Б. Бейкер

Эффективность схем DC/DC-преобразователей в устройствах с батарейным питанием

Типичными представителями DC/DC-преобразователей являются линейные стабилизаторы с малым падением напряжения на регулирующем элементе (LDO), импульсные преобразователи (SPC — switched power converters) и схемы с переносом заряда. При выборе типа преобразователя обычно руководствуются соображениями эффективности схем.

По эффективности из DC/DC-преобразователей выделяется импульсный преобразователь. Если система устойчива к коммутационным помехам, то её КПД относительно независим от входного напряжения и выходного тока. Также эффективны схемы с переносом заряда, но только в небольшом диапазоне тока нагрузки. Кроме того, они обладают, как правило, нерегулируемыми выходными параметрами. Если требуется стабилизировать выход такой схемы, обычно используют линейный стабилизатор (например LDO), тогда КПД преобразователя с переносом заряда и стабилизатора перемножаются, что ведёт к более низкому КПД, чем при использовании только одного из них. КПД линейного стабилизатора можно приблизительно представить в виде отношения выходного напряжения V_OUT к входному V_IN. Поэтому кпд динамичен и линейно уменьшается при увеличении напряжения питания. Если напряжение источника питания сильно изменяется, то линейный стабилизатор является худшим выбором. Но КПД линейного стабилизатора относительно независим от выходной токовой нагрузки.

При таком многообразии выбор лучшей системы электропитания для конкретной задачи может показаться трудным. Но при тщательном анализе достоинств и недостатков различных схем-преобразователей можно создать конкурентоспособное, эффективное, компактное, экономичное электронное устройство.

Сравним работу преобразователей

Блок электропитания, рассматриваемый в данном разделе, показан на рис. 1. Схема управления может быть реализована на дискретных элементах или на микросхемах и дискретных элементах. Во всех случаях интегральная схема преобразует входное напряжение в другое, отличающееся по величине. Задача — получить на выходе заданное напряжение стабилизатора и преобразователя с переносом заряда. На примере ИС производства Microchip Technology мы будем по очереди использовать и исследовать работу в качестве схемы управления импульсные преобразователи (TC105), конверторы с переносом заряда (TC7662A) и линейные стабилизаторы (TC1185). Нам предстоит выяснить, какой из этих трёх типов преобразователей работает наиболее эффективно, и при каких условиях это достигается.

Рисунок 1. Сравним работу преобразователей: изменение выходного напряжения батареи при помощи преобразователей разных типов

Импульсные преобразователи

Упрощённый пример импульсного преобразователя (Buck SPC) показан на рис. 2. Схема состоит из ключа-прерывателя и LC-фильтра нижних частот. Ключ управляется ШИМ-контроллером. Этот преобразователь способен только понижать входное напряжение.

Рисунок 2. Импульсный DC/DC-преобразователь на основе TC105

Для оценки схемы, показанной на рис. 2, сделаем следующие допущения:

• входное напряжение всегда больше выходного, как требуется для импульс-ного преобразователя;
• выходное напряжение является по существу напряжением постоянного тока, что подразумевает наличие достаточного выходного фильтра (пульсации не более 1% от выходного напряжения V_OUT);
• дроссель необходим, чтобы преобразователь работал в режиме непрерывного тока.

Большая часть потерь при использовании схемы импульсного преобразователя имеет место за счёт четырёх факторов, причём три из них связаны с канальным полевым униполярным МОП-транзистором. Первый фактор - это зарядный ток затвора полевого МОП-транзистора, который появляется в результате коммутации ШИМ. Он почти не зависит от нагрузки. Второй фактор - это рассеяние мощности во время переходного периода, когда полевой МОП-транзистор находится в линейной зоне характеристики. Этим процессом можно управлять, делая фронт импульсов короче, что увеличивает кондуктивную и излучаемую эмиссию. Третий источник потерь - это резисторы, диоды, исток полевого КМОП-транзистора в открытом состоянии и другие сопротивления в цепи. В оптимально разработанной схеме пик характеристики КПД придётся на полную нагрузку или непосредственно перед ней. В этой точке коммутационные потери примерно равны кондуктивным потерям, или I²R. Когда кривая кпд начинает падать, наблюдается преобладание сопротивления полевого МОП-транзистора в открытом состоянии. Наконец, выходной диод является крупным источником потерь мощности, особенно при значительных выходных токах.

