Рекомендации по применению моделей серии 5080

18 Рекомендации по применению моделей серии 5080

Модели серии 5080 представляют собой устойчивые к воздействию ионизирующего излучения, неизолированные, синхронные ключевые преобразователи.
Неизолированные DC/DC конвертеры являются трехвыводными приборами, у которых имеется входной, выходной и общий выводы.
Неизолированные DC/DC конвертеры могут быть «Buck» (понижающими), или «Boost» (повышающими) преобразователями. Напряжение на выходе Buck конвертера ниже напряжения на его входе, а на выходе Boost конвертера — выше. Преобразователи, которые вырабатывают отрицательное выходное напряжение, являются Boost конвертерами, поскольку сумма входного и выходного напряжений всегда превышает значение входного напряжения.
В простейшем случае Buck или Boost конвертер содержит полевой транзистор, диод и индуктивность. Оба типа конвертеров имеют сходную топологию, отличаясь лишь организацией «общей» шины.
Для повышения КПД вместо выпрямительного диода в неизолированных DC/DC конвертерах используется второй полевой транзистор. Падение напряжения на открытом полевом транзисторе обычно ниже прямого падения напряжения на открытом диоде, что и позволяет снизить величину потерь.
Коммутация полевого транзистора должна осуществляться синхронно с изменением напряжения, поэтому DC/DC конвертеры с полевым транзистором вместо диода называются преобразователями с синхронным выпрямлением.

18.1 Структурная схема

Как следует из структурной схемы изделий моделей серии 5080 (рисунок 26), входное напряжение поступает на мощный ключ (Power Switch), который коммутируется выходными импульсами схемы ШИМ (PWM circuit) с частотой 100 кГц.
Коммутируемый ключом ток проходит через дроссель (Buck/Boost Choke). В конвертерах с выходным напряжением положительной полярности дроссель подключен между мощным ключом и выходной нагрузкой. В конвертерах с выходным напряжением отрицательной полярности дроссель подключен между мощным ключом и общей шиной. Второй ключ (Switch 2) служит выходным выпрямителем. В конвертерах с выходным напряжением положительной полярности второй ключ подключен между выходом мощного ключа (Switch 1) и общей шиной. В конвертерах с выходным напряжением отрицательной полярности второй ключ подключен между выходом мощного ключа (Switch 1) и выходом конвертера.
Напряжение с выхода выпрямителя после фильтрации пульсаций поступает на синфазный дроссель (Common Mode Filter Choke), который необходим для подавления выбросов выходного напряжения. Внешний демпфирующий конденсатор (External Damping Capacitor) устанавливается пользователем. Он позволяет оптимизировать характеристики переходных процессов при включении/отключении нагрузки и снизить уровень выходных пульсаций.


Рисунок 26 – Структурная схема конвертеров серии 5080

Схема съема выходного напряжения (Output Sense Circuit) служит для подачи на схему ШИМ напряжения обратной связи непосредственно с выходного вывода преобразователя серии 5080, что позволяет улучшить статическую стабилизацию.
Входные выводы используются для приема сигналов внешней синхронизации (Ext. Sync.), запрета (Inhibit), распараллеливания (Paralleling Input) и подстройки напряжения (Adjust). Выходные выводы используются для передачи сигналов опорного напряжения +5 В (V ref), сигнала индикации состояния конвертера (BIT), распараллеливания (Paralleling Output) и уровня выходного тока (I out).

