Импульсные бездроссельные стабилизаторы избавляют от необходимости использовать дорогостоящие внешние компоненты


PDF версия

Традиционно для источников питания используются дроссельные импульсные стабилизаторы (ИС). В настоящее время для преодоления некоторых ограничений, испытываемых встраиваемыми дроссельными импульсными стабилизаторами, в малопотребляющих и высокоинтегрированных электронных системах стали использоваться бездроссельные архитектуры. В этой статье проводится качественное и количественное сравнение между обоими типами импульсных стабилизаторов по таким параметрам как стоимость реализации (список расходуемых материалов и количество выводов) и рабочие параметры (КПД, шум и надёжность). Статья представляет собой перевод [1].


Стоимость реализации и список расходуемых материалов

Наиболее существенными ограничениями для дроссельных стабилизаторов (см. рис. 1) являются стоимость и размер дросселей. Во многих случаях эти ограничения являются определяющими при разработке встраиваемых решений. Для того чтобы их преодолеть, приходится выбирать недорогие дроссели, которые рассеивают больше мощности, что приводит к ухудшению КПД. Например, ИС дроссельного типа может терять до 10% КПД, если в нем используется недорогой дроссель вместо дросселя с низким ESR (Equivalent Serial Resistance — эквивалетным последовательным сопротивлением). В результате основное преимущество этих стабилизаторов нивелируется.

                                а)                             б)
Рис. 1. Типовые повышающий (а) и понижающий (б) дроссельные импульсные стабилизаторы

С другой стороны, в бездроссельных ИС (см. рис. 2) используются только один или два небольших и недорогих керамических конденсатора (Cf1 and Cf2) вместо дорогостоящего дросселя. На самом деле для конкретного вых одного конденсатора дроссель ИС примерно в 5—10 раз дороже, чем конденсаторы бездроссельного стабилизатора, и занимают настолько же меньшее место.
При небольшом токе (<25 мА) можно даже установить эти конденсаторы на подходящей площадке кристалла, что позволяет создать встраиваемое решение для эффективного преобразования напряжения. Кроме того, стабилизатору в этом случае требуется только один внешний выходной конденсатор.
Опубликованные исследования встраиваемых дроссельных импульсных стабилизаторов с интегрированными дросселями ясно показывают, что для устройств этого типа необходимы очень высокие частоты переключения. Это требование весьма непривлекательно из-за низкого КПД, большого размера кристалла и требований со стороны технологии изготовления кристалла.
Следует заметить, что обычно для компенсации сопряженного полюса, образованного LC-фильтром (дросселем и выходным конденсатором) ИС дроссельного типа, необходимы внешние пассивные компоненты для обеспечения устойчивости регулировочной петли и оптимальных рабочих характеристик. Для бездроссельных стабилизаторов такая компенсация не требуется, что еще больше снижает стоимость пассивных компонентов.
Количество требуемых выводов может оказаться основным недостатком бездроссельного метода. Из рисунков 1 и 2 видно, что у дроссельных ИС четыре вывода (VIN, VOUT, VX и GND), тогда как у бездроссельных устройств: 3—7 выводов (VIN, VOUT, Cf11, Cf12, Cf21, Cf22 и GND), в зависимости от величины выходного тока и соотношения между VIN и VOUT.

                                а)                             б)
Рис. 2. Типовые бездроссельный импульсный стабилизатор (а) и бездроссельный импульсный стабилизатор (б) с навесными конденсаторами (б)

Кроме того, для дополнительных внешних компонентов схемы компенсации в дроссельных решениях обычно требуются два вывода. Таким образом, для дроссельного типа требуются 4—6 выводов, а для бездроссельного — 3—7.

Рабочие характеристики и КПД

Известно, что бездроссельные ИС, или преобразователи с подкачкой зарядов, имеют меньший КПД, чем дроссельные аналоги, регулирующие входное напряжение. Однако у используемых в настоящее время многорежимных бездроссельных ИС в стандартном диапазоне напряжения батарей КПД в среднем такой же, как и у дроссельных ИС.
В преобразователях с подкачкой зарядов применяется несколько топологий для создания требуемых коэффициентов преобразования. Например, в бездроссельном ИС с двумя навесными конденсаторами для разных режимов переключения используются 11 коэффициентов преобразования Кпр: 4/1, 3/1, 2/1, 3/2, 4/3, 1, 3/4, 2/3, 1/2, 1/3 и 1/4. В настоящее время на рынке предлагаются бездроссельные ИС, в которых выбор коэффициента выполняется автоматически. Поскольку КПД определяется как ε = VOUT/(VIN∙Кпр), то, меняя значения VIN и VOUT, можно автоматически выбирать требуемый коэффициент преобразования так, чтобы КПД был максимально большим в соответствии с рабочей точкой VIN/VOUT. Например, на рисунке 3 показано, как меняется КПД двух бездроссельных ИС с двумя навесными конденсаторами в диапазоне напряжений 2,6…5,5 В.

Рис. 3. КПД в зависимости от входного напряжения бездроссельного ИС

Видно, что у такого решения среднее значение КПД больше 80% во всем диапазоне входного напряжения, полностью совпадающем с диапазоном ИС дроссельного типа. Кроме того, работа с фиксированным значением коэффициента преобразования при VIN = 5 В и VOUT = 3,3 В обеспечивает КПД равный 85%.
Поскольку портативные электронные системы работают в нескольких режимах, сама система и ее блоки могут потреблять существенно разные токи. ИС, обеспечивающие питание этих блоков, должны функционировать и иметь высокий КПД во всем диапазоне выходного тока. Следовательно, другим важным вопросом является то, как меняется КПД в зависимости от тока нагрузки ИС. В большинстве импульсных стабилизаторов дроссельного типа используется регулировочная петля ШИМ. Такой подход обеспечивает высокий КПД при максимальной нагрузке, который, однако, быстро уменьшается при ее снижении. 
На рисунке 4 изображена кривая типичной зависимости КПД от тока нагрузки в ИС дроссельного типа с ШИМ-регуляцией. Видно, что КПД быстро падает при уменьшении нагрузки. Для того чтобы этого не происходило, в дроссельных ИС часто применяется регулировочная схема с частотно-импульсной модуляцией (Pulse Frequency Modulation) или с модуляцией с пропуском импульсов (Pulse Skipping Modulation). Однако недостаток этих схем — в существенном ухудшении качества регулирования и в значительном увеличении собственного выходного шума (см. следующий раздел).
Из рисунка 4 видно, как ESR дросселя влияет на максимально достигаемый КПД. Для того чтобы реализовать значения КПД, указанные в технических описаниях поставщиков ИС дроссельного типа, необходимо использовать дроссели с очень низким ESR, какими бы большими и дорогостоящими они ни были. Инженерам часто приходится выбирать недорогие дроссели, сообразуясь с ценовыми ограничениями. Следовательно, у ИС дроссельного типа часто среднее значение КПД находится в диапазоне 80…85% при значениях выходного тока 10…100% от IOUT (см. рис. 4). Реальное среднее значение КПД ИС дроссельного типа снижается до такого уровня, при котором размер и стоимость даже недорогого дросселя не оправдываются по сравнению с меньшими и недорогими керамическими конденсаторами, используемыми в бездроссельных ИС.

Рис. 4. Типичная кривая зависимости КПД от нагрузки для ИС дроссельного типа с ШИМ (а) и для бездроссельного типа компании DOLPHIN (б) при VIN = 3,3 В и VOUT = 1,8 В

У бездроссельных импульсных стабилизаторов КПД также снижается при меньших нагрузках, однако в ряде компонентов, например компании DOLPHIN Integration, применяется инновационная схема регулировки, которая позволяет снизить потери мощности ИС при уменьшении нагрузки и сохранить оптимальное значение КПД для более чем 99% значений тока нагрузки (см. рис. 4) без ухудшения параметров стабилизации и шума.
Из рисунков 3 и 4 видно, что выбор ИС на основе его КПД должен осуществляться после выбора максимально реализуемого КПД при максимальной нагрузке. При этом необходимо учесть изменение КПД в зависимости от рабочих режимов (VIN, VOUT, IOUT, …) системы.

