Работа инвертирующего DC-DC преобразователя с накачкой заряда и LDO в микросхеме LM27762

Введение

Малошумящие источники вторичного элек­тропитания находят все более широкое при­менение в портативных мобильных устрой­ствах, таких как медицинское оборудование, переносная измерительная техника, беспро­водные системы связи, наушники и др. Пер­вичным источником электроэнергии при этом в большинстве случаев являются литий-ионные батареи или перезаряжаемые аккумуля­торы. Помимо обеспечения малых габаритов к микросхемам источников вторичного элек­тропитания предъявляются высокие требова­ния по стабильности выходного напряжения, малым его пульсациям и большим значениям КПД преобразователя. Одним из видов ми­кросхем, обеспечивающих получение стаби­лизированного напряжения положительной или отрицательной полярностей, являются микросхемы с накачкой заряда.

Большинство производителей электрон­ных компонентов предлагает микросхемы, предназначенные для построения либо повы­шающих, либо понижающих, либо полярно-инвертирующих преобразователей. И лишь не­большое число микросхем можно использовать для получения регулируемого однополярного стабилизированного напряжения как в режиме понижения, так и в режиме повышения входно­го напряжения. Анализ работы подобных ми­кросхем представлен в статьях [1-5].

Основными недостатками разработанных в начале 2000-х гг. и выпускаемых вплоть до настоящего времени микросхем, использую­щих классическую технологию накачки заряда, являются достаточно большая пульсация выходного напряжения, обычно составляю­щая 20...40 мВ, и значительное уменьшение КПД при отклонениях соотношений между входным и выходным напряжениями от оп­тимальных. Попытки уменьшить пульсации выходного напряжения и увеличить КПД при различных режимах предпринимались неодно­кратно. В микросхеме однополярного DC-DC преобразователя LTC3245 (Linear Technology), согласно опубликованной в 2013 г. информа­ции [6], система накачки заряда, в отличие от классической схемы, может работать в двух режимах. Режим с низкими пульсациями вы­ходного напряжения реализуется с помощью постоянной частоты накачки заряда. При этом в системе стабилизации выходного напряже­ния используются два компаратора. Каждый компаратор имеет регулируемое смещение, зна­чение которого увеличивается (уменьшается) пропорционально увеличению (уменьшению) тока нагрузки. Тем самым стабилизация вы­ходного напряжения достигается за счет регу­лирования количества заряда, переносимого за цикл. Пульсации выходного напряжения в этом режиме не превышают 20 мВ. Однако при низких токах нагрузки в режиме с постоянной частотой накачки заряда существенно умень­шается КПД. Для его увеличения микросхему можно перевести в режим накачки с помощью пачек импульсов (BURST MODE ). Переход от одного режима накачки к другому может быть осуществлен путем подачи на вывод BURST микросхемы логического сигнала высокого или низкого уровня. Необходимо отметить, что в режиме пачек импульсов увеличение КПД одновременно сопровождается увеличением пульсаций выходного напряжения, которые, согласно работе [6], типично составляют 50 мВ.

Микросхемы двухполярных DC-DC преобразователей, в которых используется накачка заряда, появились совсем недавно. В поисковых системах и материалах компа­ний, производящих электронные компонен­ты, удалось найти ссылки лишь на две ми­кросхемы. Из результатов поиска следует, что первой из них была комбинированная ми­кросхема LTC3260 (Linear Technology) [7]. Отрицательное напряжение вырабатывает ин­вертор с накачкой заряда, за которым следует LDO (линейный стабилизатор с малым паде­нием напряжения), а положительное выходное напряжение вырабатывает LDO положитель­ного напряжения. В этой микросхеме система накачки заряда в тракте получения отрицательного напряжения, аналогично LTC3245, для повышения КПД работает в режиме пачек импульсов при малых токах нагрузки и в ре­жиме постоянной частоты при больших токах нагрузки. LDO в тракте отрицательного напря­жения уменьшает пульсации напряжения на выходе, что особенно важно для режима пачек. Согласно приводимым в работе [7] данным, со­ответствующая амплитуда пульсаций на выходе микросхемы менее 10 мВ.

Более поздней разработкой двухполяр­ного комбинированного источника электро­питания, в котором используется накачка за­ряда, является микросхема LM27762 (Texas Instruments), исследованная в настоящей работе.

