Гибридные Аналого-Цифровые контроллеры для Импульсных источников питания

Подробности: Категория: Microchip

Понижающие преобразователи стали неотъемлемой частью современной электроники. Без них не обходится бытовая, телекоммуникационная, автомобильная электроника, портативные зарядные устройства и т.д. Не смотря на то, что импульсные источники питания обладают бóльшими габаритами и уровнем помех по сравнению с линейными стабилизаторами, они практически всегда обеспечивают большее значение КПД.

При разработке схемы управления питанием большинство инженеров придерживается аналоговых схем построения источников питания с простейшим цифровым управлением. Такой выбор с одной стороны связан с:

применением традиционных и изученных схемы управления;
сравнительно низкой стоимостью комплектующих;
способность генерации высокочастотного ШИМ;
малым энергопотребление аналоговых источников.

С другой стороны, большая часть аналоговых разработчиков ИИП просто не знакомы с возможностями цифровых методов управления питанием и сталкиваются с ограничениями аналоговых схем такими как:

настройка источника только посредством перепайки схемы;
сравнительно большое количество компонентов, что влияет на стоимость в производстве и габариты устройства;
влияние температурных уходов и разброса параметров пассивных элементов ухудшает параметры источника;
практически невозможно адаптивное управление;
сложности реализации нелинейного управления для получения требуемых переходных характеристик.

Цифровые источники позволяют:

программно задавать выходные параметры
требуют минимум компонентов
реализовывать автокоррекцию температурных влияний;
сохранить «ноу-хау» за счет программных алгоритмов управления в защищенном микроконтроллере;
применять современные методы контроля (нелинейное, адаптивное управление);
управлять профилем выходного напряжения/тока в зависимости от режимов работы питаемой схемы.

Однако при построении цифровых источников питания тоже возникает ряд трудностей:

Цифровые методы регулирования в основном не знакомы инженерам, работающим в данной области, необходимость знаний в программировании;
влияние разрешения и скорости преобразования АЦП на точность ИИП;
необходимость в высокой вычислительной скорости во избежание снижения параметров регулирования;
для получения высокочастотного ШИМ с высокой разрядностью (МГц) нужна высокая тактовая частота генератора (ГГц), за счет этого выше энергопотребление.

Таким образом, оптимальное решение лежит между аналоговым и цифровым решениями. Чтобы заполнить этот пробел Microchip представили первый в мире аналоговый ШИМ-контроллер с цифровым управлением MCP19111.

MCP19111 включает в себя аналоговый ШИМ контроллер, синхронный MOSFET драйвер, LDO и управляющий PIC-микроконтроллер. Сочетание высокой производительности и программируемости микроконтроллера с малым временем отклика высокоскоростного аналогового модуля позволяет создавать более гибкие и более высокопроизводительные системы преобразования мощности с полным цифровым контролем.

Использование семейства контроллеров MCP19111 совместно с силовыми MOSFET транзисторами (MCP87018, MCP87030, MCP87090, MCP87130) позволяет создавать DC/DC преобразователи для широкого круга задач с КПД более чем 96%.

Рис. 1. Топология синхронного понижающего конвертера на базе MCP19111.

В продолжение линейки гибридных контроллеров для импульсных источников питания Microchip разработал еще два семейства MCP19114(5) и MCP19118(9).

Контроллеры MCP19118 и MCP19119 аналогичны MCP19111, но могут работать с входным напряжением до 40В.

Контроллеры MCP19114 и MCP19114 разработаны для схем с повышением напряжения и поддерживают топологии Boost, SEPIC, Ćuk, синхронный Flyback.

	MCP19114/5	MCP19110/1	MCP19118/9
Интегрированный PIC^TM микроконтроллер	Да	Да	Да
Поддерживаемые топологии	Boost, SEPIC, Ćuk, Sync Flyback	Sync Buck	Sync Buck
Входное напряжение, В	4.5 – 42	4.5 - 32	4.5 - 40
Выходное напряжение, В	1 – 200	0.6 – 90% V_IN	0.6V – 90% V_IN
Цепь компенсации	Внешняя	Внутренняя	Внутренняя
Частота переключения	32кГц – 2МГц, Квази-резонансный режим	100кГц – 1.6МГц	100кГц – 1.6МГц
Память программ	4 кСлова	4 кСлова	4 кСлова
Интерфейсы связи	I²C	I²C, PMBus^TM	I²C, PMBus^TM
Доступные порты В/В	Да (10 / 12)	Да (10 / 14)	Да (10 / 14)

Силовые MOSFET

Используя передовые полупроводниковые технологии и корпусирования, в Microchip создали серию силовых MOSFET транзисторов MCP87хх с низким зарядом затвора QG и низким сопротивлением сток-исток RDS(ON), что позволяет более эффективно преобразовывать энергию и снизить потери переключения и проводимости.

Особенности:

низкое входное сопротивление канала сток-исток
низкий заряд затвора (QG) и заряда затвор-сток (QGD)
низкое сопротивление канала

наименование	Vds, В	Rds(on)(4.5В), мОм	Rds(on)(10В), мОм	Qg (4.5V), нК (макс.)	d , А	Vgs(пор.), В(мин.)	Тип корпуса	Размеры, мм х мм
MCP87130	25	16.5	13.5	8.0	54.0	1.1	8/PDFN	3.3x3.3, 5x6
MCP87090		12.0	10.5	10.0	64.0	1.1		3.3x3.3, 5x6
MCP87055		7.0	6.0	14.0	60.0	1.0		3.3x3.3
MCP87050		6.0	5.0	15.0	100.0	1.0		5x6
MCP87030		4.0	3.5	22.0	100.0	1.0		5x6
MCP87022		2.6	2.3	29.0	100.0	1.0		5x6
MCP87018		2.2	1.9	37.0	100.0	1.0		5x6

Отладочные платы позволяют изучить и оценить работу МСР191111, MCP19115, MCP19119 в схемах импульсных преобразователей в широком диапазоне напряжений и нагрузок на выходе. Практически все рабочие и системные параметры можно задать программно с помощью интегрированного в микросхему микроконтроллера. Среда разработки MPLAB X IDE и плагин конфигурирования MCP19ххх позволяет легко сконфигурировать микросхемы и добавить свои части кода для управления параметрами источника, отработку аварийных ситуаций и интерфейсы связи. На плате есть внешние выводы для внутрисхемного программирования, подключения интерфейса I2C, выводы I/O и входы АЦП.