Амплитуда выходного шума

При разработке приложения необходимо также учесть шум со стороны цепи питания. Этот шум источника напряжения, поступающий через стабилизатор, имеет две составляющие: шум PSRR (Power Supply Rejection Ratio — коэффициент подавления пульсаций напряжения питания), идущий от входа стабилизатора на его выход, и собственный шум, производимый стабилизатором. До тех пор пока у дроссельного и бездроссельного ИС достаточно широкий спектр сигнала и большой коэффициент усиления, значение PSRR велико. Однако из-за импульсной природы этих стабилизаторов их собственный шум больше по сравнению с другими источниками шума. Таким образом, следует выбирать ИС, у которого этот показатель минимален.
На рисунке 5 представлена частотная зависимость собственного шума (включая фликкер-шум и тепловой шум, а также пульсацию выходного сигнала) для обоих типов ИС. У обоих ИС на выходе имеется шум при частоте переключения fsw и его составляющие. Если нагрузка ИС чувствительна к некоторым частотам, частоту переключения ИС необходимо выбирать вне диапазона чувствительности.

Рис. 5. Выходной шум ИС дроссельного и бездроссельного типов

У импульсного стабилизатора дроссельного типа дополнительный шум распределяется вокруг резонансной частоты
fLC = 1/(2π√LC) LC-фильтра, образованного дросселем и выходным конденсатором.
Для многих портативных приложений требуется, чтобы резонансная частота LC-фильтра находилась в диапазонах аудио- или видеочастот. Из рисунка 5 видно, что амплитуда шума такого колебательного LC-контура значительно выше амплитуды белого шума ИС и может изменить рабочие параметры чувствительной к помехам аналоговой нагрузки, например аудио­усилителя.
Снижение амплитуды собственных помех переключения достигается путем увеличения емкости выходного конденсатора, что, в свою очередь, еще значительнее меняет резонансную частоту LC-фильтра, лежащую в рабочей полосе частот аудио­усилителя.

Шум подложки

Пульсация тока представляет собой удвоенную амплитуду тока, проходящего через дроссель (см. рис. 7), и определяется как ∆IL = f(Vout∙Vin)/(L∙fSW).
Зачем понижать пульсацию тока? Это делается по трем главным причинам: снижение пульсаций выходного напряжения; снижение инжекции заряда в подложку и поддержание оптимального КПД на большем диапазоне выходного тока.
Первая причина достаточно очевидна, т.к. пульсация выходного напряжения ИС дроссельного типа пропорциональна пульсации тока дросселя.
Чтобы понять вторую причину, давайте вспомним основные принципы построения дроссельных ИС. Воспользуемся в качестве примера дроссельным понижающим ИС, заметив при этом, что изложенные ниже соображения верны и по отношению к дроссельному повышающему ИС. Известны два вида стабилизаторов (см. рис. 6): асинхронный (а) и синхронный (б). Существуют также другие типы этих устройств, созданные на основе этих двух, но их рассмотрение выходит за рамки данной статьи. Главное отличие между этими двумя видами ИС — использование в асинхронном стабилизаторе диода, проводящего ток от земляного вывода.

Рис. 6. Асинхронный и синхронный ИС дроссельного типа
Рис. 7. Характеристики синхронных ИС

Главное преимущество ИС с асинхронным выпрямителем — в их простоте. Однако у них невысокий КПД из-за того, что диод рассеивает слишком большое количество мощности. С другой стороны, чтобы получить хороший КПД у ИС с синхронным выпрямителем, оба переключателя не должны открываться одновременно. Для этого используются цепи с несовпадающей коммутацией.
Действительно, когда оба ключа закрыты, протекающий через дроссель ток создает потенциал между ними (VX на рисунке 6б), благодаря чему активируются собственные диоды переключателей и ток протекает непосредственно через подложку. В результате в ней может появиться шум и повыситься вероятность защелкивания из-за не вполне надежной топологии импульсного стабилизатора. Очевидно, чем больше ток пульсации, тем выше мгновенное значение амплитуды шума подложки, что может привести к шумящей земле. Кроме того, очень трудно оценить влияние этого шума на всю систему.
Единственный способ избежать возникновения такой проблематичной ситуации — добавить внешний диод Шоттки с низким напряжением Vth по сравнению с Vx. Этот диод устанавливается до внутренних диодов переключателей, позволяя устранить инжекцию тока. В результате перечень используемых компонентов, который и без того уже достаточно большой, увеличится, что является самым главным недостатком дроссельных ИС.
С другой стороны, единственной причиной возникновения шума, инжектируемого в подложку бездроссельными ИС, является паразитная емкостная связь. Следовательно, производимый бездроссельным ИС шум подложки не больше, чем шум, который генерирует любая цифровая схема того же размера, работающая на той же тактовой частоте. Рассматривая шум подложки, можно считать, что интеграция бездроссельного ИС не более опасна, чем блока КМОП-логики.