18.2 Требования к источнику входного напряжения

Конвертеры серии 5080 предназначены для работы от промежуточной шины постоянного тока с напряжением от 11 до 16 В, которое вырабатывается вышестоящим конвертером. Предполагается, что требуемый уровень фильтрации радиопомех также обеспечивается вышестоящим конвертером, который подает питание на эту шину. Таким образом, конвертеры серии 5080 рассчитаны на изменение входного рабочего напряжения в диапазоне строго от 11 до 16 В и не содержат внутренних фильтров радиопомех.
Каждый из модулей серии 5080 способен отдавать в нагрузку до 1000 мА тока, пульсирующего с частотой 1000 кГц. Поэтому вышестоящий DC/DC конвертер должен обеспечивать возможность подключения соответствующей емкости развязки. Рекомендуемая минимальная величина емкости развязки составляет 30 микрофарад (керамический конденсатор типа MLC или с низким значением ESR) на каждый модуль серии 5080.
В большинстве случаев вышестоящий источник с номинальным напряжением 12 В обеспечит наилучшие электрические характеристики. Можно также использовать источник с номинальным напряжением 15 В, однако значение КПД преобразования при этом немного снизится.

18.3 Выходное напряжение

Девять моделей конвертеров серии 5080 вырабатывают выходное напряжение положительной полярности и две модели – отрицательной.

18.4 Выходной ток

Выходной ток модулей 5080 ограничен значением 4 А, либо величиной тока, при котором для данного номинального выходного напряжения выходная мощность конвертера достигает 10 Вт – в зависимости от того, какое из этих двух значений меньше. В конвертере имеется схема ограничения максимального выходного тока.

18.5 Внешний конденсатор на выходе

Небольшие габариты модулей серии 5080 вынуждают ограничиваться внутренним выходным конденсатором, емкость которого достаточна лишь для фильтрации высоких частот. Для улучшения переходной характеристики необходимо использовать дополнительную внешнюю емкость, рекомендованные минимальные и максимальные значения которой приведены в спецификациях модулей серии 5080. Предпочтительным является параллельное включение нескольких чип-конденсаторов с низким значением ESR (например, твердотельных танталовых), что также обеспечивает снижение уровня пульсаций выходного напряжения.

18.6 Применение диодов для реализации функции «ИЛИ» на выходе

Хотя соединение вместе выходов двух одинаковых конвертеров является совершенно безопасным мероприятием, некоторые применения требуют использования отдельных внешних диодов для подключения двух и более конвертеров к одной нагрузке в целях резервирования источника питания. При таком подключении на диодах появляется дополнительное падение напряжения. В модулях серии 5080 можно осуществлять подстройку выходного напряжения вверх для компенсации падения напряжения на внешних диодах.

18.7 Температурный коэффициент изменения выходного напряжения

В спецификациях компании MDI для моделей серии 5080 приведены значения выходных напряжений при номинальной температуре 25°C. С отклонением температуры от этого значения выходное напряжение может изменяться в пределах ±100 млн-1/°C. Под температурой при этом понимают температуру основания корпуса конвертера.

18.8 Выходные пульсации

Как уже упоминалось выше, внутренний конденсатор в модулях серии 5080 имеет ограниченную емкость. Для улучшения характеристик конвертера при включении/отключении нагрузки рекомендуется применять внешний конденсатор с указанной в спецификациях минимальной величиной емкости.
При выборе внешнего конденсатора предпочтение отдается твердотельным танталовым конденсаторам с низким значением ESR. Не следует применять выводные конденсаторы с избыточной последовательной индуктивностью, поскольку это увеличивает импеданс и снижает положительный эффект от использования внешнего конденсатора. Общая емкость внешних конденсаторов может достигать относительно больших значений, но не стоит превышать указанных в спецификациях величин без предварительных консультаций со специалистами компании MDI.
Для уменьшения высокочастотных выбросов можно использовать многослойные керамические конденсаторы поверхностного монтажа. Наилучшие результаты достигаются, когда такой конденсатор подключен, как четырехвыводной прибор (рисунок 27). Между конвертером и таким конденсатором можно также включать внешний синфазный дроссель, или использовать ферритовые трубки.


Рисунок 27 – Четырехвыводное подключение конденсатора

18.9 Температурная зависимость выходных пульсаций

Уровень основной гармоники выходных пульсаций конвертеров серии 5080 прежде всего зависит от суммарной емкости внешних выходных конденсаторов (если используются многослойные керамический конденсаторы), или от величины ESR выходных конденсаторов (если это твердотельные танталовые конденсаторы).
Выбор типа выходного конденсатора зависит от величины выходного напряжения и типа конвертера. Однако при изменении температуры наблюдаются отрицательные явления. Емкость керамических конденсаторов резко падает при достижении верхнего или нижнего температурного предела. Хотя применение керамических конденсаторов с низким значением ESR и обеспечивает очень низкие значения напряжения выходных пульсаций, при достижении температурой нижнего или верхнего предельного значения величина напряжения выходных пульсаций зачастую удваивается. При использовании твердотельных танталовых конденсаторов также следует учитывать, что значение ESR резко возрастает при снижении температуры до нижнего предела. Поэтому пользователю следует брать в расчет пессимистическую оценку температурного коэффициента увеличения напряжения пульсаций: 1 % на каждый градус Цельсия при отклонении температуры основания корпуса конвертера от номинального значения 25°C.

18.10 Защита от короткого замыкания и перегрузки

Для защиты выхода от случайного короткого замыкания или перегрузки DC/DC конвертеры серии 5080 снабжены схемой ограничения выходного тока на уровне около 125 % от номинального значения.

18.11 Защита от перенапряжения на выходе

DC/DC конвертеры серии 5080 не содержат внутренних цепей защиты от превышения выходным напряжением номинального значения. Если такая защита необходима, она должна реализовываться внешними средствами.

18.12 Переходная характеристика на выходе при изменении нагрузки

Переходная характеристика по напряжению при изменениях нагрузки зависит от величины внешней емкости и от величины перепада выходного тока. В таблице 12 приведены значения изменения выходного напряжения при изменении величины нагрузки от 25 % до 75 % относительно номинального значения при рекомендованных значениях емкости внешнего конденсатора.

Таблица 12 Изменение выходного напряжения с ростом нагрузки 25% / 75%

Номинальное
выходное напряжение,В
Внешняя
емкость (min),мкФ
Величина
нагрузки, Ом
Перепад выходного
напряжения, В
Внешняя
емкость (max), мкФ
Величина
нагрузки, Ом
Перепад выходного
напряжения, В
7.5 500 0.6146 0.4087 2000 0.3162 0.2103
5 500 0.302 0.302 2000 0.1577 0.1577
3.3 1000 0.2951 0.4426 4000 0.1119 0.1679
2.5 1000 0.1063 0.2127 4000 0.0557 0.1113
2 1000 0.1063 0.2127 4000 0.0557 0.1113
1.8 1000 0.1063 0.2127 4000 0.0557 0.1113
1.5 1000 0.1063 0.2127 4000 0.0557 0.1113
1.2 1000 0.1063 0.2127 4000 0.0557 0.1113
1 1000 0.1063 0.2127 4000 0.0557 0.1113
-3.3 1000 0.2951 0.4426 4000 0.1119 0.1679
-5 500 0.302 0.302 2000 0.1577 0.1577

18.13 Подача на выход конвертера внешнего напряжения

Независимо от того, включен или выключен DC/DC конвертер, на его выход может быть подано внешнее напряжение, не более, чем на 20 % превышающее его номинальное выходное напряжение. Подача напряжения обратной полярности категорически не допускается.

18.14 Назначение выводов

Pin 1 Positive Input Power — вход положительной полярности (соединен внутри конвертера с выводами 2 и 3)
Pin 2 Positive Input Power — вход положительной полярности (соединен внутри конвертера с выводами 1 и 3)
Pin 3 Positive Input Power — вход положительной полярности (соединен внутри конвертера с выводами 1 и 2)
Pin 4 Input/Output Common — общий для входа/выхода (соединен внутри конвертера с выводами 5 и 6)
Pin 5 Input/Output Common — общий для входа/выхода (соединен внутри конвертера с выводами 4 и 6)
Pin 6 Input/Output Common — общий для входа/выхода (соединен внутри конвертера с выводами 4 и 5)
Pin 7 Output — выход (соединен внутри конвертера с выводами 8 и 9)
Pin 8 Output — выход (соединен внутри конвертера с выводами 7 и 9)
Pin 9 Output — выход (соединен внутри конвертера с выводами 7 и 8)
Pin 10 Case Ground — общий вывод корпуса
Pin 11 Paralleling Input — вход распараллеливания
Pin 12 Paralleling Output — выход распараллеливания
Pin 13 V ref — выход опорного напряжения. Номинальное значение +5 В, использу-
ется для подстройки выходного напряжения.
Pin 14 Adjust — вход подстройки выходного напряжения
Pin 15 I out – выход сигнала, пропорционального выходному току
Pin 16 Sync Input – вход внешнего синхросигнала (100 кГц)
Pin 17 BIT – выход аналогового сигнала, характеризующего состояние модуля
Pin 18 Inhibit – вход запрета

18.14.1 Выход опорного напряжения (pin 13)

Вывод опорного напряжения, прежде всего, предназначен для подстройки (снижения) выходного напряжения конвертера. Однако его можно использовать и в других целях. Токовая нагрузка данного вывода не должна превышать 10 мА. Цепь питания источника опорного напряжения подключена ко входу конвертера.

18.14.2 Вход регулировки выходного напряжения (pin 14)

Вход регулировки (pin 14) предоставляет пользователю возможность немного увеличить или уменьшить выходное напряжение модуля серии 5080 относительно первоначально заданного значения. Рекомендуемый диапазон регулировки для каждого типа конвертера указан в спецификациях.
Для регулировки на увеличение значения выходного напряжения (любой полярности), подстроечный резистор подключается к общей шине. Для регулировки на уменьшение значения выходного напряжения (любой полярности), подстроечный резистор подключается к выходу опорного напряжения V ref (pin 13).
Вывод регулировки подключен к схеме конвертера через последовательный внутренний резистор 10 кОм, который предохраняет внутренние цепи преобразователя от повреждений и уменьшает влияние внешних помех.
Ниже в таблице 13 приведены значения резисторов, пригодные для любого из конвертеров серии 5080, а также указаны соотношения, которые позволяют вычислить необходимую величину внешнего резистора регулировки. Для расчета номинальной мощности такого резистора можно использовать тот факт, что падение напряжение на нем не превышает 2,5 В.
Если внешняя регулировка не используется, то вывод регулировки (pin 14) и вывод опорного напряжения V ref (pin 13) должны оставаться свободными.
При регулировке выходного напряжения конвертера в сторону увеличения следует соблюдать два ограничения: выходная мощность не должна превышать 10 Вт и выходной ток не должен превышать 4 А.

Таблица 13 Значения резисторов для регулировки конвертеров серии 5080

Номинальное
выходное напряжение,В
R1,кОм R2,кОм R3,кОм Регулировка с повышением напряжения Регулировка с понижением напряжения
7.5 20 10 10 Выражения (5) и (9) Выражения (7) и (9)
5 10 10 10 Выражения (5) и (9) Выражения (7) и (9)
3.3 16 50 10 Выражения (5) и (9) Выражения (7) и (9)
2.5 10 10 Выражения (5) и (9) Выражения (7) и (9)
2 10 50 10 Выражения (6) и (9) Выражения (8) и (9)
1.8 10 35,7 10 Выражения (6) и (9) Выражения (8) и (9)
1.5 10 25 10 Выражения (6) и (9) Выражения (8) и (9)
1.2 10 19,23 10 Выражения (6) и (9) Выражения (8) и (9)
1 10 16,67 10 Выражения (6) и (9) Выражения (8) и (9)
-3.3 16 50 10 Выражения (5) и (9) В Bыражения (7) и (9)
-5 10 10 10 Выражения (5) и (9) В Bыражения (7) и (9)

(Vadj – 2,5) / R1 = 2,5 / R1 + 2,5 / R4 (5)

(2,5 – Vadj) / R1 = 2,5 / R2 – 2,5 / R4 (6)

(Vadj – 2,5) / R1 = 2,5 / R2 + 2,5 / R4 (7)

(2,5 – Vadj) / R1 = 2,5 / R2 + 2,5 / R4 (8)

R3 = R4 – 10 кОм (9)

18.14.3 Индикация уровня выходного тока (pin 15)

Напряжение сигнала на выводе 15 пропорционально выходному току конвертера и используется при параллельном соединении нескольких конвертеров.

Таблица 14 Напряжение на выводе15 (I out) для моделей серии 5080

Напряжение на
выводе15, мВ/А
При номинальном входном
напряжении 12 В
При номинальном входном
напряжении 15 В
7.5 205 164
5 136 109
3.3 90 72
2.5 68 55
2 55 44
1.8 49 39
1.5 41 33
1.2 32 26
1 27 22
-3.3 90 72
-5 136 109

18.14.4 Параллельное включение конвертеров

Для увеличения отдаваемого в нагрузку тока выходы нескольких одинаковых конвертеров можно соединять параллельно. Однако распределение нагрузки между конвертерами будет при этом происходить непредсказуемым образом, если не использовать специальные выводы распараллеливания, предназначенные для организации такого соединения.
Путем соединения выводов распараллеливания конвертеров серии 5080 можно обеспечить более равномерное распределение между ними общей токовой нагрузки, при этом номинальный разброс значений выходных токов между конвертерами не превысит 10 %. Параллельно допускается соединять до пяти конвертеров. Один из них выбирается в качестве ведущего (master), и его выход распараллеливания подключается ко входам распараллеливания всех остальных ведомых (slave) конвертеров. Такая схема позволяет отказаться от дополнительных внешних схем с балластными резисторами и обеспечивает довольно хорошее распределение нагрузки между преобразователями.
При необходимости конвертеры можно соединять по схеме «ИЛИ» с использованием диодов и компенсировать возникающее при этом дополнительное падение напряжения подстройкой их выходных напряжений.

18.14.5 Вход внешней синхронизации (pin 16)

Конвертеры серии 5080 работают с частотой преобразования около 95 кГц и их можно синхронизировать, подавая на вход синхронизации (pin 16) синхроимпульсы с частотой следования в пределах от 95 до 105 кГц. Уровни входных синхроимпульсов должны соответствовать приведенным на рисунке 28 значениям. Короткие синхроимпульсы отрицательной полярности, наложенные на постоянный уровень +5 В, должны подаваться со скважностью в пределах 10 % ± 1 %. Необходимо отметить, что частота внутреннего генератора равна рабочей частоте преобразователя. По специальному заказу возможно изготовление конвертера с другим значением рабочей частоты — для этого необходимо обратиться в департамент продаж и маркетинга (Sales and Marketing Department) компании MDI.


Рисунок 28 – Форма сигнала внешней синхронизации

Если внешняя синхронизация не применяется, вход (pin 16) необходимо оставлять свободным.

18.14.6 Выход BIT (pin 17)

Аналоговый сигнал состояния BIT поступает на вывод 17 с выхода усилителя ошибки схемы управления ШИМ конвертера через выходной буфер. Внутреннее сопротивление источника сигнала BIT составляет около 50 кОм.
В нормальном состоянии напряжение на выводе BIT может изменяться от 0,9 до 3,3 В. Если напряжение оказывается ниже или выше этих границ, это указывает на то, что внутренняя петля регулирования оценивает выходное напряжение конвертера соответственно как слишком высокое, или слишком низкое. Подключив к этому выходу компаратор, можно получить сигнал BIT в виде логических состояний.

18.14.7 Вход запрета (pin 18)

Для отключения конвертера вход запрета должен быть подключен к земле (Input/Output Common) с разницей потенциалов не более 0,5 В. Когда вход запрета подключен к земле, через него протекает ток порядка 1 мА.
Для управления функцией запрета можно использовать транзистор с открытым коллектором. Однако, поскольку на этот вход можно безопасно подавать любое положительное напряжение до 16 В, то функцией запрета можно легко управлять с помощью стандартных логических элементов с питанием 3,3 или 5 В (рисунок 29).
Неиспользуемый вход запрета должен быть либо подключен к напряжению выше 3,3 В, либо оставлен свободным.


Рисунок 29 – Схема подключения функции запрета и схема
рекомендуемого интерфейса управления запретом

18.15 Рекомендации по защите нагрузки

Поскольку производитель не в состоянии предвидеть все возможные варианты применения пользователями конвертеров серии 5080, необходимо рассмотреть вопрос о защите подключенных к выходу конвертера чувствительных к перенапряжениям нагрузок.
Конвертеры серии 5080 не имеют гальванической развязки, которая изолировала бы входную шину преобразователя от его выходных цепей. Определенные обстоятельства, такие например, как перенапряжение на входе, или внешняя по отношению к конвертеру аварийная ситуация, могут вызвать отказ самого конвертера, в результате чего на какое-то время между его входом и выходом возникнет короткое замыкание. Поэтому пользователь должен самостоятельно оценивать последствия возникновения таких аварийных ситуаций и принимать соответствующие меры предосторожностей, которые могут включать использование защитного стабилитрона или супрессоров.

18.16 Эффективность конвертеров серии 5080

Синхронное выпрямление и схемотехника с использованием двух полевых транзисторов без изоляции вход/выход обеспечивают конвертерам серии 5080 довольно высокое значение КПД. Даже при очень низком выходном напряжении 1,2 В типовое значение КПД превышает 75 %, тогда, как у моделей с напряжением 3,3 В и выше величина КПД достигает 87 % и более. Приведенные на рисунке 30 кривые дают наглядное представление о типовом характере изменения КПД в зависимости от величины нагрузки для конвертеров с выходным напряжением 12 В.

18.17 Рекомендации по монтажу и охлаждению конвертеров серии 5080

Гибридные DC/DC конвертеры серии 5080 изготовлены с применением бескорпусных элементов. Отсутствие промежуточных корпусов позволило резко уменьшить габариты преобразователей. Все внутренние компоненты смонтированы на керамической подложке, которая прочно соединена с основанием корпуса.
Тепло может передаваться путем кондукции (распространение тепла через твердый материал), конвекции (передача тепла окружающему воздуху) и излучения в окружающее пространство. Конвертеры серии 5080 разработаны в расчете на кондукционное охлаждение через металлическое основание корпуса, которое выполняет функции радиатора охлаждения и теплоотвода.
Максимально рассеиваемая конвертером серии 5080 мощность при полной нагрузке составляет 2,5 Вт при нормальных условиях окружающей среды. Рассеиваемая мощность может увеличиваться при коротком замыкании или перегрузке конвертера. Рабочее значение КПД может снижаться в режиме малой нагрузки относительно своего значения при полной номинальной нагрузке.
Параметры DC/DC конвертеров серии 5080 нормированы до максимальной температуры основания корпуса 125°C. Пользователь должен следить за тем, чтобы температура основания корпуса конвертера не превышала максимально допустимого значения. Рассеиваемая компонентами тепловая энергия сконцентрирована в нескольких небольших областях, однако толщина подложки и корпуса позволяет распределить тепло по всей площади основания гибридного конвертера. Для того, чтобы получить максимальный выигрыш от применения конвертера, или обеспечить максимальную надежность, необходимо удерживать температуру поверхности, на которой смонтирован конвертер, от превышения нормированного значения.
Если толщина теплоотвода под гибридным конвертером слишком мала, то область под основанием корпуса конвертера будет перегреваться. Кроме того, слишком тонкий теплоотвод не может эффективно отводить тепло в стороны – в области, не лежащие непосредственно под DC/DC конвертером. Иногда толщина теплоотвода слишком велика, что затрудняет процесс монтажа проводников к выводам конвертера. В таких случаях необходимо в теплоотводе рассверливать отверстия под выводы до необходимого диаметра.

18.17.1 Характерные ошибки

Обзор характерных ошибок, наиболее часто встречающихся при использовании конвертеров, приведен выше в разделе 4.1.