регулировка выходного напряжения

3, 4 GND GND 9, 10 SENSE Датчик выходного напряжения

5, 6 Vout Выход 11, 12 ON/OFF Удаленное подключение

Рис. 1. Размеры MPDRX001S и MPDRX003S

1,85

MPDRX001S Д V = 38mV

- Output current, A

- lo = OA—9A

: di/dt=2A/[jS

Conventional PWM products Д V = 168mV

h—h

5A/div

1,82

1,80

1,78

1,76

1,74

10

5

0

100 Time, |js

(a) Comparison in external capacity of 100|j F

MPDRX001S /Д V = 38mV

200

: Outp 1 Volt >ut / aqe.V / :

: и _JJill :

: 20 mV/d iv :

: :

і Conv Д v = entio = 38m lalPW V (Co /М pr< jt = 1 jduCtS 3000|j F) J

: Ou tput с urrenl , A : :

: lo = 0A-9A di/dt=2A/pS : 5A/div ;

; :

250 Time, |js

500

1.

.Bfl

(b) When external capacity is increased so that AV is the same

Рис. 3. Сравнение флуктуаций напряжения при неожиданном изменении нагрузки при использовании МРОРХ001в и стандартной ШИМ-системы

Таблица. Основные характеристики «конвертора пульсаций»

Параметры MPDRX001S MPDRX003S

Размеры, мм 33x13,5x8

Вес, г 5

Входное напряжение, В 4,5~5,5 10,8~13,2

Диапазон выходных напряжений, В 0,8-1,8

Выходной ток, А 16 12

Статическая точность стабилизации напряжения, % ±2,5

Флуктуации напряжения | ±40 мВ 1 ±50мВ 1

при переходном режиме нагрузки Vo = 1,8 В, Io + 50%, Ta = 25 °C Cout = 100 мкФ, di/dt = 2 А/мкс

Пульсация выходного напряжения 15 MVpp (типовое) Vo=1,8 В, Io = max, BW = 20 МГц, Ta = 25 °C

Эффективность преобразования IV о о HL% А В, 88% Vo =1,8 В, Io = 12 А

Рабочий диапазон температур, °С от -40 до +85

Флуктуации

низковольтного напряжения

На рис. 3 представлено сравнение характеристик переходного процесса при резком изменении нагрузки. Они получены при использовании преобразователя MPDRX001S и стандартного DC/DC-конвертора. Показанные на рис. 3а флуктуации напряжения наблюдались при установке внешней сглаживающей емкости 100 мкФ. При работе MPDRX001S уровень амплитуды колебаний напряжения при резком изменении нагрузки оказывается в 4 раза меньше, чем при использовании обычного ШИМ-преобразова-теля. Это подтверждает, что вероятность сбоя системы при внезапном изменении то-

ка нагрузки явно снижается при использовании источника питания на основе конверторов MPDRX.

Эпюры, представленные на рис. 3б, показывают, что для достижения такого же результата при использовании стандартного ШИМ-устройства внешняя емкость Cout должна быть увеличена в 130 раз (Cout = 13 000 мкФ). В случае применения MPDRX001S время установления выходного напряжения конвертора практически следует за изменением нагрузки, поскольку постоянная времени отклика снижена более чем в 5 раз. За счет этого сама выходная емкость и место, которое она занимает на печатной плате, могут быть существенно уменьшены. Все это подтверждает очевидные преимуще-