Шум гармоник рабочего цикла

Дроссельные ИС регулируются с помощью петли ШИМ. Это значит, что пульсация выходного напряжения меняется в зависимости от режима работы. Распределение гармоник (см. рис. 5) определено недостаточно хорошо и изменяется вместе с VIN, VOUT и IR. Бездроссельные импульсные стабилизаторы управляются не с помощью ШИМ, а за счет линейной регуляции, и поддерживают на выходе устойчивый коэффициент заполнения величиной 50%.

Электромагнитные помехи

Еще одним недостатком использования ИС дроссельного типа являются электромагнитные помехи, источником которых может стать другая часть системы. Рабочие параметры чувствительных к помехам радиочастотных или аналоговых цепей могут измениться из-за этих помех, которые очень трудно смоделировать или предсказать.
Импульсный стабилизатор может подвергнуться воздействию источника электромагнитных помех, влияющих на напряжение VOUT через дроссель. Такой источник шума тоже очень трудно смоделировать. Эти электромагнитные помехи можно нейтрализовать с помощью экранированных дросселей, что, в свою очередь, не только увеличивает список расходуемых материалов, но и стоимость устройства.

Надежность

При переключении могут возникать всплески напряжения, причиной которых является индуктивность. Ситуация осложняется в том случае, если ИС питается от напряжения большего, чем указано в спецификации (например, от 4,2-В литий-ионной батареи). Такие перенапряжения не возникают в бездроссельных импульсных стабилизаторах, которые обеспечивает большую надежность при высоких напряжениях, или же более простой способ защиты.

Заключение

В таблице 1 подводятся результаты сравнения встраиваемых импульсных стабилизаторов дроссельного и бездроссельного типов, которые используются в малопотребляющих и портативных системах с высокой степенью интеграции. Мы считаем, что бездроссельные ИС являются экономичным решением с лучшими параметрами по сравнению с дроссельными ИС для интеграции в СнК, предназначенные для переносных электронных устройств.

Табл. 1. Результаты сравнения импульсных стабилизаторов дроссельного и бездроссельного типов

 

Импульсный стабилизатор дроссельного типа

Импульсный стабилизатор бездроссельного типа

Стоимость реализации

Список расходуемых материалов

Большой и дорогостоящий дроссель + компоненты компенсационной схемы

Внешние компоненты в 10 раз меньше и дешевле. В малопотребляющих приложениях их количество может быть меньше

Количество выводов

4—6

3—7

Максимальный КПД

85% с недорогим дросселем 95% с дросселем высокого качества

92%

КПД в зависимости от Iout

Максимальный КПД в диапазоне значений Iout, превышающем 90% шкалы

Максимальный КПД в диапазоне значений Iout, превышающем 99% шкалы

Среднее значение КПД в зависимости от Vin и Vout

80…85% со стандартным дросселем 85…92% с дросселем высокого качества

80%

Площадь кристалла

Сравнимая

Рабочие характеристики

КПД в зависимости от тока нагрузки

Плохой при ШИМ. Хороший при ЧИМ; при этом серьезно ухудшаются параметры стабилизации, и увеличивается шум

Очень хороший

Шум на выходе

Пульсации при переключении + шум колебательного LC-контура в звуковой полосе частот

Только пульсации при переключении

Шум подложки

Емкостная шумовая связь при переключении силовых транзисторов. В подложку поступает постоянный ток, если не используется диод Шоттки

Емкостная шумовая связь при переключении силовых транзисторов. Шума не больше, чем в цифровых схемах

Полоса шума

ШИМ и ЧИМ генерируют шум во всем частотном диапазоне

Пульсации на постоянной частоте вне звуковой полосы

Электромагнитные помехи

Неэкранированный дроссель — хорошая антенна

Небольшие электромагнитные помехи

Надежность

Пики напряжения, вызванные индуктивностью

Пульсации выходного напряжения без заметных пиков

Литература
1. Mathieu Renaud, Yves Gagnon, Inductorless Switching Regulators eliminate costly external component.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *