Функциональные особенности микросхемы:

• Эффективный синхронный повышающий преобразователь с КПД 96%
• Выходное напряжение остается регулируемым, когда входное напряжение начинает превышать выходное
• Типовой ток потребления в ждущем режиме 25 µA
• Диапазон входных напряжений от 0.9 до 6.5V
• Есть варианты микросхем на фиксированное и настраиваемое выходное напряжение до 5.5V
• Есть режим экономии питания (Power Save Mode) для повышенной эффективности при малой выходной мощности
• Компаратор определения разряженного состояния батареи (Low Battery Comparator)
• Низкий уровень помех (интегрирован специальный ключ с устранением звона, Anti-ringing Switch)
• Отключение нагрузки в режиме "выключено"
• Защите от перегрева
• Маленький корпус VSON-10 размером 3 x 3 мм

Основные сферы применения:

• Все переносные устройства с питанием от батареек (от одной, двух, трех щелочных, NiCd или NiMH, или от одного элемента Li-Ion или Li-Polymer).
• Портативные плееры музыки.
• Наладонники (PDA).
• Сотовые телефоны.
• Персональные медицинские устройства.
• Светодиодные лампы-вспышки для фотокамер.

Микросхемы семейства TPS6102x предназначены для организации питания переносных устройств, которые должны работать от одной, двух, трех щелочных, NiCd или NiMH батареек, или от одного элемента Li-Ion или Li-Polymer. Выходные токи при питании от одной щелочной батарейки (1.5V) могут достигать до 200 mA, и батарейка при этом может разряжаться до 0.9V. Устройство может также генерировать 5V при 500 mA от напряжения 3.3V или от одного элемента Li-Ion. Повышающий преобразователь основан на контроллере ШИМ (PWM) фиксированной частоты, с использованием синхронного выпрямителя, чтобы достичь максимальной эффективности.

При малых токах нагрузки преобразователь входит в режим экономии мощности (power save mode, PSM), благодаря чему сохраняется высокая эффективность работы в широком диапазоне потребляемых токов нагрузки. Режим PSM можно запретить, принуждая преобразователь работать на фиксированной частоте переключения. Максимальный пиковый ток повышающего преобразователя ограничен значением 800, 1500 или 1800 mA в зависимости от версии устройства (см. таблицу сравнения устройств ниже).

Примечания:

(1) Свяжитесь с заводом-изготовителем, чтобы проверить доступность версий с фиксированным выходным напряжением.
(2) DRC-корпус доступен в ленте и линейках. При заказе добавьте суффикс R к типу устройства (например TPS61020DRCR), чтобы заказывать партию 3000 микросхем в линейке. Добавьте суффикс T к типу устройства (TPS61020DRCT), чтобы заказать партию с 250 микросхемами в линейке.

Выходное напряжение TPS6102x все еще остается регулируемым, даже когда входное напряжение начинает превышать номинальное выходное напряжение. Уровень выходного напряжения можно программировать внешним делителем напряжения на резисторах, или уровень может быть фиксированным (в зависимости от модели микросхемы). Преобразователь может быть запрещен для минимизации потребления тока от батареи. В состоянии "выключено" нагрузка полностью отключается от батареи. Реализован режим малого уровня помех (low-EMI mode) для уменьшения звона электромагнитного излучения, когда преобразователь входит в режим прерывания подключения (discontinuous conduction mode). Микросхема поставляется в миниатюрном 10-выводном корпусе VSON PowerPAD™ размером 3 x 3 мм, с теплоотводящей контактной площадкой на донце.

[Цоколевка корпуса и назначение выводов]

[Подробное описание]

TPS6102x основан на ШИМ-контроллере, работающем с фиксированной частотой, и синхронном выпрямителе, чтобы достичь максимальной эффективности. Входное, выходное напряжение, и падение напряжения на ключе NMOS отслеживается и передается в регулятор. Таким образом, изменения рабочих условий преобразователя непосредственно влияют на скважность импульсов ШИМ. При малых токах нагрузки преобразователь входит в режим экономии энергии (Power Save Mode, PSM), чтобы обеспечить эффективную работу в широких диапазонах изменения нагрузки. Этот режим можно запретить, при этом преобразователь будет принудительно работать на фиксированной частоте переключения.