Статья является продолжением цикла ра­бот [1-5], в которых исследовались однополяр­ные DC-DC преобразователи с накачкой заряда. Она отражает результаты первого этапа иссле­дований двухполярных источников вторичного электропитания с накачкой заряда, причем в ней рассматривается только выработка отри­цательного напряжения.

Объект исследований и методика измерений

В технических характеристиках LM27762 указан возможный диапазон входного напря­жения от 2,7 до 5,5 В [8], при этом преобразо­ватель позволяет получать одновременно два выходных напряжения положительной и от­рицательной полярности в пределах от 1,5 до 5 В при токах нагрузки до 250 мА. Для выра­ботки нужной величины положительного на­пряжения используется LDO. Отрицательное напряжение получают с помощью инвертора, за которым следует LDO. В настоящей статье рассмотрена работа только той части микро­схемы, которая служит для получения выход­ного напряжения отрицательной полярности.

Использованный в LM 27762 принцип работы системы накачки заряда с инвертирова­нием напряжения [8] показан на рис. 1. Схема инвертора имеет три внешних конденсатора - входной C_in, летающий C₁ и стоящий перед LDO конденсатор C_cpout, иногда обозначаемый в [8] как C_cp. Инвертируемое входное напря­жение V_in берется с входного конденсатора C_in. Заряд с помощью четырех ключей S1...S4 и ле­тающего конденсатора C₁ переносится на кон­денсатор C_cpout. Цикл переноса состоит из двух стадий. На первой происходит заряд летающе­го конденсатора C₁ от входного напряжения на C_in при замыкании ключей S1 и S3, во второй происходит перенос заряда от C₁ к C_cpout при замыкании ключей S 2 и S4. Поскольку при этом положительный полюс C_cpout подсоединен к зем­ле, напряжение на его отрицательном полюсе, близкое к значению -V_in, подается на выход и на систему регулирования через цепь обратной связи. Алгоритм работы системы регулирова­ния в [8] не описан. Определение этого алго­ритма было одной из целей настоящей работы.

В соответствии с [8] тактовая частота сис­темы накачки заряда отрицательного выход­ного напряжения составляет 2 МГц. Такая вы­сокая тактовая частота позволяет уменьшить выходное сопротивление и пульсации напряже­ния [8]. К сожалению, приводимая в [8] табли­ца электрических характеристик микросхемы очень ограничена и представленные в ней све­дения даны лишь для одного случая схемной реализации, в котором входное напряжение V_in = 5 B, входной и оба выходных конденсатора C_in = C_out+ = C_out- = 2,2 мкФ, летающий конден­сатор C₁ = 1 мкФ, а конденсатор C_cpout = 4,7 мкФ. В соответствии с таблицей [8], падение напря­жения на отрицательном LDO, приведенное лишь для одного тока нагрузки 100 мА и од­ного выходного напряжения -5 В, составляет 30 мВ. Из представленных в виде графиков крайне ограниченных типичных характеристик можно лишь заключить, что величины паде­ния напряжения на LDO очень сильно зависят от тока нагрузки и при 250 мА могут дости­гать 100 мВ, а пульсации выходного напряже­ния (напряжения на выходе LDO) составляют от 1 до 3 мВ.

Анализируя все характеристики микро­схемы LM27762, приведенные в [8], нужно отметить, что их явно недостаточно как для определения алгоритмов ее работы в различ­ных режимах, так и для вычисления пульсаций напряжения в различных точках ее схемы вклю­чения. Это и было основной целью исследова­ний, проведенных в настоящей работе.

При проведении этих исследований была важна возможность получения от производите­ля LM27762 готовой тестовой платы - тестово­го модуля LM27762EVM [9]. Принципиальная электрическая схема этого модуля и размеще­ние контрольных точек для подключения изме­рительных приборов показаны на рис. 2.

Поскольку главными причинами возник­новения пульсаций напряжения в микросхеме LM27762 являются накачка заряда и система ре­гулирования величины отрицательного выходного напряжения, в настоящей работе им было уделено основное внимание. Для изучения этих причин использовались измерения временных зависимо­стей напряжения на положительном U_flyDC+ и от­рицательном U_{flyDC^_} полюсах летающего конден­сатора C₁ емкостью 1 мкФ при открытых входах осциллографа, а также переменная составляющая U_out∼ напряжения на конденсаторе C_cpout емкостью 4,7 мкФ (см. рис. 1 и 2) при закрытом входе осцил­лографа. Напряжение на этом конденсаторе явля­ется напряжением на выходе из системы регули­рования накачки заряда. Оно поступает на вход LDO отрицательного выходного напряжения.

Формы напряжений регистрировали ос­циллографом GDS-72202 компании GW instek с использованием программного обеспечения FreeWave. В качестве триггера обычно приме­нялось напряжение U_fly. Для обеспечения вы­сокого качества регистрации сигналов исполь­зовались имеющиеся в осциллографе GDS-72202 возможности цифровой фильтра­ции и однократного запуска.

В настоящей работе были проведены ис­следования работы микросхемы LM27762 в трех различных режимах. Один из них был ре­ализован на стандартном модуле LM27762EVM в состоянии поставки, когда в системе регули­рования в качестве делителя напряжения для цепи обратной связи используются резисторы 249 кОм и 499 кОм, как показано на рис. 2. Та­кой делитель обеспечивает на обоих выходах напряжение 1,8 В. С целью реализации типо­вого режима работы микросхемы в качестве входного для этого режима использовалось напряжение 3,5 В.

Проведение измерений в двух других ре­жимах было направлено на изучение работы микросхемы в предельных случаях при боль­ших входных и выходных напряжениях. Эти режимы хотя и называются предельными, од­нако не выходят за границы, установленные в технической документации [8]. Один из них был реализован при входном напряжении 5,5 В и выходном напряжении — 4,9 В, а второй при входном напряжении 5,0 В и выходном напря­жении, которое с увеличением тока нагрузки уменьшалось — 4,70 до — 4,07 В. Реализация этих двух режимов была осуществлена путем замены резисторов в цепи обратной связи на резисторы сопротивлениями 82 кОм и 249 кОм. Результаты экспериментов Режим U_in = 3,5 B, U_out = —1,8 B. Режим ха­рактеризуется большой разницей величин входного и выходного напряжений. На рис. 3 в качестве примера представлены некото­рые результаты измерения для сравнительно малых токов нагрузки, равных 15 и 50 мА. В левом поле рисунка показаны нулевые уровни сигналов. Здесь и далее нечетные цифры соответствуют напряжениям на поло­жительном или отрицательном полюсе лета­ющего конденсатора, а четные - переменной составляющей напряжения на выходе систе­мы накачки заряда. При этих измерениях ис­пользовался цифровой отрезающий фильтр с частотой 10 МГц.

Для тока нагрузки 15 мА хорошо видны пять циклов разряд - заряд летающего конденса­тора и соответствующие им ступеньки на U_out- . При токе нагрузки 50 мА число циклов разряд - заряд летающего конденсатора увеличилось до 15, а промежуток между пачками переноса заряда значительно уменьшился. По мере даль­нейшего увеличения тока нагрузки промежуток времени между пачками импульсов разряд - за­ряд летающего конденсатора становится еще меньше и при некотором токе совсем исчезает.

На рис. 4 сравниваются формы сигналов при токах 100 мА и 250 мА. При этих токах циклы разряд - заряд летающего конденсатора происходят с постоянной частотой, равной 2 МГц.

Наряду с регистрацией форм сигналов U_flyDC+ на положительном полюсе летающего конденсатора в работе проводили регистрацию форм U_flyDC- и на его отрицательном полюсе. На рис. 5 показаны формы для тока нагрузки 50 мА. Видно, что результаты хорошо соответ­ствуют данным, показанным на рис. 3 (кривые 3 и 4). На рис. 6 представлено сравнение форм сигналов при токах нагрузки 50 и 100 мА (на­качка пачками импульсов и накачка с постоян­ной частотой).

Режим U_in = 5,5 B, U_out = — 4,9 B. Прове­денные измерения показали, что при токе на­грузки 15 мА в пачках всего три цикла импуль­сов разряд - заряд летающего конденсатора (рис. 7), в то время как при токе нагрузки 50 мА наблюдалось 5 циклов, причем за время на­качки уменьшение U_out∼ составляло соответ­ственно 125 и 160 мВ.

