Силовая электроника №3'2005

Интегральные DC-DC преобразователи напряжения компании Monolithic Power Systems

Александр Полищук


В статье рассмотрены номенклатура, характеристики и принципы построения высокоэффективных силовых интегральных микросхем для источников питания компании Monolithic Power Systems (MPS). Обоснованы преимущества применения данной продукции в изделиях при производстве OEM и ODM.


Введение

В последние годы производители электронных компонентов все чаще используют контрактное производство полупроводниковых приборов. В таких компаниях работают высококлассные специалисты — разработчики и схемотехники, а производство готовых изделий размещается на лучших мировых фабриках, оснащенных самым современным оборудованием. Это связано с очевидными преимуществами, которые получает компания-разработчик:

  • резкое снижение накладных расходов, связанных с содержанием собственного высокотехнологичного производства;
  • возможность выбора лучших контрактных производителей для обеспечения высокого качества изделий;
  • сосредоточение усилий на разработке новых изделий и технологий;
  • гарантия длительного жизненного цикла приборов;
  • высокая динамика производства, как следствие — низкие сроки поставки продукции конечным потребителям;
  • относительно низкая численность сотрудников и одновременно высокий профессиональный уровень.

Все это дает возможность значительно снизить себестоимость изделий и, как следствие, цену для конечного потребителя, обеспечивая при этом высокое качество и передовые схемотехнические решения.

Ярким примером такой компании является Monolithic Power Systems (MPS). MPS была образована в 1997 году в Санта Клара (США). В настоящее время компания насчитывает около 100 человек, среди ее инвесторов — Bank of America, Investar, Aser Venture. Являясь держателем 18 патентов в области технологий BiCMOS и DMOS, компания специализируется на разработке и контрактном производстве силовых интегральных схем для источников питания постоянного тока, твердотельных источников света, драйверов люминесцентных ламп с холодным катодом и аудиоусилителей класса D. В перспективе MPS планирует разработку интегральных контроллеров сетевых источников питания. Передовые технологические решения позволяют интегрировать на одном кристалле цифровые схемы управления, прецизионные аналоговые компоненты и силовые транзисторы и достичь высокой плотности мощности при сверхмалых размерах интегральных схем.

В данной статье будет рассмотрена линейка интегральных схем для источников питания постоянного тока.

Понижающие DC-DC преобразователи напряжения

Все микросхемы этой группы имеют интегрированные мощные ключи и упакованы в малогабаритные корпуса для поверхностного монтажа. Кроме того, конверторы имеют цепь компенсации усилителя сигнала ошибки, специально адаптированную для применения недорогих танталовых конденсаторов на выходе преобразователя напряжения.

Понижающие DC-DC преобразователи напряжения делятся на две группы: преобразователи напряжения с синхронным выпрямлением и с внешним диодом Шоттки.

Понижающие DC-DC преобразователи напряжения с синхронным выпрямлением

Номенклатура и краткие электрические характеристики микросхем первой группы приведены в таблице 1.

По уровню выходной мощности семейство преобразователей напряжения первой группы открывает микросхема MP2104. Она выпускается в трех модификациях: с регулируемым выходным напряжением (MP2104DJ), с фиксированным выходным напряжением 1,5 В (MP2104DJ-1.5) и с фиксированным выходным напряжением 1,8 В (MP2104DJ-1.8). Микросхема упакована в миниатюрный корпус SOT23-5 и обеспечивает ток нагрузки до 600 мА. Схема включения и типовой КПД преобразователя напряжения на базе MP2104DJ-1.8 показаны на рис. 1, структурная схема — на рис. 2.

Микросхема оптимизирована для построения преобразователей напряжения с питанием от одной Li-Ion-батареи, где высокая эффективность и малые габариты имеют принципиальное значение. Контроллер построен по схеме ШИМ-регулятора с постоянной частотой преобразования (1,7 МГц), ограничением тока внутри циклов и компенсацией крутизны наклона пилообразного напряжения. В преобразователе напряжения реализована функция защиты от короткого замыкания (КЗ) в нагрузке. В режиме КЗ частота преобразования уменьшается для предотвращения увеличения тока через p-канальный ключевой транзистор сверх величины тока ограничения. Ток ограничения при этом также уменьшается, что приводит к ограничению тока КЗ до безопасной величины. После устранения КЗ все режимы автоматически возвращаются в исходное состояние, как только напряжение ОС возрастет до уровня более 0,6 В.

В микросхеме имеется тепловая защита, отключающая контроллер при увеличении температуры кристалла свыше 145 °С.

Контроллеры с фиксированным выходным напряжением имеют встроенный прецизионный делитель на входе усилителя сигнала ошибки (УСО) (рис. 2). В контроллере с регулируемым выходным напряжением вход УСО выведен напрямую на вывод FB, а установка требуемого напряжения осуществляется внешним делителем.