[Функциональная блок-схема]

Блок контроллера. Схема контроллера основана на топологии множественных обратных связей (multiple feed forward). Напряжения на входе, выходе и падение напряжения на ключе NMOS отслеживаются, и эта информация перенаправляется в регулятор. Поэтому изменения рабочих условий регулятора немедленно отражаются на скважности ШИМ, не проходя через косвенный и долгий путь через петлю обратной связи управления и усилитель ошибки. Петля обратной связи, определяемая усилителем ошибки, отвечает только за обработку малых изменений сигнала ошибки. На вход усилителя ошибки подается напряжение обратной связи на вывод FB, или если микросхема версии с фиксированным напряжением, напряжение от внутреннего резисторного делителя. Это напряжение сравнивается с внутренним опорным напряжением, чтобы генерировать точное и стабильное выходное напряжение.

Пиковый ток через ключ NMOS также отслеживается, чтобы ограничить максимальный ток через ключ и индуктивность. Внутренний датчик температуры предотвращает перегрев микросхемы, когда на ней рассеивается чрезмерная мощность.

Синхронный выпрямитель. В микросхему интегрирован синхронный выпрямитель на N- и P-канальных транзисторах MOSFET. Из-за того, что обычно используемый выпрямитель на диоде Шоттки заменен низкоомными каналами сток-исток ключа PMOS, общий КПД преобразователя достигает 96%. Чтобы избежать смещения уровня земли из-за больших токов ключа NMOS, используются два раздельных вывода для подключения земли. Опорным уровнем для всех функций управления служит шина земли (GND). Исток ключа NMOS подключен к PGND. Обе земли должны подключаться друг к другу на печатной плате только в одной точке, максимально близко к выводу GND. Применяется специальная схема для отключения нагрузки от входа, когда преобразователь выключен. В обычных схемах синхронных выпрямителей обратный диод затвора верхнего транзистора PMOS смещен в прямом направлении в состоянии выключено, что позволяет течь току от батареи на выход. Однако эта микросхема использует специальную схему, которая берет катод обратного диода затвора верхнего транзистора PMOS и отключает его от источника, когда работа регулятора запрещена (EN = low).

Достоинство такого решения в том, что разработчик системы, работающей от батареи, избавлен от проблемы разряда батареи, когда конвертер выключен. Не требуются добавлять никакие дополнительные компоненты в дизайн, чтобы гарантировать отключение батареи от выхода преобразователя.

Регулировка вниз. Обычно повышающие преобразователи регулируют выходное напряжение только тогда, когда оно выше, чем входное. Микросхема TPS6102x работает по-другому. Например, она может регулировать 3.0 на выходе, когда входное напряжение поставляется от двух свежих щелочных (alkaline) батареек, которые дают входное напряжение 3.2V. Другой пример - питание светодиодов (LED) прямым напряжением 3.6V от полностью заряженной Li-Ion банки с выходным напряжением 4.2V. Чтобы правильно управлять напряжением в таких ситуациях, в TPS6102x реализован понижающий режим регулирования.

Если входное напряжение достигает или превышает выходное, преобразователь меняет свой режим работы. При этом схема управления меняет поведением выпрямляющих транзисторов PMOS. Она устанавливает падение напряжения на PMOS достаточно высоким для регулирования выходного напряжения. Это означает, что потери мощности в преобразователе повышаются. Это нужно учитывать при расчете нагрева микросхемы. Режим преобразования вниз автоматически выключается, как только входное напряжение упадет на напряжение около 50 mV ниже выходного напряжения. Для правильной работы регулирования вниз выходное напряжение не должно быть запрограммировано на уровень меньше 50% от максимального входного напряжения, которое может быть подано.

Device Enable. Микросхема переходит в рабочий режим, когда на входе EN высокий уровень. Она переходит в режим "выключено" (shutdown mode), когда уровень EN притянут к GND. В shutdown mode регулятор прекращает переключения, все внутренние схемы управления выключаются, в том числе и компаратор детектирования разряженной батареи (low-battery comparator), и нагрузка изолируется от входа преобразователя (т. е. от батареи, как это описано в секции, посвященной синхронному выпрямителю). Это также означает, что выходное напряжение в состоянии "выключено" может упасть ниже входного. При старте преобразователя скважность переключения и пиковый ток ограничиваются, чтобы уменьшить импульс тока, потребляемый от батареи при включении.

Undervoltage Lockout. Функция блокировки при пониженном напряжении (Undervoltage Lockout) предотвращает запуск устройства, если напряжение питания на VBAT меньше приблизительно 0.8V. Когда система работает, и батарея разрядилась, устройство автоматически войдет в режим "выключено" (shutdown mode), если напряжение на VBAT упадет ниже примерно 0.8V. Эта функция реализована для того, чтобы предотвратить случаи неправильного функционирования преобразователя.

Мягкий старт и защита от короткого замыкания. Когда работа микросхемы разрешается, начинается первый внутренний шаг запуска - фаза предзаряда (precharge phase). Во время предзаряда ключ выпрямителя замкнут, пока выходной конденсатор в нагрузке не зарядится до уровня, близкого к значению входного напряжения. Во время этой фазы ток через выпрямляющий ключ ограничен. Этот ток ограничения увеличивается с ростом выходного напряжения. Эта схема также ограничивает выходной ток при коротком замыкании на выходе. Рис. 12 показывает типовую зависимость тока предзаряда (precharge current) от выходного напряжения для определенных входных напряжений:

Рис. 12. Токи предзаряда и короткого замыкания.

После того, как выходной конденсатор зарядится до входного напряжения, микросхема начнет управлять переключениями. Если входное напряжение ниже 1.4V, то микросхема работает с фиксированной скважностью 50%, пока выходное напряжение не достигнет 1.4V. После этого скважность устанавливается в зависимости от соотношения уровней входного и выходного напряжений. До тех пор, пока выходное напряжение не достигнет номинального значения, ограничение тока через ключ повышающего преобразователя устанавливается на 40% от своего номинального значения, чтобы предотвратить высокие пиковые токи от батареи при включении. Как только выходное напряжение достигнет своего уровня, регулятор получает полный контроль и ограничение тока ключа обратно устанавливается на 100%.

Схема детектора разряженного состояния батареи (LBI/LBO). Low Battery Detector (выводы LBI/LBO) обычно используется для мониторинга напряжения батареи и генерации флага ошибки, когда напряжение батареи упадет ниже установленного пользователем порога. Эта функция активна только когда работа микросхемы разрешена. Когда она запрещена, выход LBO находится в состоянии высокого сопротивления. Порог срабатывания на LBI составляет 500 mV. Во время нормального функционирования LBO остается в высоком сопротивлении, когда напряжение, поступающее на LBI, выше этого порога. LBO активируется и переходит в лог. 0, когда уровень на LBI становится ниже 500 mV.

Напряжение батареи, на котором схема детектора срабатывает, можно запрограммировать резистивным делителем, подключенным к выводу LBI. Резистивный делитель масштабирует вниз напряжение батареи до уровня 500 mV, который сравнивается с пороговым напряжением LBI. Вход LBI имеет встроенный гистерезис 10 mV. См. секцию с описанием практического применения для дополнительной информации по программированию порога LBI. Если схема детектирования низкого уровня батареи не используется, то вывод LBI должен быть подключен к GND (или к VBAT), и вывод LBO можно оставить не подключенным. Не оставляйте вывод LBI без подключения к чему-либо.

Low-EMI Switch. В микросхеме интегрирован узел, который удаляет звон, обычно появляющийся на цепи SW, когда преобразователь входит в режим прерывания тока (discontinuous current mode). В этом случае ток через индуктивность падает до нуля, и выпрямляющий ключ PMOS выключается, чтобы предотвратить обратный ток, протекающий от выходного конденсатора обратно в батарею. Из-за того, что есть оставшаяся энергия, которая сохраняется в паразитных компонентах деталей и индуктивности, генерируется звон на выводе SW. Интегрированный антизвоновый ключ притягивает это напряжение к VBAT, тем самым подавляя звон.

Режим экономии энергии (Power Save Mode, PSM). Вывод PS может использоваться для выбора разных режимов работы. Чтобы разрешить экономию энергии, PS должен быть установлен в низкий уровень. Этот режим используется для повышения эффективности работы при легкой нагрузке. В режиме экономии преобразователь работает только когда выходное напряжение падает ниже установленного порога. Это приводит к подъему выходного напряжения с одним или несколькими импульсами, после чего микросхема снова входит в режим экономии энергии, пока выходное напряжение превышает пороговое напряжение. Этот режим можно запретить, установкой уровня PS на VBAT. В режиме преобразования вниз режим экономии энергии всегда активен, и микросхема не может быть переведена в переключение с фиксированной частотой на легкой нагрузке.

Программирование выходного напряжения. Выходное напряжение TPS61020 DC-DC можно подстроить внешним резисторным делителем. Типовое значение напряжение на выводе составляет 500 mV. Максимальное рекомендуемое значение выходного напряжения составляет 5.5V. Ток через резистивный делитель должен быть примерно в 100 раз больше, чем ток вывода FB. Типовой ток вывода FB около 0.01 µA, и напряжение на R4 обычно 500 mV. На основе этих двух значений рекомендуемое значение R4 должно быть меньше 500 kΩ, чтобы ток делителя был 1 µA или больше. Из-за наличия внутренней схемы компенсации значение этого резистора должно быть в диапазоне 200 kΩ. Отсюда значение резистора R3 для необходимого выходного напряжения (VO) можно вычислить по Формуле 1:

[Формула 1]

Если например выходное напряжение должно быть 3.3V, то для R3 должен быть выбран резистор 1.0 MΩ (см. рис. 1 и 11). Если по любой причине значение выбранного резистора R4 значительно ниже 200 kΩ, то рекомендуется параллельно резистору R3 подключить конденсатор, потому что микросхема иногда в таких условиях показывает нестабильное регулирования выходного напряжения. Требуемое значение емкости конденсатора можно вычислить по Формуле 2:

[Формула 2]

Программирование порога детектора разряда батареи LBI/LBO. Ток через резистивный делитель должен быть примерно в 100 раз больше тока вывода LBI. Типовой ток в вывод LBI составляет 0.01 µA, и напряжение срабатывания на R2 равно пороговому напряжению LBI, генерируемому внутри микросхемы, которое равно 500 mV. Таким образом, рекомендуемое значение для R2 должно быть в диапазоне 500 kΩ. Следовательно значение R1, в зависимости от желаемого минимального напряжения батареи VBAT, можно вычислить по формуле 3.

[Формула 3]

Выход схемы контроля за разрядом батареи это простой открытый сток, который замыкается на GND, когда напряжение батареи падает ниже запрограммированного порога на выводе LBI. На выходе LBO нужен верхний подтягивающий резистор с рекомендуемым значением 1 MΩ. Если вывод LBO не используется, то он может быть оставленным без подключения или замкнут на GND.

[Указания по практическому применению]

Микросхемы TPS6102x разработаны для работы от входного напряжения питания между 0.9V (когда батарея разрядилась от 1.2V) и 6.5V с максимальным ограниченным током до 1.8 A (зависит от типа микросхемы). Устройства работают в режиме ШИМ для средней или высокой нагрузки, и в режиме экономии энергии при слабой нагрузке. В режиме ШИМ преобразователь TPS6102x обычно работает на частоте 600 кГц. Когда ток нагрузки снизился, преобразователь входит в режим экономии энергии, снижая частоту переключения и минимизируя ток потребления микросхемы, чтобы достичь высокой эффективности во всем диапазоне нагрузок. Режим экономии энергии можно запретить, когда на вывод PS подан высокий уровень, принуждая преобразователь работать на фиксированной частоте.

На рис. 13 показано типовое приложение TPS6102x с входным диапазоном напряжений от 1.2V до 6.5V и выходным током 800 mA.

Рис. 13. Типовая практическая схема повышающего преобразователя с возможностью подстройки выходного напряжения.

DC-DC преобразователи TPS6102x предназначены для систем, получающих питание от одной до трех щелочных, NiCd, NiMH батареек с типичным предельным входным напряжением от 0.9V до 6.5V. TPS6102x также могут использоваться в системах, которые питаются от однобаночной Li-Ion или Li-Polymer батареи с напряжением между 2.5V и 4.2V. Может использоваться любой другой источник напряжения с типичным выходным напряжением между 0.9V и 6.5V в системах, где используется TPS6102x.

Выбор индуктивности. Повышающий преобразователь обычно требует два основных пассивных компонента для накопления энергии в процессе преобразования. На выходе нужны повышающая напряжение индуктивность и накопительный конденсатор. Для выбора индуктивности рекомендуется ограничивать предельный пиковый ток силового ключа в выбранной конфигурации. Например, порог ограничения тока TPS61029 равен 1800 mA при выходном напряжении 5V. Самый большой пиковый ток через индуктивность и ключ зависит от выходной нагрузки, входного напряжения (VBAT) и выходного напряжения (VOUT). Оценить максимальный средний ток через индуктивность можно по формуле 4:

[Формула 4]

Например, для выходного тока 200 mA при 3.3V, через индуктивность будет течь как минимум средний ток 920 mA при минимальном входном напряжении 0.9V.

Второй параметр для выбора индуктивности - желаемые пульсации тока в индуктивности. Обычно желательно работать с пульсациями тока меньше 20% от среднего тока индуктивности. Меньшая величина пульсаций снижает потери магнитного гистерезиса индуктивности, а также снижает пульсации напряжения на выходе и излучение электромагнитных помех (EMI). Но при этом время регулирования при изменении тока нагрузки увеличивается. Дополнительно повышенное значение индуктивности повышает общую стоимость системы. С этими параметрами можно вычислить значение индуктивности по формуле 5:

[Формула 5]

Параметр f это частота переключения, и ΔIL это ток пульсации в индуктивности, например 20% × IL. В этом примере желаемая величина индуктивности 5.5 µH. С этой вычисленной величиной и вычисленными токами можно выбрать подходящую индуктивность. В типовом применении рекомендуется индуктивность 6.8 µH. Микросхема оптимизирована для работы с индуктивностями в диапазоне между 2.2 µH и 22 µH. Тем не менее в некоторых приложениях может использоваться индуктивность с более высоким значением, в этом случае рекомендуется провести анализ стабильности работы. Следует обратить внимание на то, что изменения нагрузки и потери в схеме могут привести к повышенным токам, которые оцениваются по формуле 5. Также потери в индуктивности происходят из-за потерь на магнитный гистерезис и потери в меди, это основные параметры, которые влияют на общую эффективность схемы.

С преобразователями TPS6102x используются индуктивности следующих серий:

Таблица 2. Список типов индуктивностей.

Выбор входного конденсатора. Рекомендуется ставить на входе конденсатор как минимум 10 µF, чтобы улучшить поведение регулятора при переходных процессах и снизить помехи EMI общей системы питания. Параллельно рекомендуется подключить керамический или танталовый конденсатор 100 nF, размещенный вблизи IC.

Выбор выходного конденсатора. Главный параметр для определения выходного конденсатора - максимально допустимые пульсации выходного напряжения конвертера. Эти пульсации определяются двумя параметрами конденсатора, емкостью и внутренним сопротивлением потерь (ESR). Минимальную необходимую емкость конденсатора для заданных пульсаций (принимая, что ESR близки к нулю), можно вычислить по формуле 6:

[Формула 6]

Параметр f это частота переключения, и ΔV это максимально допустимые пульсации. При выбранном уровне пульсаций 10 mV должен использоваться конденсатор с минимальной емкостью 24 µF. Общие пульсации будут выше из-за ESR выходного конденсатора. Этот дополнительный компонент пульсация можно вычислить по формуле 7:

[Формула 7]

Дополнительные пульсации 16 mV появляются из-за того, что используемый танталовый конденсатор имеет низкое ESR 80 mΩ. Общие пульсации будут суммой шумов формул 6 и 7, в этом примере это получится 26 mV. Дополнительные пульсации также вызваны изменениями нагрузки. Это означает, что выходной конденсатор должен предоставить полный ток в нагрузку во время фазы накачки индуктивности. Разумное значение выходной емкости зависит от скорости изменений нагрузки и тока нагрузки во время изменений на выходе. С вычисленным минимальным значением 24 µF и принятыми условиями переходных процессов рекомендуемая выходная емкость должна быть в диапазоне от 47 до 100 µF. По экономическим причинам это обычно танталовый конденсатор. Таким образом, петля управления оптимизирована для использования выходных конденсаторов с ESR выше 30 mΩ. Дополнительно должен быть добавлен выходной керамический конденсатор 2.2 µF, подключенный параллельно танталовому выходному конденсатору.

Микросхема не была рассчитана на работу только с керамическими емкостями, если не добавлен последовательный резистор с керамическим конденсатором, чтобы иммитировать требуемую величину. Слишком малое ESR емкости на выходе приведет к нестабильной работе преобразователя.

Если источник питания размещен на расстоянии больше нескольких дюймов от устройства, может потребоваться дополнительный конденсатор в дополнение к керамическим блокировочным конденсаторам. Типичный выбор - электролитический или танталовый конденсатор на 47 μF.

[Рекомендации по разводке печатной платы]

Для всех импульсных источников питания очень важна разводка печатной платы, особенно из-за больших импульсных токов и высоких частот переключения. Если плата спроектирована неправильно, то регулятор будет показывать проблемное поведение и давать повышенный уровень помех (EMI). Таким образом, используйте в разводке широкие и короткие проводники для главных путей распространения тока и для общей шины питания. Используйте отдельный узел земли для цепи питания и отдельную землю для управления, чтобы минимизировать эффекты влияния шумов по шине земли. Соединяйте эти два узла в одном месте, максимально близко к выводам земли микросхемы. Большинство критических путей распространения тока для всех повышающих преобразователей проходят через переключающие транзисторы FET, транзисторы FET синхронного выпрямителя, выходные конденсаторы, и обратно в землю через ключевой транзистор FET. Таким образом, оба входных конденсатора и их соединительные проводники должны размещаться в том же слое печатной платы, что и микросхема, как можно ближе к её выводам VOUT и PGND. Особенно на выходных напряжениях выше 4.5V добавление RC-демпфера (snubber) от вывода SW к выводу PGND может помочь в дополнительном уменьшении паразитной индуктивности, ухудшающей критический путь тока. См. указания по применению SLVA255 для дополнительной информации по реализации демпфера. Кроме того, входной конденсатор должен быть размещен как можно ближе между выводами VBAT и PGND микросхемы. Размещение индуктивности близко к выводу SW с соединением её широким и короткими трассами поможет повысить эффективность и минимизировать EMI. Чтобы развести землю цепи управления также рекомендуется использовать короткие проводники, отделенные от проводников земли мощного питания. Это позволит избежать смещения уровня земли, который может возникнуть из-за сложения мощных токов земли и тока управления. Ниже на рисунке показан рекомендуемый образец разводки.

Рис. 28. Рекомендуемая разводка печатной платы.

[Охлаждение]

Реализация низкопрофильных интегральных схем в корпусах поверхностного монтажа с близко расположенными выводами требует особого внимания к рассеиванию тепла. Улучшение качества охлаждения можно достичь за счет за счет правильной разработки печатной платы, специального монтажа компонентов на плате и организации потока воздуха в системе.

Максимальная рекомендованная температура кристалла (junction temperature, TJ) для микросхем TPS6102x составляет 125°C. Термосопротивление 10-выводного корпуса VSON 3 × 3 мм (DRC) RΘJA = 47.2°C/W, если используется пайка площадки PowerPAD. Указанная работа регулятора гарантируется при максимальной температуре окружающего воздуха (ambient temperature, TA) 85°C. Таким образом, максимальная рассеиваемая мощность составляет около 847 mW. Большая мощность может рассеиваться, если ниже максимальная окружающая температура.

[Формула 8]

[Ссылки]

1. TPS6102x Boost Converter Down Conversion Mode site:ti.com.