Схемы с переносом заряда

На рис. 3 показана упрощённая схема инвертирующего генератора с переносом заряда (TC7662A). При такой конфигурации входное напряжение V_IN преобразуется в инверсное (по знаку) напряжение V_OUT. Идеальный преобразователь заряда на переключаемых конденсаторах имеет 4 ключа (S₁ – S₄), которые управляются двухфазным генератором, и два конденсатора (C₁ и C₂). C₁ часто называют "генератором накачки", а C₂ — "накопителем" или "выходным" конденсатором.

Рисунок 3. Схема работы преобразователя с переносом заряда на коммутируемых конденсаторах TC7662A

Инверсия напряжения происходит в две стадии. Во время первой фазы ключи S₂ и S₄ разомкнуты, а ключи S₁ и S₃ замкнуты. Во время этой фазы С₁ заряжается до входного напряжения V_IN. Также в этот период времени C₂ обеспечивает ток нагрузки. Во время второй фазы ключи S₂ и S₄ замкнуты, а ключи S₁ и S₃ - разомкнуты. В этой схеме C₁ и C₂ соединены параллельно, при этом верхняя пластина конденсатора C₁, к которой было подведено напряжение V_IN, соединена с землёй. Нижняя пластина конденсатора C₁, которая была соединена с землёй, теперь соединена с нижней пластиной конденсатора C₂. Таким образом, заряд передаётся от конденсатора C₁ к конденсатору C₂.

Потери этой цепи состоят из потерь на действующем сопротивлении ключей (связанном с частотой коммутации), на активном сопротивлении ключей и на действующем последовательном сопротивлении конденсаторов C₁ и C₂. Характерно, что в суммарных потерях преобладают потери на активном сопротивлении ключей.

Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения на регулирующем элементе (LDO)

Пример упрощённой схемы линейного стабилизатора LDO (TC1185) показан на рис. 4. На этой схеме входное напряжение непосредственно приложено к цепям, а также к выходной нагрузке. Обычно собственный ток потребления стабилизатора гораздо меньше, чем выходной ток, так что его можно не принимать во внимание при расчётах первого порядка.

Рисунок 4. В этой упрощённой схеме LDO стабилизатора TC1185 используется униполярный полевой МОП-транзистор Q₁, обеспечивающий выходной ток. Q₁ является также основным ограничивающим фактором. В качестве Q₁ также может выступать биполярный транзистор

Для правильной работы стабилизатора необходимо, чтобы входное напряжение всегда было больше выходного. Когда приложено входное напряжение, вырабатывается опорное напряжение с малым дрейфом нуля, которое совместно с операционным усилителем и делителем напряжения задаёт величину выходного напряжения. Независимо от величины входного напряжения, до тех пор, пока оно остаётся больше значения V_DROPOUT + V_OUT, выходное напряжение останется постоянным. Выходной ток нагрузки обеспечивает р-канальный полевой МОП-транзистор Q₁. Для линейных стабилизаторов входной ток равен сумме выходного тока и внутреннего тока, который необходим для создания опорного напряжения, смещения операционного усилителя и открытия р-канального полевого МОП-транзистора. Если стабилизатор LDO создаётся на базе КМОП-структур, то этот ток мал настолько, что его можно отбрасывать при вычислении эффективности для существенных нагрузочных токов. В этом случае эффективность можно приблизительно представить простым отношением V_OUT/V_IN. Линейный стабилизатор наиболее эффективен для входных напряжений, близких по величине к выходному напряжению.

Сравнение трех типов схем

Эффективность этих схем можно определить как отношение выходной мощности к мощности источника питания. По этой формуле можно рассчитать "мгновенную" эффективность энергоснабжения в определённых условиях.

Рис. 5 и 6 показывают результаты экспериментов по определению эффективности с тремя видами устройств. На обоих рисунках приведены данные, полученные при использовании импульсного преобразователя энергии TC105, стабилизатора TC1185 и преобразователя с переносом заряда TC7662A производства Microchip Technology. TC105 является понижающим импульсным DC/DC инвертором, который обеспечивает выходной ток величиной до 1А. Это устройство обычно работает в режиме широтно-импульсной модуляции, но автоматически переключается на режим частотно-импульсной модуляции при низких выходных нагрузках, чтобы повысить КПД. TC7662A преобразует напряжения 3 - 18 В в отрицательное: -3 - -18 В. Это устройство имеет встроенный генератор и может обеспечивать выходные токи величиной до 40 мА. Стабилизатор TC1185 разработан на базе КМОП-структур, чтобы уменьшить собственный ток, увеличив тем самым КПД. Устройство стабильно при использовании выходного конденсатора с ёмкостью, равной 1 мкФ, и может обеспечить максимальный выходной ток величиной до 150 мА.

Рисунок 5. Различие кривых отношения КПД к входному напряжению для схем импульсного преобразователя, стабилизатора LDO и преобразователя с переносом заряда указывает на то, что импульсный преобразователь является самым эффективным устройством в тех случаях, когда напряжение источника питания динамично. Стабилизатор LDO является наименее эффективной схемой, с убывающей линейной зависимостью КПД относительно напряжения источника питания

На рис. 5 характеристики КПД трёх этих устройств вычерчены относительно напряжения источника питания. Импульсный преобразователь TC105 является лучшим среди них, с небольшим отрывом от схемы с переносом заряда TC7662A, занимающей второе место. Важно отметить, что преобразователь с переносом заряда не стабилизирован, так что его кривые КПД могут ввести в заблуждение. Если оценить стабилизированный преобразователь с переносом заряда при тех же условиях, то кривая КПД относительно напряжения источника питания будет понижаться при повышении напряжения. В отличие от него, КПД стабилизатора LDO TC1185 линейно ухудшается при увеличении входного напряжения.

КПД тех же самых устройств оценивается относительно выходного тока на рис. 6. Видно, что импульсный преобразователь энергии очень эффективен в широком диапазоне нагрузочных токов, а также в широком диапазоне входных напряжений. Для тех задач, где входное напряжение значительно изменяется и где требуется выходной ток более 100 мА, импульсный преобразователь энергии является, безусловно, лучшим по эффективности.

Рисунок 6. Различие кривых отношения КПД к выходному току для схем импульсного преобразователя, стабилизатора LDO и преобразователя с переносом заряда показывает, что оптимальное решение диктуется условиями конкретной системы

Лучшее решение для систем с батарейным питанием

Типичной задачей для ИС, описанных выше, является система с питанием от батарей. Рассмотрим типичную задачу, в которой используется один перезаряжаемый Li-Ion элемент, и где требуется выходное напряжение, равное 1,8 В, и выходной ток от 0 до 300 мА. Номинальное напряжение элемента Li-Ion равно 3,6 В, с диапазоном выходных напряжений от 2,8 до 4,2 В. Оценим эффективность использования импульсного преобразователя энергии TC105, схемы с переносом заряда TC7662A и стабилизатора LDO TC1185 для данной задачи.

Cхема с переносом заряда - наименее подходящее устройство для данной задачи главным образом потому, что является инвертирующим устройством. Хотя это и решающее ограничение, также имеются и другие проблемы. Как показано на рис. 6, характеристика кпд относительно тока оптимальна только для выходных токов в диапазоне от 1 до 10 мА. И хотя такое решение является довольно экономичным, потому что единственными необходимыми дополнительными элементами являются конденсаторы, эффективность этого типа устройств не подходит для данной задачи.

Возможное решение - это стабилизатор LDO. Применение TC1185 в схеме не вызывает трудностей благодаря небольшой стоимости внешних элементов. Хотя его можно использовать для данной задачи, его характеристика КПД относительно напряжения источника питания не так оптимальна, как в других вариантах. Поскольку у батареи большой диапазон выходных напряжений, при использовании стабилизатора LDO потребуется чаще заряжать батарею, чем при использовании импульсного преобразователя энергии. Действительно, рассеяние мощности стабилизатора в целом составляет 240 мВт, когда входное напряжение равно 4,2 В, а выходной ток нагрузки равен 100 мА.

Импульсный преобразователь энергии является лучшим выбором для данного применения. TC105 может без труда обеспечить выходное напряжение, равное 1,8 В, с хорошей стабилизацией. Показатель отношения КПД к напряжению источника питания этого устройства довольно высок и равен приблизительно 90% во всём диапазоне напряжений источника питания, как показано на рис. 5. Отношение КПД к выходному току не является высшим для всех значений тока, но остаётся лучшим выбором для всего диапазона выходных токов.

Какая система управления режимом электропитания подходит для конкретной задачи?

Для систем с широким диапазоном напряжений источника питания импульсный преобразователь энергии является, безусловно, лучшим выбором. Если система работает с небольшим диапазоном низких выходных токов, то схема с переносом заряда может обеспечить лучшую эффективность. И, наконец, если система требует хорошего стабилизированного выхода с низким падением напряжения на управляющем элементе, а рассеяние мощности регулируется, то хорошие результаты обеспечит стабилизатор LDO.