На рис. 3 показан фрагмент печатной платы с преобразователем напряжения на базе MP2104DJ. Благодаря высокой частоте преобразования площадь компонентов на плате не превышает 1 см2

Рис. 3. Фрагмент печатной платы
Рис. 3. Фрагмент печатной платы с преобразователем напряжения на базе MP2104DJ

Модификацией предыдущей микросхемы является контроллер MP2105DJ. Он тоже имеет типовой КПД до 95% и аналогичную MP2104DJ структурную схему, но благодаря более мощным ключевым транзисторам обеспечивает выходной ток до 800 мА.

Контроллер MP2109DQ является сдвоенной версией MP2105DJ. На одном кристалле размещены два независимых канала, полностью идентичных по структуре MP2104 (рис. 2). Схема включения MP2109DQ и типовой КПД преобразователя напряжения показаны на рис. 4. Микросхема обеспечивает в каждом канале ток нагрузки до 800 мА и упакована в миниатюрный корпус для поверхностного монтажа QFN10 (3Ч3 мм), что в сочетании с высокой частотой преобразования (1,2 МГц) позволяет минимизировать площадь на печатной плате (рис. 5).

Рис. 5. Оценочная плата преобразователя MP2109DQ
Рис. 5. Оценочная плата преобразователя напряжения MP2109DQ

Линейку преобразователей напряжения повышенной мощности открывает микросхема MP1567. Она выпускается в двух вариантах корпусов для поверхностного монтажа — MSOP10 и QFN10. Схема включения и типовой КПД преобразователя напряжения на базе MP1567 показаны на рис. 6, структурная схема — на рис. 7.

Микросхема имеет два встроенных силовых транзистора с сопротивлением канала 180 мОм (n-MOSFET) и 220 мОм (p-MOSFET), что позволяет обеспечить ток нагрузки до 1,2 А. В отличие от менее мощных серий, MP1567 обеспечивает режим ограничения тока в обоих ключах в каждом цикле преобразования. Поскольку для управления верхним транзистором требуется напряжение, превышающее уровень входного, в микросхеме имеется бустерная схема питания драйвера с внутренним диодом и внешним накопительным конденсатором (C7 на рис. 7).

В контроллере предусмотрена схема плавного запуска, длительность tss которого устанавливается с помощью конденсатора C5:

С5 = 2,22ЧTSS.

В микросхеме имеется тепловая защита, отключающая контроллер при увеличении температуры кристалла свыше 160 °С, и функция отключения при пониженном входном напряжении.

Контроллер MP2106 является более мощной и высоковольтной версией MP1567. Схема включения и типовой КПД преобразователя напряжения на базе MP2106 показаны на рис. 8, его структурная схема аналогична приведенной на рис. 7. В отличие от MP1567, в данном контроллере увеличено входное напряжение до 13,5 В, а ток нагрузки — до 1,5 А.

Микросхемы MP2305 и MP1570 являются самыми мощными представителями синхронных понижающих преобразователей напряжения. Они имеют входное напряжение до 23 В и обеспечивают ток нагрузки до 2 и 3 А соответственно. Высокое входное напряжение и широкий температурный диапазон позволяет использовать эти приборы в автомобильной электронике.

Микросхемы полностью совместимы по номерам выводов и типу корпуса (SOIC-8), структурные схемы у них идентичны. Отличие их заключается в том, что у MP2305 силовые транзисторы имеют несколько меньшие площади и у корпуса отсутствует теплоотводящее основание (Power Pad), в результате чего стоимость ее на 20% ниже, чем у MP1570.

Схема включения и типовой КПД преобразователя напряжения на базе MP1570 показаны на рис. 9, структурная схема — на рис. 10.

Микросхемы имеют два встроенных силовых транзистора с сопротивлением каналов 100 мОм (MP1570) и 130 мОм (MP2305), функцию плавного запуска с программируемой длительностью, тепловую защиту, отключающую контроллер при увеличении температуры кристалла свыше 160 °С и опцию отключения при пониженном входном напряжении.

Понижающие DC-DC преобразователи напряжения с внешним диодом Шоттки

Номенклатура и краткие электрические характеристики микросхем этой группы приведены в таблице 2. Их отличают повышенные ток нагрузки и максимальное входное напряжение. Это было достигнуто путем  перераспределения  используемой площади кристалла: были увеличены размеры основного ключевого транзистора, а функции выпрямителя возложены на внешний диод Шоттки. Принцип построения данных контроллеров рассмотрим на примере микросхемы MP1591. Cхема включения и типовой КПД преобразователя напряжения на ее базе показаны на рис. 11, структурная схема — на рис. 12. Контроллер построен по схеме ШИМ с постоянной частотой преобразования (330 кГц), ограничением тока внутри циклов и компенсацией крутизны наклона пилообразного напряжения. Встроенный силовой транзистор M1 (рис. 12) имеет сопротивление канала 120 мОм, что позволяет обеспечить ток нагрузки до 2 А. Поскольку для управления верхним транзистором требуется напряжение, превышающее уровень входного, в микросхеме имеется бустерная схема питания драйвера с внутренним диодом и внешним накопительным конденсатором. Транзистор M2 с сопротивлением канала 10 Ом не является силовым, он обеспечивает заряд накопительного конденсатора в паузе, когда M1 закрыт.

Микросхема MP1593 (рис. 13) является более мощной версией MP1591, ее структурная схема аналогична приведенной на рис. 12. В отличие от MP1591, силовой транзистор в этом контроллере имеет сопротивление в открытом состоянии 100 мОм и обеспечивает ток нагрузки до 3 А, частота преобразования увеличена до 385 кГц и введена функция плавного запуска. Контроллер MP1593 совместим по выводам с MP1591. Обе микросхемы имеют тепловую защиту, отключающую контроллер при увеличении температуры кристалла свыше 160 °С, функцию отключения при пониженном входном напряжении и защиту от КЗ нагрузки.

Контроллеры MP2354 и MP2355 — это новые версии MP1591 и MP1593 соответственно. Они обеспечивают приблизительно такие же параметры (табл. 2) и сервисные функции, однако производятся по усовершенствованной технологии, позволившей снизить стоимость готовых микросхем на 15%.

Для применений, в которых требуется минимизация площади печатной платы, специально разработаны контроллеры MP2351 и MP2361 (рис. 14). Они выпускаются в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа MSOP10 и QFN10. Микросхемы обеспечивают ток нагрузки до 2 А при входном напряжении до 23 В. Частота преобразования увеличена до 1,4 МГц, что позволяет значительно снизить габариты дросселя и конденсатора фильтра. Контроллеры отличаются напряжением обратной связи (0,92 В у MP2361 и 1,23 В у MP2351), а также наличием у MP2361 функции плавного запуска. В остальном контроллеры идентичны и совместимы по выводам.

Контроллер MP2364 является сдвоенной версией MP2361. На одном кристалле размещены два независимых канала, полностью идентичные по структуре MP2361. Схема включения MP2364 и типовой КПД преобразователя напряжения показаны на рис. 15. Микросхема обеспечивает в каждом канале ток нагрузки до 1,5 А и упакована в миниатюрный корпус для поверхностного монтажа TSSOP20, что в сочетании с высокой частотой преобразования (1,4 МГц) позволяет минимизировать площадь на печатной плате (рис. 16).

Рис. 16. Оценочная плата преобразователя МР2364
Рис. 16. Оценочная плата преобразователя напряжения МР2364

Повышающие DC-DC преобразователи напряжения

Контроллеры этой группы построены по схеме бустерных преобразователей напряжения с интегрированным силовым транзистором и внешним диодом Шоттки. Так же как и рассмотренные выше повышающие преобразователи напряжения, все конверторы имеют встроенную цепь компенсации усилителя сигнала ошибки, специально адаптированную для применения недорогих танталовых конденсаторов на выходе преобразователя. Номенклатура и краткие электрические характеристики микросхем этой группы приведены в таблице 3.

Контроллеры MP1517 и MP1527 — самые мощные в этой группе. Каждый из них имеет интегрированный ключевой транзистор с сопротивлением канала 150 мОм и обеспечивает ток нагрузки до 3 А (рекомендуемое значение — до 1,5 А). Схема включения и типовой КПД преобразователя напряжения на базе MP1517 показаны на рис. 17, структурная схема — на рис. 18. Контроллеры построены по схеме ШИМ с регулировкой по току и фиксированной частотой преобразования (1,1 МГц у MP1517 и 1,3 МГц у MP1527). Микросхемы имеют защиту от низкого входного напряжения, обрыва нагрузки и перегрева кристалла свыше 160 °С, а также функцию плавного запуска. Низкое напряжение ОС MP1517 (0,7 В) позволяет использовать его в качестве мощного драйвера светодиодов и светодиодных ламп без дополнительного усилителя тока. Микросхема MP1527 имеет дополнительный двунаправленный вывод FAULT («Авария»). Если в системе используется несколько преобразователей напряжения MP1527, то имеется возможность соединить все выводы FAULT для одновременного выключения всех контроллеров в случае возникновения аварийной ситуации хотя бы в одном из них. Контроллеры упакованы в миниатюрные корпуса для автоматизированного монтажа QFN16 (4x4 мм), MP1527 также выпускается в корпусе TSSOP14.

