Новая топология понижающего регулятора с рекордной рабочей частотой 10 МГц от Texas Instruments

| Texas Instruments

Многие разработчики считают, что изобретать новую топологию понижающего импульсного преобразователя все равно, что изобретать велосипед. Однако с этим не согласны инженеры Texas Instruments, которые создали TPS54A20 – первый интегральный двухфазный синхронный импульсный регулятор с последовательным конденсатором. Новое решение позволило повысить рабочую частоту до рекордного значения 10 МГц, уменьшить потери на переключения, значительно снизить габаритные размеры. Впрочем, у новой топологии есть и недостатки, о которых будет сказано в заключительной части данной статьи.

Новая топология понижающего регулятора от Texas Instruments

Рис. 1. Новая топология понижающего регулятора от Texas Instruments

Большинство понижающих импульсных преобразователей строятся по классической топологии с двумя силовыми ключами и выходным LC-фильтром. Если в качестве силовых ключей используются управляемые транзисторы, то такую схему называют синхронной. Если применяется связка транзистора и обратного диода, то говорят об асинхронной схеме. По типу обратной связи преобразователи делят на регуляторы с токовым управлением и управлением по напряжению. В зависимости от типа управляющего сигнала преобразователи бывают с ШИМ, с ЧИМ, с гистерезисным управлением и т. д. Такое многообразие модификаций возникло из-за наличия специфических требований в каждом конкретном приложении. Однако, еще раз стоит подчеркнуть, все эти разновидности преобразователей по сути используют одну и ту же топологию.

Основной задачей развития преобразователей остается оптимизация КПД, а также уменьшение габаритов. Для этого используются различные способы:

  • совершенствование характеристик транзисторов: снижение сопротивления открытого канала для уменьшения потерь проводимости, уменьшение заряда затвора для сокращения потерь на переключения и т.д.;
  • снижение токов утечек и собственного потребления интегральных преобразователей;
  • увеличение рабочих частот. Рост рабочих частот позволяет уменьшить номиналы и габариты наиболее громоздких компонентов – элементов LC-фильтра, а значит снизить общие габариты преобразователя.

Легко заметить, что последний пункт достаточно противоречивый. Действительно, ведь рост рабочей частоты приводит к увеличению потерь на переключения. В итоге у современных преобразователей рабочая частота редко превышает 1 МГц. При этом элементы LC-фильтра обычно занимают львиную долю всей площади преобразователя. Ситуация медленно улучшается при совершенствовании характеристик транзисторов. Однако резкий рывок возможен только при использовании революционных решений. Именно такое решение предложили инженеры Texas Instruments. Они создали интегральный преобразователь с альтернативной топологией.

TPS54A20 – первый интегральный двухфазный синхронный импульсный регулятор с последовательным конденсатором. Он способен работать на частотах до 10 МГц, при этом большая часть его транзисторов коммутирует вдвое меньшее напряжение по сравнению с классической схемой. Последнее обстоятельство приводит к значительному сокращению потерь на переключения. Все это позволяет повысить КПД и снизить габариты (рис. 2).  

Преимущества двухфазного преобразователя TPS54A20 от Texas Instruments

Рис. 2. Преимущества двухфазного преобразователя TPS54A20 от Texas Instruments

Прежде чем говорить непосредственно о микросхеме, стоит подробнее рассказать о новой топологии (рис. 3). Представленная схема включает четыре управляемых ключа, последовательный конденсатор, два дросселя и конденсатор выходного фильтра. Период работы такого преобразователя состоит из четырех фаз.

Двухфазная синхронная схема понижающего регулятора с последовательной емкостью

Рис. 3. Двухфазная синхронная схема понижающего регулятора с последовательной емкостью

Фаза 1. В первой фазе происходит накачка энергии в конденсатор Ct, в индуктивность La и нагрузку через включенный транзистор Q1a (рис. 4). Одновременно с этим происходит отдача энергии в нагрузку через транзистор Q2b и дроссель Lb. Ток в индуктивности La увеличивается, а в Lb – уменьшается. Стоит отметить, что напряжение на конденсаторе при полной зарядке составит половину напряжения питания.

 Работа преобразователя в фазе 1

Рис. 4. Работа преобразователя в фазе 1

Фаза 2. В фазе 2 происходит выключение Q1a и включение Q2a (рис. 5). Последовательный конденсатор Ct оказывается не подключенным и хранит ранее запасенную энергию. В то же время дроссель La отдает накопленную энергию в нагрузку. Дроссель Lb также отдает остатки своей энергии в нагрузку.

Работа преобразователя в фазе 2 и 4

Рис. 5. Работа преобразователя в фазе 2 и 4

Фаза 3. В фазе 3 транзистор Q2b выключается, а транзистор Q1b включается (рис. 5). В результате часть схемы (Q1b, Q2b, Lb) начинает работать как обычный понижающий регулятор в фазе накопления, только в качестве источника питания выступает конденсатор Ct с зарядом Vin/2. Энергия конденсатора перекачивается в индуктивность Lb и в нагрузку. Дроссель La также продолжает отдавать энергию в нагрузку.

Работа преобразователя в фазе 3

Рис. 6. Работа преобразователя в фазе 3

Фаза4. В заключительной фазе Q1b размыкается, а Q2b замыкается. При этом конфигурация схемы совпадает с конфигурацией в фазе 2 (рис. 5). Однако в данном случае дроссель La отдает остатки энергии в нагрузку, а большую часть тока обеспечивается индуктивностью Lb. После этой фазы вновь наступает фаза А.

Если внимательно рассмотреть работу схемы, то окажется, что все транзисторы, за исключением входного Q1a, работают с уровнем напряжения, не превышающим Vin/2. Это дает сразу несколько преимуществ. Во-первых, можно использовать менее высоковольтные транзисторы. Во-вторых, потери проводимости и потери на переключения окажутся ниже. В-третьих, можно поднять рабочую частоту переключений.

Еще одним достоинством схемы является удвоение рабочей частоты. Такой преобразователь работает как два параллельных понижающих регулятора. При этом каждый из них работает на вдвое меньшей частоте. В результате номиналы емкости и индуктивности фильтра могут быть значительно снижены.

Недостатками схемы являются: удвоение количества транзисторов и индуктивностей, усложнение схемы управления, потенциальные проблемы с устойчивостью. Однако инженеры Texas Instruments смогли успешно решить большинство проблем и начать выпуск преобразователей TPS54A20.

TPS54A20 – интегральный синхронный двухфазный преобразователь с рабочей частотой до 10 МГц, выполненный в миниатюрном 20-выводном корпусе QFN3,5x4x1 мм. Диапазон входных напряжений для TPS54A20 составляет 8…14 В, диапазон выходных напряжений 0,51...2 В, выходной ток достигает 10 А.

TPS54A20 интегрирует в одном корпусе: силовые транзисторы, драйверы ключей, логику переключения и мертвого времени, блоки управления, генератор, дополнительные линейные регуляторы напряжения, цепи защиты и контроля (рис. 7).

От Texas Instruments

Рис. 7. От Texas Instruments

Благодаря тому, что транзисторы в представленной схеме работают при вдвое меньшем напряжении, TPS54A20 станет идеальным выбором для низковольтных PoL-архитектур (Point of Load), например, для телекоммуникационных систем с шиной питания 12 В. Дело в том, что структура PoL подразумевает прямое преобразование напряжения общей шины для каждого конкретного потребителя, в том числе для цифровых систем с напряжением питания вплоть до 1,8 В и даже ниже. В таких случаях требуется регулятор с максимальной рабочей частотой, обеспечивающий максимальный КПД при малых коэффициентах заполнения. И того, и другого можно достичь с помощью TPS54A20. Например, при выходном напряжении 1,8 В и нагрузочном токе 3 А КПД TPS54A20 составит 92% при рабочей частоте 4 МГц (2 МГц каждая фаза). При той же конфигурации и токе 10 А КПД не опуститься ниже 80%.

В виду того, что силовые транзисторы входят в состав TPS54A20, то схема включения преобразователя оказывается достаточно простой – необходимо добавить несколько пассивных компонентов (рис. 8). При этом особого внимания потребует выбор элементов фильтра и последовательного конденсатора, который подключается к выводу SCAP.

Типовая схема включения TPS54A20 от Texas Instruments

Рис. 8. Типовая схема включения TPS54A20 от Texas Instruments

При выборе последовательного конденсатора важно использовать емкость с высокостабильным диэлектриком. Дело в том, что температурная нестабильность может крайне негативно повлиять на характеристики преобразователя. Инженеры Texas Instruments рекомендуют применять многослойные X7R чип-конденсаторы (MLCC) с рабочей температурой до 125°C. При необходимости допускается параллельное включение емкостей.

В качестве индуктивностей также стоит выбрать чип-компоненты. Рекомендуемые наименования можно найти в документации на TPS54A20.

Чтобы быстро ознакомиться с работой новой схемы, следует воспользоваться отладочной платой TPS54A20EVM-770 (рис. 9). Она представляет собой законченный преобразователь с входным напряжением 9,39…14 В, выходным напряжением 1,2 В и нагрузочной способностью до 10 А.

Отладочная плата TPS54A20EVM-770 от Texas Instruments

Рис. 9. Отладочная плата TPS54A20EVM-770 от Texas Instruments

В заключение необходимо отметить и существующие недостатки рассмотренного решения. Схема идеально подходит для малых коэффициентов заполнения, но при коэффициентах заполнения выше 50% ее работа может быть нестабильна. В результате выходное напряжение преобразователя не должно превышать Vin/4 (на практике удается достичь Vin/5).

Характеристики TPS54A20RNJR/ TPS54A20RNJT:

  • Диапазон входных напряжений: 8…14 В;
  • Выходное напряжение: 0,51...2 В;
  • Выходной ток: 0…10 А;
  • Рабочая частота: 2/ 3,5/ 5 МГц (каждая фаза);
  • Максимальное сопротивление встроенных транзисторов: 10,5/14,8 мОм (нижнее плечо), 50 мОм (верхнее плечо);
  • Защитные механизмы: от перенапряжения, от просадки напряжения, от перегрузки по току;
  • Возможность внешней синхронизации: есть;
  • Рабочий диапазон температур: -40...125°C;
  • Корпус: 20-выводной VQFN3, 5x4x1 мм.

Характеристики отладочной платы TPS54A20EVM-770:

  • Диапазон входных напряжений: 9,39…14 В;
  • Выходное напряжение: 1,2 В;
  • Выходной ток: 0…10 А;
  • Нестабильность по входному напряжению: ±0,04%;
  • Размах выходных шумов: 620 мВ;
  • Рабочая частота: 2 МГц;
  • КПД: 84,7 %.
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
TPS54A20EVM-770
TPS54A20EVM-770
Texas Instruments
Арт.: 2090701 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 102 шт.
Выбрать
условия
поставки
Отладочная плата представляет собой законченный преобразователь с входным напряжением 9,39…14 В, выходным напряжением 1,2 В и нагрузочной способностью до 10 А.
TPS54A20EVM-770
102 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPS54A20RNJR
TPS54A20RNJR
Texas Instruments
Арт.: 2120416 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 25959 шт.
Выбрать
условия
поставки
Интегральный синхронный двухфазный преобразователь. Рабочая частота до 10 МГц, миниатюрный 20-выводной корпус QFN3,5x4x1 мм. Диапазон входных напряжений: 8…14 В, диапазон выходных напряжений 0,51...2 В, выходной ток достигает 10 А.
TPS54A20RNJR 1344,81
25959 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
TPS54A20RNJT
TPS54A20RNJT
Texas Instruments
Арт.: 2120417 ИНФО PDF AN RD
Доступно: 808 шт.
Выбрать
условия
поставки
Интегральный синхронный двухфазный преобразователь. Рабочая частота до 10 МГц, миниатюрный 20-выводной корпус QFN3,5x4x1 мм. Диапазон входных напряжений: 8…14 В, диапазон выходных напряжений 0,51...2 В, выходной ток достигает 10 А.
TPS54A20RNJT 1545,96
808 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки