Texas Roads: автомобільні DC / DC-перетворювачі від Texas Instruments

1. У чому особливість автомобільних DC / DC-перетворювачів?
2. ГОСТ всьому голова!
3. На що варто звернути увагу при виборі автомобільного DC / DC-перетворювача
4. Розстановка компонентів і трасування друкованої плати
5. Огляд нових автомобільних DC / DC-перетворювачів від Texas Instruments
6. DC / DC-перетворювачі з вхідною напругою до 60 В
7. DC / DC-перетворювачі з вхідною напругою 60 В
8. висновок
9. література
10. Про компанію Texas Instruments

Існуючі галузеві стандарти пред'являють до автомобільних джерел живлення підвищені вимоги. Щоб забезпечити їх виконання, необхідно правильно вибрати DC / DC-перетворювач, зробити грамотну розстановку компонентів і трасування друкованої плати. В даній статті коротко розглядаються деякі особливості створення автомобільних джерел живлення, а також проводиться огляд сучасних синхронних перетворювачів LM76002 / 3 і LM73605 / 6 від Texas Instruments.

Джерела живлення, що працюють у складі автомобільного електрообладнання (рисунок 1), повинні володіти широким діапазоном вхідних напруг і підвищеною стійкістю до перешкод, відрізнятися мінімальним рівнем власних перешкод, зберігати працездатність в широкому діапазоні температур і так далі. Якщо мова йде про імпульсних регуляторах, то очевидно, що виконання більшої частини цих вимог безпосередньо залежить від вибору мікросхеми інтегрального DC / DC-перетворювача.

Мал. 1. Особливості автомобільних джерел живлення

З іншого боку, для отримання якісного джерела живлення, що відповідає вимогам ЕМС, необхідно грамотно виконати компоновку елементів і трасування друкованої плати.

У чому особливість автомобільних DC / DC-перетворювачів?

Чому електронні компоненти для автомобільних додатків завжди виділяють в окрему групу? Чому до них пред'являються підвищені вимоги? Відповіді на ці питання досить очевидні. По-перше, автомобілі цілий рік експлуатуються на відкритому повітрі, тому електроніка повинна зберігати працездатність в широкому діапазоні температур. По-друге, бортова мережа автомобіля має цілий ряд особливостей.

Харчування споживачів в автомобільної бортової мережі здійснюється від акумулятора і генератора (малюнок 2). При незаведенном двигуні основне навантаження бере на себе акумулятор. Після заводу двигуна основним джерелом харчування стає генератор, який попутно заряджає акумулятор.

Мал. 2. Спрощена схема електрообладнання автомобіля

Навантаження бортової мережі буває різною:

• резистивная навантаження, наприклад, підігрів стекол і сидінь, резистивні датчики і так далі;
• індуктивне навантаження - вентилятор опалення, склопідйомники та інше;
• лампи освітлення - ближнє світло, дальнє світло, освітлення салону і так далі.

Кожен тип навантаження має свої особливості. Наприклад, при відключенні індуктивного навантаження неминуче виникають потужні викиди напруги. При включенні ламп освітлення спостерігається стартовий кидок струму, поки спіраль лампи не нагріється.

На жаль, кондуктивні завади, що виникають в ланцюгах харчування, впливають на паралельно включених споживачів (рисунок 3). Наприклад, яскравість фар короткочасно падає при заводі двигуна. Це викликано тим, що пусковий струм стартера становить десятки ампер, що ненадовго викликає просідання акумулятора і падіння напруги.

Мал. 3. Приклади перешкод, що виникають в бортовій мережі автомобіля

Таким чином, автомобільні DC / DC-перетворювачі повинні витримувати вплив короткочасних і довготривалих перешкод. З іншого боку, рівень їх власних шумів також повинен бути обмежений. Це стосується як кондуктивних, так і ВЧ-перешкод радіодіапазоні.

Які ж конкретно перешкоди повинні витримувати DC / DC-перетворювачі? Який допустимий рівень власних перешкод? Відповіді на ці питання дають надійні і перевірені часом галузеві стандарти.

ГОСТ всьому голова!

Перед тим як приступити до вибору інтегрального DC / DC-перетворювача, слід ознайомитися з існуючими галузевими стандартами. Їх можна розділити на дві групи (рисунок 4). Перша група визначає вимоги безпосередньо до електронних компонентів (наприклад, AEC-Q100), друга - застосовується до кінцевого виробу (наприклад, ГОСТ Р52230-2004). Дамо коротку характеристику основним стандартам.

Мал. 4. Стандарти є відправною точкою при створенні автомобільних ІП

AEC-Q100. Найбільш поширеною групою стандартів, що застосовуються до компонентів автомобільної електроніки, є AEC-Q100. Ці стандарти розроблені однойменної організацією Automotive Electronic Committee (AEC).

AEC-Q100 приділяє увагу таким параметрам як діапазон робочих температур, захист від статичного розряду, здатність до пайки, здатність до збереження інформації (для пам'яті), надійність і інші.

Атестація з AEC-Q100 є добровільною. Крім того, при створенні автомобільної електроніки застосування компонентів, атестованих по AEC-Q100, не є обов'язковим ,. Головне, щоб підсумкове пристрій відповідало вимогам технічного завдання, ТУ або ГОСТ. Втім, відповідність AEC-Q100 говорить про високу надійність компонента і в більшості випадків замовник спочатку вимагає використання тільки таких елементів.

ГОСТ Р52230-2004. Основним стандартом при створенні автомобільної електроніки є ГОСТ Р52230-2004 «Електроустаткування автотракторне. Загальні технічні умови ». Він містить основні визначення, методи і типи випробувань автотракторного електроустаткування і посилання на інші стандарти.

З точки зору розробника джерел живлення найбільш важливі положення ГОСТ Р52230-2004 стосуються робочих діапазонів температур і номінальних напруг бортової мережі.

Діапазон робочих температур визначається в залежності від кліматичного варіанти виконання і місця установки обладнання.

Згідно ГОСТ Р52230-2004, номінальну напругу для споживачів струму вибирається з ряду 6/12/24 В. Крім того, споживачі електроенергії, які використовуються при працюючому двигуні, повинні бути працездатними при зміні напруги, що підводиться в діапазоні 90% ... 125% номінального значення. В результаті нескладно порахувати, що діапазони номінальних напруг харчування для мікросхем, підключених до бортової мережі, складають по рядах: 5,4 ... 7,5 В; 10,8 ... 15 В; 21,6 ... 30 В. Однак і це ще не все. Електронні датчики і блоки управління, згідно з ГОСТ, повинні витримувати перенапруги в бортовій мережі відповідно до ГОСТ 33991-2016.

ГОСТ 33991-2016. Стійкість до кондуктивним перешкод, поширюваним по ланцюгах харчування, і обмеження по генерації власних кондуктивних перешкод визначені в ГОСТ 33991-2016 «Електрообладнання автомобільних транспортних засобів. Електромагнітна сумісність. Перешкоди в ланцюгах. Вимоги та методи випробувань »

Проведення випробувань на відповідність ГОСТ складається з двох частин:

• вимір рівня власних перешкод;
• встановлення рівня захисту від можливих кондуктивних перешкод.

Рівень власних перешкод визначається двома показниками: виглядом перешкод і ступенем їх емісії.

Перешкодостійкість характеризується функціональним станом вироби під час і після впливу випробувальних імпульсів. Розрізняють п'ять типів випробувальних імпульсів (таблиця 1) і п'ять функціональних класів (таблиця 2).

Таблиця 1. Характеристика випробувальних імпульсів ГОСТ 33991-2016

Випробувальний імпульс Характеристика 1a, 1b Моделюють перехідні процеси, які виникають при відключенні паралельних індуктивних навантажень 2 Моделює перехідні процеси, які викликані раптовим перериванням струму, що подається індуктивним джерелом в бортову мережу 3a, 3b Моделюють пікові значення напруг, які виникають при комутаційних процесах 4 Моделює посадку напруги харчування, викликану включенням стартера двигуна внутрішнього згоряння 5a, 5b Моделюють перехідний процес при режимі скидання навантаження, а також ра змиканія акумуляторної батареї в той час, коли від генератора ще триває подача зарядного струму, а інша навантаження залишається в ланцюзі генератора: 5a - без централізованої системи придушення викидів, 5b - c централізованою системою придушення викидів

Таблиця 2. Функціональні класи ГОСТ 33991-2016

Клас Опис A Рівень I: виріб виконує свої функції відповідно до призначення під час і після випробувань B Рівень II: вони не виконує свої функції відповідно до призначення під час випробувань, але нормальне функціонування автоматично відновлюється після випробувань C Рівень III: виріб не виконує свої функції відповідно до призначення під час і після випробувань і нормальному функціонуванню відновлюється без втручання водія / пасажира, такого як виключення / включення випробуваного пристрою або повторне включення вимикача запалювання після впливу перешкоди D Рівень IV: виріб не виконує свої функції відповідно до призначення під час і після випробувань і функціонування належної якості не може бути відновлено без більш детального втручання, такого як відключення і повторне підключення акумулятора або примусова подача енергії. В результаті випробування цього продукту не можна мати ніякого залишкового пошкодження

Як видно з таблиці 1, ГОСТ 33991-2016 охоплює всі можливі «штатні» перешкоди, що виникають в ланцюгах харчування.

ГОСТ 30378-95. Нормативні акти ESD визначається по ГОСТ 30378-95 (ГОСТ 50607-93) «Електрообладнання автомобілів. Перешкоди від електростатичних розрядів. Вимоги та методи випробувань ». Стандарт звично виділяє два типи електростатичних розрядів: контактний і повітряний.

ГОСТ Р 51318.25-2012 (СІСПР 25: 2008). Імпульсні джерела живлення є потужним джерелом ВЧ-перешкод. Обмеження за рівнем радіоперешкод представлені в ГОСТ Р 51318.25-2012 (СІСПР 25: 2008) «Сумісність технічних засобів електромагнітна. Транспортні засоби, моторні човни і пристрої з двигунами внутрішнього згоряння. Характеристики індустріальних радіоперешкод. Норми і методи вимірювань для захисту радіоприймальних пристроїв, розміщених на рухомих засобах ».

ГОСТ Р 51318.25-2012 встановлює норми і методи вимірювань параметрів індустріальних радіоперешкод в смузі частот 150 кГц ... 2500 МГц. Вимоги стандарту спрямовані на забезпечення захисту приймачів (радіоприймачів, мобільних радіосистем, радіотелефонів, аматорських радіосистем, системи супутникової навігації (GPS і подібних) і Bluetooth), встановлених в транспортних засобах, від індустріальних радіоперешкод, створюваних елементами / модулями в самих транспортних засобах.

Перераховані стандарти застосовні до джерел живлення автомобільної електроніки. У більшості випадків вони майже безпосередньо задають вимоги до мікросхем DC / DC-перетворювачів. Однак при виборі конкретної мікросхеми слід враховувати і деякі додаткові особливості.

На що варто звернути увагу при виборі автомобільного DC / DC-перетворювача

Вимоги до автомобільних DC / DC-перетворювачів досить специфічні, тому при виборі відповідного регулятора необхідно звертати увагу на цілий ряд особливостей.

Діапазон робочих температур. Як правило, для автомобільних додатків слід вибирати DC / DC-перетворювач з широким діапазоном робочих температур -40 ... 125 ° С. Втім, іноді і цього буває недостатньо.

Діапазон робочих напруг. Як вже говорилося вище, навіть в штатному режимі допускається зміна напруги бортової мережі в межах від 90% до 125% номінальної напруги. Крім того, відповідно до ГОСТ 33991-2016 можливе виникнення перенапруг прямого і зворотного полярностей. Наприклад, для бортової мережі 12 В амплітуда імпульсів типу 3а досягає -150 В, а імпульсів 3b +100 В.

На жаль, існуючі перетворювачі з такими перепадами самостійно впоратися не зможуть, проте за допомогою зовнішніх елементів захисту, наприклад, випрямних діодів і TVS-супресорів, можна погасити перешкоди до прийнятного значення, що знаходиться в рамках робочого діапазону напруг DC / DC-перетворювача.

Як показує практика, для бортової мережі 12 В найчастіше використовуються DC / DC-перетворювачі з вхідною напругою 36 В (і вище), а для бортової мережі 24 В застосовуються DC / DC-перетворювачі з допустимим вхідним напругою від 60 В (і вище) .

Не варто забувати і про нижню порозі напруги харчування. Зокрема, при заводі двигуна легкового автомобіля (12 В) напруга бортової мережі істотно «просідає». Якщо пуск проводиться при позитивній температурі навколишнього середовища, то просадка може досягати 6 В (рисунок 5а) [1]. Якщо нижній поріг перетворювача досить малий, то навіть в такій ситуації він зможе підтримати стабільну вихідну напругу 5 або 3,3 В.

Запуск при негативних температурах виявляється ще більш жорстким, і може короткочасно привести до падіння напруги до 4,2 В (рисунок 5б). Якщо в схемі відсутній додатковий підвищувальний перетворювач, то стабільну вихідну напругу самостійно зможе підтримати тільки перетворювач 3,3 В.

Мал. 5. Відгук LM53635 на просідання напруги бортової мережі при пуску двигуна

Тут варто відразу зробити застереження. При осіданні акумулятора перетворювач зможе підтримати стабільну вихідну напругу тільки якщо його власне падіння напруги досить мало.

Падіння напруги на перетворювачі. Вихідна напруга перетворювача залежить від величини навантаження, опору силового ключа і індуктивності, коефіцієнта заповнення (формула 1) [1]:

$$ V_ {OUT \ _MIN} = (V_ {IN} \ times D_ {MAX}) - (R_ {DS \ _ON} \ times I_ {IN}) - (R_ {DCR} \ times I_ {L \ _RMS} ), \ qquad {\ mathrm {(}} {1} {\ mathrm {)}} $$

де DMAX - максимальний коефіцієнт заповнення, RDS_ON - опір ключа, RDCR - опір котушки, IL_RMS - струм індуктивності, IIN - вхідний струм.

Як приклад в таблиці 3 наведені значення мінімальної можливої ​​просадки напруги на виході перетворювачів сімейства LM5360xx при максимальному навантаженні.

Таблиця 3. просіла напруги при роботі різних перетворювачів

параметр LM53602 / 3 LM53600 / 1 LM53625 / 35 Типовий Максимальний Типовий Максимальний Типовий Максимальний Rds_on, мОм 95 200 200 420 60 130 Твкл хв., Нс 50 80 50 75 50 60 Падіння напруги при частоті 1,85 МГц, мВ 509 868 509 806 509 578

Функція плавного запуску. Корисною особливістю для автомобільних DC / DC-перетворювачів є функція плавного запуску. Справа в тому, що цифрові мікросхеми (процесори, датчики і так далі) виявляються досить чутливими до перепадів напруги. Найчастіше нестабільність напруги проявляється при включенні замку запалювання або групи паралельно включених пристроїв. При цьому відбувається масовий заряд вхідних конденсаторів і, як наслідок, перебіг значних струмів. Так як опір проводів є кінцевим, то в початковий момент часу можуть спостерігатися локальні осідання напруги. Якщо ж DC / DC-перетворювач буде формувати вихідну напругу не стрибком, а плавно, то цей критичний стартовий момент буде пропущений, і до моменту виходу на режим все перехідні процеси закінчаться (рисунок 6). Це врятує цифрові мікросхеми від багаторазових перезапусків.

Мал. 6. Плавний пуск дозволяє уникнути неприємностей при включенні цифрових схем

Швидкодію системи управління. Для оцінки стійкості ІП до пульсацій і змін напруги бортової мережі часто використовують автомобільний тест "Waterfall Test" [1]. Він полягає у формуванні імпульсних просадок з поступовим зменшенням напруги живлення (рисунок 7). Не всі перетворювачі здатні адекватно відпрацьовувати такий вплив. Деякі з них схильні до перерегулювання через недостатнє швидкодії системи управління (рисунок 7б). З'являються перенапруги (в даному випадку - близько 500 мВ) можуть бути небезпечні для цифрових мікросхем.

Мал. 7. Перевірка відгуку DC / DC-перетворювачів на імпульсна зміна вхідної напруги

Тип перетворювача. У більшості випадків в автомобільних пристроях використовуються понижуючі неізольовані перетворювачі. Іноді для забезпечення стійкої роботи при просадках напруги застосовуються вхідні підвищують регулятори.

Історично склалося так, що на ринку довгий час були присутні тільки несинхронні автомобільні перетворювачі. Однак зараз ситуація змінюється. Зокрема, компанія Texas Instruments пропонує синхронні регулятори з вбудованими ключами і вхідною напругою до 60 В. Синхронні перетворювачі дозволяють відмовитися від зворотного діода. Це дає можливість створювати компактні і високоефективні джерела живлення.

Споживання і ККД. Автомобільні DC / DC-перетворювачі повинні мати мінімальний струм споживання (quiescent current), малі втрати і високий ККД в широкому діапазоні струмів навантаження. Це в першу чергу стосується тих приладів, які залишаються активними при незаведенном двигуні.

Втрати перетворювача бувають статичними і динамічними. Статичні втрати в першу чергу визначаються опором силових ключів, динамічні сильно залежать від частоти комутації.

Як правило, в широкому діапазоні струмів добро собі проявляє ШІМ-режим з фіксованою частотою комутації силових ключів (рисунок 8). Однако при малих токах дінамічні Втрата віявляються непріпустімо скроню, что виробляти до Падіння ККД. Щоб цього избежать, найбільш просунуті перетворювачі переходять до режиму з частотно імпульсної модуляцією (ЧИМ). Зменшення частоти комутації при малих навантаженнях дозволяє підвищити ККД. Як приклад такого рішення можна знову привести сімейство LM536XX виробництва Texas Instruments [1].

Мал. 8. Перехід до ЧИМ для збільшення ККД при малому навантаженні

Частота перемикань. Добре відомо, що для мінімізації габаритів індуктивності і ємності вихідного фільтра необхідно підвищувати частоту перемикань. При цьому важливо враховувати вимоги ГОСТ Р 51318.25-2012 (СІСПР 25: 2008), згідно з якими слід уникати використання частот, відведених для AM- і FM-приймачів. Таким чином, частота перемикань для автомобільного DC / DC-перетворювача повинна бути або нижче 530 кГц (діапазон AM-модуляції), або бути вище 1,8 МГц (діапазон FM-модуляції) [1].

Розширення спектру (Spread Spectrum). Навіть при використанні дозволених частот не завжди вдається гарантувати відсутність перешкод в AM- і FM-діапазонах. Для додаткового зменшення рівня шумів в деяких перетворювачах застосовують техніку розширення спектра (Spread Spectrum).

При використанні фіксованої частоти комутації на частотній характеристиці перетворювача явно видно піки (малюнок 9а) [1]. Вони відповідають частоті перемикань і її гармоникам. Потужність цих гармонійних складових виявляється достатньою для того щоб їх фіксували приймачі, що є вкрай небажаним.

Техніка розширення спектра має на увазі постійне переключення робочої частоти в деякому діапазоні за випадковим (псевдослучайному) алгоритму. Наприклад, в перетворювачах LM53600 / 1 і LM53625 / 35 частота комутації коливається в діапазоні ± 4% (± 84 кГц) з дозволом 17 біт (131072 значень) [1]. В результаті спектр перетворювача не має яскравих піків.

Мал. 9. Функція розширення спектра допомагає мінімізувати пікові значення шумів

Правильний вибір частоти комутації та використання розширення спектра значно спрощує роботу вхідних синфазних і диференціальних фільтрів. Проте, для отримання малошумящего джерела необхідно вкрай відповідально підходити до розстановки компонентів і трасування друкованої плати.

Розстановка компонентів і трасування друкованої плати

З попередніх розділів ясно, що вирішити проблему власних перешкод тільки за рахунок правильного вибору перетворювача, на жаль, не вийде. Установка вхідних синфазних і диференціальних фільтрів також не завжди рятує ситуацію. В результаті для мінімізації рівня шумів доведеться приділити особливу увагу розстановці компонентів і трасування друкованої плати.

Тут варто зазначити, що рекомендації з розведення автомобільних перетворювачів мало чим відрізняються від рекомендацій по розводці джерел живлення для інших галузей. Розглянемо коротко найбільш корисні з них [2, 3]:

• використовуйте для розв'язки по харчуванню високоякісні керамічні конденсатори. Ці конденсатори мають найменшим опором;
• розташовуйте вхідний конденсатор фільтра якомога ближче до висновку мікросхеми (рисунок 10). Збільшення довжини струмового петлі призводить до зростання імпедансу ланцюга і до збільшення рівня перешкод. Як приклад можна привести результати випробувань перетворювача LM53601 при різному розташуванні вхідного конденсатора фільтра (рисунок 11).

Мал. 10. Вхідний конденсатор повинен розташовуватися якомога ближче до входу DC / DC-перетворювача

Мал. 11. Вплив струмового петлі вхідного конденсатора на спектр перешкод

• намагайтеся зменшити довжину силових ланцюгів (VIN, VOUT, SW і GND). Використовуйте провідники максимальної ширини або полігони, це зменшить імпеданс і поліпшить якість тепловідведення від мікросхеми;
• використовуйте для зовнішніх шарів металлизацию максимальної товщини. Коментар в даному випадку залишається таким же, як і в попередньому пункті - чим товще металлизация, тим менше імпеданс і краще тепловідвід;
• намагайтеся розвести силові ланцюги (VIN, SW і землю від VIN) на тому ж шарі, що і перетворювач - це найбільш небезпечні ланцюги з точки зору шумів;
• конденсатор CBOOT також відноситься до гучної ланцюга. Його слід поміщати в максимальному наближенні до перетворювача;
• використовуйте найближчий внутрішній шар друкованої плати для суцільного земляного полігону, це дозволить екранувати чутливі ланцюга;
• розміщуйте розв'язує конденсатор ланцюга харчування VCC максимально близько до висновку мікросхеми і підключайте його до шару землі за допомогою перехідних отворів, розташованих впритул до контактної майданчику або прямо на ній;
• при наявності виділеного виведення аналогової землі його слід підключати до земляного полігону за допомогою перехідних отворів;
• мінімізуйте довжину ланцюга зворотного зв'язку FB. При цьому резистори зворотного зв'язку слід розташовувати впритул до висновку FB (рисунок 12). У цьому випадку вони, спільно з вхідною ємністю, створять ФНЧ-фільтр. Якщо ж резистор зворотного зв'язку помістити далеко від виведення FB, то перешкоди, що генеруються силовими ланцюгами, будуть надходити безпосередньо в схему управління;

Мал. 12. Резистор сигналу зворотного зв'язку слід розташовувати поблизу виведення FB

• використовуйте додаткові перехідні отвори під мікросхемою перетворювача для поліпшення тепловідводу;
• як вже зрозуміло з вищесказаного, для отримання хороших результатів необхідно використовувати багатошарову друковану плату. При цьому потрібно як мінімум один шар виділити для полігону землі.

Нескладно помітити, що виконати трасування виявляється значно простіше, якщо розташування висновків мікросхеми перетворювача оптимізовані.

Огляд нових автомобільних DC / DC-перетворювачів від Texas Instruments

Texas Instruments випускає досить широкий спектр DC / DC-перетворювачів, які можуть використовуватися для створення автомобільних джерел живлення, що працюють з бортовою мережею 12 або 24 В.

DC / DC-перетворювачі з вхідною напругою до 60 В

Для легкових автомобілів та іншої автотракторної техніки з бортовою мережею 12 В, як правило, використовуються мікросхеми з діапазоном напруги 36 В. Texas Instruments активно працює в даному сегменті і продовжує удосконалювати свої продукти. Свідченням цього є DC / DC-перетворювачі LM73605-Q1 и LM73606-Q1 .

LM73605 / 6 - синхронні перетворювачі з діапазоном вхідних напруг 36 В і вихідним струмом 5 і 6 А відповідно (таблиця 4).

Таблиця 4. Характеристики автомобільних DC / DC-перетворювачів виробництва Texas Instruments з вхідною напругою менше 60 В

Найменування LM73605-Q1 LM73606-Q1 LM53635-Q1 LM53625-Q1 Uвх макс., В 36 36 42 42 Uвх хв., В 3,5 3,5 3,5 3,5 U вих макс., В 34 34 10 10 U вих хв., В 1 + 1 3,2 3,2 Iвих макс ., А5 6 3,5 2,5 Робоча частота хв., кГц 350 350 1850 1850 Робоча частота макс., кГц 2200 2200 2350 2350 Iпотр тип., мА 0,015 0,015 0,018 0,018 Управління Токове Токове Токове Токове Максимальний коефіцієнт заповнення,% 96 96 98 98 Траб, ° С -40 ... 125 -40 ... 125 -40 ... 150 -40 ... 150

Використання синхронної топології з інтегрованими силовими ключами, а також наявність вбудованих ланцюгів компенсації максимально спрощує схему включення (рисунок 13). Якщо додаткові функції (power good, синхронізація і так далі) не потрібні, то для отримання закінченого рішення потрібен мінімум зовнішніх компонентів.

Мал. 13. Спрощена схема включення LM73605 / 6

LM73605 / 6 працюють з частотою комутації 350 ... 2200 кГц. Програмування частоти комутації проводиться за допомогою одного зовнішнього резистора, що підключається до висновку RT. При цьому для користувачів є два режими: Auto і FPWM. Вибір режиму задається подачею високого або низького сигналу на висновок MODE. Режим FPWM (Forced PWM) передбачає роботу з жорстко заданою частотою в режимі безперервних струмів. У режимі Auto при значних навантаженнях також використовується фіксована частота комутації. Однак при малому навантаженні відбувається перехід в режим ЧИМ (PFM) зі зменшенням частоти комутації.

Як говорилося вище, здатність зменшувати частоту комутації при малому навантаженні призводить до значного підвищення ККД перетворювача (рисунок 14) [2]. ККД LM73605 / 6 в режимі Auto буде вищою 90% навіть при навантаженні менше 10 мА.

Мал. 14. ККД DC / DC-перетворювача LM73605 / 6

Високих значень ККД вдається досягати і завдяки малому опору вбудованих ключів і мінімального власного споживання. Опір інтегрованих силових MOSFET становить 53 мОм (верхній MOSFET) і 31 мОм (нижній MOSFET). У режимі Auto власне споживання LM73605 / 6 становить всього 15 мкА. Все це дозволяє мінімізувати втрати і домагатися мінімального перегріву (рисунок 15).

Мал. 15. Нагрівання DC / DC-перетворювачів LM73605 / 6

Серед додаткових корисних функцій LM73605 / 6 слід зазначити:

• плавний запуск з регульованим часом включення;
• можливість синхронізації із зовнішнім джерелом тактирования;
• індикацію усталеного режиму Power-Good;
• захист від
• просадок напруги (UVLO) з налаштованим порогом;
• перевантажень по струму;
• перегріву.

Великим плюсом LM73605 / 6 слід вважати мініатюрний корпус (WQFN) і оптимальне розташування висновків. Це дозволяє створювати компактні джерела живлення і забезпечувати виконання всіх вимог ЕМС (рисунок 16).

Мал. 16. LM73605 / 6, завдяки оптимальному розташуванню висновків, дозволяє створювати компактні рішення

Говорячи про корпусному виконанні перетворювачів LM73605 / 6, слід зазначити особливу форму їх висновків - Wettable Flanks. Висновки Wettable Flanks відрізняються від звичайних висновків QFN (рисунок 17). Сформована канавка дозволяє краще розподілити припій. З одного боку це усуває проблему надлишків пасти, а з іншого - значно спрощує процедуру контролю якості пайки.

Мал. 17.Корпус WQFN має особливу конфігурацію висновків (Wettable Flanks)

DC / DC-перетворювачі з вхідною напругою 60 В

Для автотракторної техніки з бортовою мережею 24 В найбільше підходять DC / DC-перетворювачі з вхідною напругою 60 В і вище.

Texas Instruments пропонує широкий спектр автомобільних 60 В DC / DC-перетворювачів з різною струмовим навантаженням (таблиця 5):

• LM16010 / 20/30 - несинхронні перетворювачі з струмовим навантаженням 1/2/3 А, які відрізняються простотою використання, високою робочою частотою до 2,5 МГц і широким діапазоном вихідних напруг;
• LM46001-Q1 и LM46002-Q1 - синхронні DC / DC-перетворювачі з високим ККД до 99% і струмовим навантаженням 1 А і 2 А;
• LM76002-Q1 и LM76003-Q1 - синхронні DC / DC-перетворювачі з рекордно малим власним споживанням всього в 15 мкА і струмовим навантаженням до 2,5 і 3,5 А.

Таблиця 5. Характеристики автомобільних DC / DC-перетворювачів Texas Instruments з вхідною напругою 60 В

Найменування LM76002-Q1 LM76003-Q1 LM46001-Q1 LM46002-Q1 LMR16010 LMR16020 LMR16030 Uвх макс., В 60 60 60 60 60 60 60 Uвх хв., В 3,5 3,5 3,5 3,5 4,3 4,3 4,3 U вих макс., В 57 57 28 28 50 50 50 U вих хв., В 1 1 1 1 1 1 1 Iвих макс., А 2,5 3,5 1 2 1 2 3 Робоча частота хв., кГц 300 300 200 200 200 200 200 Робоча частота макс., кГц 2200 2200 2200 2200 2500 2500 2500 Iпотр тип., мА 0,015 0,015 0,024 0,027 0,04 0,04 0,04 Управління Токове Токове Токове Токове Токове Токове Токове Максимальний коефіцієнт заповнення,% - - 99 99 98 98 98 Траб, ° С -40 ... 150 -40 ... 150 -40 ... 125 -40 ... 125 -40 ... 125 -40 ... 125 -40 ... 125

LM76002-Q1 і LM76003-Q1 є найбільш просунутими автомобільними перетворювачами від TI. Їх слід розглянути докладніше.

LM76002-Q1 і LM76003-Q1 відрізняються простою схемою включення, яка вимагає мінімального набору зовнішніх компонентів (рисунок 18). Це стало можливим завдяки інтеграції ключів і ланцюгів корекції в мікросхему перетворювача. Нескладно помітити, що розташування висновків LM76002-Q1 і LM76003-Q1 оптимізовані для максимального спрощення трасування друкованої плати.

Мал. 18. Спрощена схема включення LM76002 / 03

Перетворювачі LM76002-Q1 і LM76003-Q1 здатні працювати в двох режимах: FPWM з фіксованою частотою перемикань (300 ... 2000 кГц) або Auto з можливістю автоматичної підстроювання частоти комутації при малих навантаженнях. Власне споживання мікросхем в режимі Auto виявляється на рівні 15 мкА.

Типове опір інтегрованих силових ключів LM76002-Q1 і LM76003-Q1 становить 95 мОм (верхній MOSFET) і 45 мОм (нижній MOSFET). Малі власні втрати і можливість зниження робочої частоти дозволяють їм зберігати високий ККД в широкому діапазоні навантажувальних струмів (рисунок 19).

Мал. 19. ККД DC / DC-перетворювача LM76002 / 03

Серед додаткових переваг LM76002-Q1 і LM76003-Q1 можна відзначити: наявність функції плавного запуску з регульованою тривалістю, можливість синхронізації із зовнішнім джерелом тактирования, індикацію усталеного режиму Power-Good, захист від перевантажень по струму, захист від перегріву, особливу форму висновків Wettable Flanks .

висновок

При створенні автомобільних джерел живлення необхідно враховувати цілий ряд особливостей, а також вимоги галузевих стандартів. Для отримання прийнятного результату важливо не тільки правильно вибрати мікросхему DC / DC-перетворювача, але і грамотно виконати розстановку компонентів і трасування друкованої плати.

Автомобільний DC / DC-перетворювач повинен відрізнятися широким діапазоном вхідних напруг, володіти високим ККД, відповідати вимогам за рівнем власних перешкод.

Сучасні синхронні DC / DC-перетворювачі виробництва Texas Instruments відповідають всім необхідним вимогам. Наприклад, регулятори LM73605 / 6 дозволяють створювати автомобільні джерела живлення навантаженням до 5/6 А для бортових мереж 12 В. Перетворювачі LM76002 / 03 мають діапазон вхідних напруг 60 В і здатні працювати в складі бортових мереж з напругою 24 В.

література

1. Katelyn Wiggenhorn. Application Report. Designing High-Performance, Low-EMI Automotive Power. Texas Instruments 2017;
2. LM73605 / LM73606 3.5-V to 36-V, 5-A or 6-A Synchronous Step-Down Voltage Converter. Texas Instruments 2017;
3. LM76002 / LM76003 3.5-V to 60-V, 2.5-A / 3.5-A Synchronous Step-Down Voltage Regulator. Texas Instruments 2017;
4. ГОСТ Р52230-2004 «Електроустаткування автотракторне. Загальні технічні умови »;
5. ГОСТ 33991-2016 «Електрообладнання автомобільних транспортних засобів. Електромагнітна сумісність. Перешкоди в ланцюгах. Вимоги та методи випробувань »;
6. ГОСТ 30378-95 (ГОСТ 50607-93) «Електрообладнання автомобілів. Перешкоди від електростатичних розрядів. Вимоги та методи випробувань »;
7. ГОСТ Р 51318.25-2012 (СІСПР 25: 2008) «Сумісність технічних засобів електромагнітна. Транспортні засоби, моторні човни і пристрої з двигунами внутрішнього згоряння. Характеристики індустріальних радіоперешкод. Норми і методи вимірювань для захисту радіоприймальних пристроїв, розміщених на рухомих засобах »;
8. ti.com.

Про компанію Texas Instruments

В середині 2001 р компанії Texas Instruments і КОМПЕЛ уклали офіційну дистриб'юторську угоду, яке стало результатом тривалої і успішної роботи КОМПЕЛ в якості офіційного дистриб'ютора фірми Burr-Brown. (Як відомо, Burr-Brown увійшла до складу TI так само, як і компанії Unitrode, Power Trend і Klixon). З цього часу компанія КОМПЕЛ отримала доступ до постачання всієї номенклатури вироблених компанією TI компонентів, технологій та налагоджувальних засобів, а також ... читати далі