При токе нагрузки 100 мА имеет место разное число циклов разряд - заряд в разных пачках. Это видно на рис. 8. Режим близок к сос­тоянию перехода от накачки пачками импуль­сов к накачке с постоянной частотой.

На рис. 9 показано сравнение форм сигна­лов при токах 153 и 220 мА. Импульсы следуют с одной и той же частотой, но их амплитуда при токе нагрузки 220 мА немного больше.

В связи с тем что во многих случаях при­менения комбинированных DC-DC преобра­зователей, сочетающих накачку заряда с LDO, большое значение имеют пульсации выходного напряжения (см. рис. 2), проведены измерения таких пульсаций как при работе системы накач­ки заряда в режиме пачек (малые токи нагрузки), так и при накачке с постоянной частотой (боль­шие токи нагрузки). Два примера полученных результатов показаны на рис. 10 и 11. Видно, что в режиме пачек размах пульсаций выходного напряжения составляет около 18 мВ, их период - около 7 мкс, а в режиме с постоянной частотой (2 МГц) размах напряжения пульсаций 7 мВ.

Режим U_in = 5,0 B, U_out = - 4,7 B. В со­ответствии с данными производителя микро­схемы LM27762 [8] при выходном напряже­нии —5 В и токе нагрузки 100 мА падение напряжения на V_LDO– должно составлять 30 мВ. В этой связи для исследований был выбран режим, близкий к предельному. Именно в этом случае при тех же резисторах в цепи обрат­ной связи при отсутствии нагрузки на выходе установилось напряжение, равное не —4,9 В, как было для предыдущего режима, а — 4,7 В.

Проведенные измерения показали, что при отсутствии нагрузки в пачках было всего три цикла переноса разряд - заряд, при этом промежуток времени между двумя последовательными пачками составлял около 150 мкс.

При токе нагрузки 50 мА было шесть цик­лов переноса разряд - заряд, при этом промежу­ток времени между пачками был около 5 мкс.

При токе нагрузки 147 мА не было пачек, циклы разряд - заряд следовали непрерывно, а напряжение на выходе микросхемы понизилось до — 4,44 В. При токе нагрузки 239 мА напряже­ние понизилось до — 4,11 В. На рис. 12 показано сравнение форм сигналов для токов нагрузки 147 мА и 239 мА.

Анализ полученных экспериментальных результатов

Экспериментальные результаты исследова­ний инвертирующего DC-DC преобразователя микросхемы LM27762 позволяют заключить, что имеющиеся в технической документации [8] сведения о ее работе являются неполными, а иногда и неточными. Из описания микросхе­мы нельзя представить алгоритм ее работы в различных режимах. К такой информации, имеющейся в [8], относятся лишь два корот­ких замечания. Первым является примечание к таблице с электрическими характеристика­ми: «при входном напряжении 5,5 В накачка заряда может войти в режим ШИМ в горячих условиях» [8]. Второе замечание относится к работе с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ): «Для того чтобы минимизировать ток покоя во время работы с легкими нагрузками, LM27762 разрешает ЧИМ или работу с пропу­ском импульсов. Давая возможность системе накачки делать меньше переключений, когда выходной ток низкий, ток покоя, отбираемый от источника питания, минимизируется. Ча­стота пульсирующей работы не ограничива­ется и может падать в суб-2-кГц-диапазон, когда нет нагрузки. Когда нагрузка увеличи­вается, частота импульсной работы повыша­ется до тех пор, пока она не переходит к по­стоянной частоте. Фундаментальная частота переключений в LM27762 составляет 2 МГц» [8]. Никаких зарегистрированных форм сиг­налов в [8] не приводится.

Из полученных в настоящей работе ре­зультатов следует, что переход в ШИМ-модуляцию при входном напряжении 5,5 В не наблю­дается. Ни в каком режиме работы микросхемы в системе накачки заряда ЧИМ не использует­ся. Везде частота цикла разряд - заряд состав­ляет 2 МГц. При относительно малых токах нагрузки при любых значениях входных и вы­ходных напряжений (исключая ситуации, когда входное напряжение превышает выходное на величину, меньшую падения напряжения на LDO) система накачки заряда работает в режи­ме пачки импульсов, в которой частота циклов разряд - заряд составляет 2 МГц. Количество импульсов в пачке зависит от тока нагрузки и верхнего и нижнего порога срабатывания системы регулирования, которая сравнивает напряжение обратной связи с опорным напря­жением. Полученные результаты показывают, что разница между верхним и нижним порога­ми срабатывания большая. В результатах для входного напряжения 3,5 В и выходного -1,8 В, показанных на рис. 3, при токах нагрузки 15 и 50 мА она составляет примерно 75 мВ. В результатах для входного напряжения 5,5 В и выходного -4,9 В, показанных на рис. 7, при токе нагрузки 15 мА она составляет примерно 125 мВ. При токе нагрузки 50 мА она состав­ляет примерно 160 мВ. Это очень большие зна­чения, но использование LDO после системы накачки заряда позволяет снизить пульсации выходного напряжения до малых значений по­рядка 18 мВ, что, несомненно, является боль­шим достижением.

Необходимо отметить, что режим пачки импульсов при накачке заряда в случае малых токов нагрузки, по-видимому, впервые был применен компанией Linear Technology в пре­образователе LTC3245 [6, 7] и получил назва­ние Burst Mode® Operation. Применение пачки импульсов накачки при малых токах в [6] ре­ализовано на основе совместного использова­ния обычной системы регулирования накачки по верхнему и нижнему пределам совместно с контролем и регулированием заряда, перено­симого за один цикл. Когда преобразователь LTC3245 находится в Burst Mode® Operation, при легких нагрузках за один цикл переносится минимальное количество заряда. Регулировка тока заряда в пачке позволяет без использова­ния LDO держать пульсации выходного в пре­делах 50 мВ.

Производитель микросхемы LM27762 не называет алгоритм ее работы при малых токах режимом пачки, но из измерений авторов ста­тьи следует, что в данной микросхеме исполь­зуется именно такой режим. Однако пульсации напряжения на выходе из системы накачки за­ряда у LM27762, во-первых, много больше, чем у LTC 3245, и, во-вторых, они зависят от тока нагрузки. Заряд, передаваемый за один цикл в режиме пачки, может зависеть от ряда фак­торов, в частности, от сопротивления ключей, характеристик использованных конденсаторов, величины напряжения на входе в инвертор и др. Поэтому контроль за количеством передава­емого заряда или за током при такой переда­че является очень важным. По-видимому, в LM27762 такого контроля нет. Здесь осущест­вляется лишь постоянный контроль величины выходного напряжения. Именно этим можно объяснить полученные в настоящей работе и по­казанные на некоторых рисунках неполные по­следние циклы разряд - заряд (см. рис. 5, 6, 8).

Важным разделом, связанным с алгорит­мом работы микросхемы LM27762, является ее переход при увеличении тока нагрузки от режима пачек к режиму накачки с постоянной тактовой частотой 2 МГц. Здесь возникают два вопроса. Первый - об условии перехода, а вто­рой - о том, за счет чего поддерживается посто­янное напряжение на выходе при увеличении тока нагрузки. Из полученных в настоящей ра­боте результатов видно, как с увеличением тока нагрузки при работе в режиме пачек уменьша­ются промежутки времени между пачками и система в режим постоянной частоты накачки переходит плавно.

Что касается поддержания постоянным напряжения на выходе в случае постоянной час­тоты накачки, то из зарегистрированных форм U_out- видно, что с увеличением тока нагрузки амплитуда пульсаций этого напряжения лишь немного увеличивается. Здесь поддержание вы­ходного напряжения постоянным обеспечива­ется за счет LDO. Когда запас по напряжению на входе LDO мал, как это было в режиме с U_in = 5,0 В и U_out = - 4,7 В, с увеличением тока нагрузки выходное напряжение уменьшается.

В заключение необходимо отметить, что в статье отражены результаты первого этапа работы по экспериментальным исследованиям пульсаций двухполярных комбинированных DC-DC преобразователей с накачкой заряда. Этот этап относится к выработке напряже­ния отрицательной полярности. В дальней­шем предполагается получить необходимые результаты для вырабатываемого напряжения положительной полярности и провести доста­точно полное моделирование работы преобра­зователя в целом.

Представленные в статье результаты исследований получены в рамках выполне­ния государственного задания Министерства образования и науки Российской Федерации № 8.5577.2017/8.9 на выполнение проекта по теме «Исследование шумовых характеристик и пульсаций микросхем мобильных источников вторичного электропитания».