Kitronik Arcade для BBC micro: bit и MakeCode Arcade Многие электронные конструкции, такие как системы с батарейным питанием, требуют мощных преобразователей постоянного тока в постоянный для поддержания стабильного выходного напряжения во время колебаний входного напряжения. Хотя топологии с переходом от понижения к повышению с четырьмя ключами являются распространенным выбором из-за их гибкости и удельной мощности, при расширении этих систем для приложений с высоким током возникают серьезные проблемы проектирования. Проектировщик должен тщательно сбалансировать архитектуру внутри понижающего и повышающего стабилизаторов напряжения. В частности, интеграция катушек индуктивности и устройств обнаружения тока существенно повлияет на общий размер, сложность и эффективность схемы.
В этом документе представлен краткий обзор проблем и компромиссов, с которыми сталкиваются проектировщики энергосистем. Далее будут представлены решения из линейки продуктов Analog Devices Buck и Boost Pressurizer, а также то, как они решают эти проблемы и оптимизируют конструкцию. Выделены оценочные комплекты и программное обеспечение, которые дизайнеры могут использовать для ускорения прототипирования и разработки.
Интегрированные компромиссы при сильноточном понижающем и повышающем проектировании
В повышающем преобразователе с четырьмя ключами для силового каскада требуются четыре МОП-транзистора, силовой дроссель и датчик тока. Как распределить эти компоненты между пакетами модулей и печатными платами (PCB) — это основное архитектурное решение для проектировщиков.
Внешнее размещение катушек индуктивности и резисторов обнаружения на печатных платах дает разработчику полный контроль над выбором компонентов. Размер индуктора, материал сердечника и ток насыщения можно точно подобрать в соответствии с применением. Однако за эту гибкость приходится платить: внешние компоненты занимают место на плате, усложняют компоновку и требуют тщательной проводки для минимизации помех на пути обнаружения тока.
Интеграция индукторов и резисторов обнаружения в корпус модуля упрощает конструкцию и компоновку, уменьшая количество компонентов и занимаемую площадь печатной платы. Однако есть компромиссы: дроссель ограничен размером корпуса, что может ограничивать максимальный выходной ток и тепловые характеристики.
Кроме того, резистор обнаружения можно заменить схемой неразрушающего измерения тока, что позволяет полностью исключить резистор обнаружения. Хотя это повышает энергоэффективность, это приводит к усложнению конструкции интегральных схем (ИС) для повышающих-понижающих модулей.
Как три серии модулей справляются с задачами интеграции с понижением и повышением уровня?
В рамках своей обширной линейки продуктов µ Module компания Analog Devices предлагает широкий спектр модулей постоянного/постоянного тока, которые позволяют разработчикам выбирать между этими стратегиями интеграции. В данной статье основное внимание уделяется повышающему-понижающему модулю с четырьмя переключателями (рис. 1): LTM4607, LTM4605 и LTM4; LTM8055, LTM8056 и LTM8054; И LTM4712. Каждый из них предназначен для разных областей в пределах диапазонов входного напряжения и выходного тока.
Понижающее/повышающее устройство с четырьмя переключателями µ Графическое изображение модуля
Рис. 1. Показаны понижающие и повышающие µ-модули с четырьмя ключами, которые сконструированы по-разному для разных входных напряжений и выходных токов. Источник изображения: Analog Devices, модификация Кентона Уиллистона)
Преобразователь постоянного тока в постоянный с внешним индуктором и резистором обнаружения
Интегрированные контроллеры LTM4, LTM4605 и LTM4 и МОП-транзисторы в корпусах модулей µ с силовыми индукторами и токоизмерительными резисторами вне печатной платы (рис. 2). Такая структура позволяет разработчикам гибко выбирать значения индуктора и резистора индуктора в соответствии с требованиями конкретного приложения.
Принципиальная схема аналоговых устройств LTM4, LTM4605 и LTM4
Рис. 2. Упаковка (слева) LTM4607, LTM4605 и LTM4 и схема соответствующих уровней мощности (справа) с выделенными внешними индукторами и индукционными резисторами. Источник изображения: Analog Devices)
Совместимые с LTM4, LTM4605 и LTM4pin корпуса LGA размером 15 x 15 x 2,82 мм. LTM4605 предназначен для низковольтных приложений с диапазоном входного напряжения от 4,5 В до 20 В и выходным током 12 А (режим пониженного напряжения). LTM4607 и LTM4 расширяют диапазон входного напряжения от 10 А (режим пониженного напряжения) до 36 В, при этом LTM4 — самый широкий диапазон выходного напряжения от 0,8 В до 34 В.
Преобразователь постоянного тока в постоянный со встроенным индуктором и резистором обнаружения
LTM8055, LTM8056 и LTM8054 (рис. 3) объединяют силовые индукторы и токоизмерительные резисторы в корпусах микромодулей, что упрощает конструкцию и компоновку за счет уменьшения количества внешних компонентов на печатной плате.
Принципиальная схема аналоговых устройств LTM8055, LTM8054 и LTM8056
На рис. 3 показан модуль (слева) устройств LTM8055, LTM8054 и LTM8056, а также показана схематическая компоновка (справа) встроенного индуктора и резистора обнаружения. Источник изображения: Analog Devices)
Из трех различных серий, обсуждаемых в этой статье, эта серия имеет самый низкий выходной ток: 5,4 А для LTM8054, 5,5 А для LTM8056 и 8,5 А для LTM8055 (все значения в понижающем режиме). LTM8056 имеет диапазон входного напряжения от 5 В до 60 В, что является самым широким из обсуждаемых здесь устройств, и имеет максимальное выходное напряжение 48 В. LTM8054 является самым компактным, занимая площадь 15 x 11,25 мм и высоту 3,42 мм для конструкций с ограниченным пространством. LTM8055 и LTM8056 имеют размеры 15 x 15 x 4,92 мм.
Преобразователь постоянного тока в постоянный со встроенным индуктором и неразрушающим обнаружением тока
LTM4712 (рис. 4) использует различные методы определения тока. Вместо использования отдельных контрольных резисторов используется запатентованное решение NDI, встроенное в модуль. Это устраняет потери мощности, связанные со специальным резистором обнаружения.