Рис. 18. Структурная схема преобразователя МР1517
Рис. 18. Структурная схема преобразователя напряжения МР1517

Самый маломощный контроллер в рассматриваемой группе — MP1522 в корпусе для поверхностного монтажа SOT23-5 (рис. 19). В нем использована схемотехника преобразователя напряжения с постоянным пиковым током дросселя и переменной частотой коммутации. Он имеет интегрированный ключевой транзистор с сопротивлением канала 500 мОм и обеспечивает ток нагрузки до 0,3 А.

Рис. 19. МР1522 в корпусе для поверхностного монтажа SOT23-5
Рис. 19. МР1522 в корпусе для поверхностного монтажа SOT23-5

Для применений, требующих постоянной частоты коммутации, альтернативой MP1522 служит микросхема MP1541 (рисунок 20), также выпускающаяся в корпусе SOT23-5. Она позволяет реализовывать надежные, миниатюрные и недорогие преобразователи напряжения с током нагрузки до 550 мА.

В линейке повышающих преобразователей MPS есть две специализированные микросхемы для питания TFT-панелей — MP1530 и MP1531 (рис. 21). Микросхемы идентичны по структуре и характеристикам и отличаются только частотами преобразования (1,4 МГц у MP1530 и 250 кГц у MP1531). Каждая из них содержит повышающий преобразователь напряжения и два линейных регулятора с положительным и отрицательным выходным напряжением, питающихся от схем с накачкой заряда. Ток нагрузки основного канала может достигать 500 мА, линейных регуляторов — до 10 мА.

Помимо своего основного назначения микросхемы могут применяться и для построения источников питания других устройств, содержащих, например, цифровые микросхемы (выход +5 В) и операционные усилители (выходы ±5...±15 В).

Завершает группу повышающих преобразователей напряжения новая микросхема MP1542, разработанная в начале 2005 года. Ее схема включения показана на рис. 22. Контроллер имеет интегрированный ключевой транзистор с сопротивлением канала 180 мОм и обеспечивает ток нагрузки до 2 А. Частота преобразования может выбираться из значений 0,7 МГц или 1,3 МГц с помощью вывода FSEL. Микросхема имеет защиту от низкого входного напряжения, КЗ нагрузки и перегрева кристалла свыше 160 °С, а также функцию плавного запуска, выпускается в миниатюрном корпусе MSOP8.

Рис. 22. Схема включения МР1542
Рис. 22. Схема включения МР1542

Эффективные решения для серийного производства электронной техники

При выборе элементной базы для серийно выпускаемых изделий, особенно при жестком ограничении себестоимости, на первое место выходят два фактора — цена компонента и, по возможности, отсутствие необходимости настройки и регулировки узла, в котором он используется. Оба эти фактора в той или иной степени влияют на себестоимость конечного продукта. Для мелких партий уникальных и оттого дорогих приборов их влияние незначительно, а вот для массовых изделий они могут быть определяющими.

Продукция компании MPS как нельзя лучше удовлетворяет указанным критериям. Более того, MPS позиционируется на мировом рынке как производитель и поставщик микросхем для крупных производителей OEM и ODM.

Как было отмечено в начале статьи, MPS пользуется услугами контрактного производства микросхем крупнейших мировых фабрик. Это позволяет заметно снизить себестоимость и цену микросхем по сравнению с конкурентными продуктами. В таблице 4 приведено сравнение цен на некоторые контроллеры MPS с аналогами, причем цены на продукцию MPS даны со склада в Москве с учетом всех налогов и сборов, в то время как информация о ценах аналогов была взята с сайтов производителей без учета расходов на доставку. В среднем, даже при небольших партиях изделий, стоимость продукции MPS для конечного потребителя оказывается на 50-60% ниже аналогичных предложений других известных производителей.

В своих разработках автор применяет микросхемы MPS более года, за это время они вошли в состав нескольких серийных изделий. Из опыта работы с контроллерами MPS хочется особо отметить следующие моменты:

  • Высокая стабильность и повторяемость характеристик микросхем: независимо от партии основные характеристики близки к типовым значениям, заявленным в документации.
  • Высокая устойчивость УСО и схемы обратной связи в целом: контроллеры нечувствительны к номиналам и к типу применяемых конденсаторов, внешние цепи компенсации не требуют подстройки.
  • Высокая эффективность: при правильном выборе параметров дросселя удается получить КПД значительно выше, чем типовые значения, приводимые в документации. Например, в преобразователе напряжения на базе MP1517 мощностью 22,5 Вт (15, 1,5) перегрев контроллера составляет менее 15 °С.
  • Готовое изделие не требует никакой регулировки, что позволяет использовать при серийном производстве простой тест на включение.

В заключение хотелось бы отметить, что компания MPS обеспечивает серьезную техническую поддержку во всех регионах, где имеются ее представительства. Для всех микросхем имеются отладочные платы, позволяющие сократить время разработки.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_03_70.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо