Специалисты компании Texas Instruments разработали и внедрили для самых востребованных, для систем распределенного питания и систем организации питания по технологии PoL, контроллеров новую топологию понижающих DC/DC-преобразователей, а именно – топологию регилирования прямого управления с “бесшовным” переходом в режим экономии энергии – DCS-ControlTM (англ. Direct Control with Seamless Transitioninto Power Save Mode). Эта топология включает в себя преимущества режима управления по напряжению (англ. Voltage-mode), режима с управлением по току (англ. Current-mode) и гистерезисных топологий управления, обеспечивая при этом чистый без переходных процессов переход из режима полной нагрузки в режим экономии энергии и обратно

ris 212

Типовое применение контроллера TPS62085 топологии DSC-Control и значения КПД DC/DC-преобразователя на его основе. Эта топология позволяет перекрыть рабочий диапазон регулирования от долей миллиампер до ампер с КПД, в этом диапазоне нагрузок, от 80-90 % для сверхмалых токов до 90-95 % для предельно больших токов.

 

До команды на пробуждения контроллер Texas Instruments находится в спящем, но не обесточенном режиме с минимальным потреблением мощности, а передатчик и его выходной каскад (беспроводного передатчика) – в выключенном. Пробуждаясь, контроллер MSP430 повышает потребление мощности, а после обработки и подготовки к передаче данных от сенсора, дает команду на передачу, после этого на передатчик (RF Transceiver) и его усилитель мощности (RFPA) подается питание, и они начинают выполнять свою функцию. По окончанию цикла передачи, передающая часть отключается, а контроллер опять засыпает. Как мы видим здесь, с целью экономии энергии, получаемой от батарей, используется многоступенчатая структура ее потребления. Эффективность такой системы зависит от организации ее питания.

 

Топология DCS-ControlTM

 

В общем виде топология DCS-управления представляет собой гистерезисную топологию. Тем не менее, она включает в себя несколько схем, которые обеспечивают преимущества топологий с управлением по напряжению тока. Для реализации DCS-управления в топологии преобразователя TPS62130 имеется два входа: вход обратной связи (вывод FB) и вход непосредственного слежения за выходным напряжением (вывод VOS). Вход FB работает так же, как и в большинстве преобразователей напряжения DC/DC. Это вход связан с усилителем ошибки, имеющим высокое входное сопротивление или с операционным усилителем, который формирует сигнал ошибки путем сравнения напряжения на выводе FB с напряжением источника внутреннего опорного VREF.

 

Как и в других DC/DC-преобразователей усилитель ошибки обеспечивает точное поддержание выходного напряжения. Делитель напряжения, установленный по входу FB между выходом преобразователя и общим проводом задает нужное выходное напряжение. Для некоторых устройств, таких как упомянутый контроллер TPS62131, вывод FB соединен внутри с помощью делителя напряжения с VOS (для версий с фиксированным выходным напряжением). Такое решение уменьшает количество внешних компонентов на два, а также снижает чувствительность входа к помехам. Кроме того, для того чтобы обеспечить стабильность усилителя ошибки в цепь его отрицательной обратной связи по напряжению включается еще и соответствующая компенсация.

Вывод VOS соединен непосредственно с выходным напряжением преобразователя в точке подключения выходного конденсатора DC/DC-преобразователя. Подобно входу FB, это вход организован также с высоким сопротивлением и включен в контур управления. Однако, в отличие от входа FB, вывод VOS подключен к разработанной специалистами компанией Texas Instruments фирменной схеме, которая создает линейное пилообразное напряжение. Затем это напряжение сравнивается с сигналом ошибки от усилителя ошибки, как это обычно происходит в устройствах регулирования сигнала по напряжению или по току. Эта часть внутренней схемы контроллера от входа VOS до компаратора и обеспечивает быстрый отклик гистерезисный топологии DCS-управления. Изменения выходного напряжения на выводе VOS непосредственно подаются на компаратор и сразу же оказывают влияние на работу устройства.

 

Пример работы DC/DC-преобразователя понижающего построенного по топологии DCS-ControlTM в режиме экономии энергии

 

В качестве примера, рассмотрим пульсации выходного напряжения в режиме экономии энергии для системы с входным напряжением равным 12 В и выходным – 3.3 В. Для этой цели используем оценочный модуль TPS62130 компании Texas Instruments, работающий на частоте 2.5 МГц. Цель – продемонстрировать то, как можно уменьшить пульсации выходного напряжения за счет увеличения внешней индуктивности и выходной емкости. Для демонстрации того, чтобы показать какими будут наихудшие пульсации выходного напряжения в режиме экономии энергии, был использован режим холостого хода, то есть преобразователь использовался без нагрузки.

 

Увеличение индуктивности дросселя приводит к уменьшению пикового ток и уменьшению энергии, которая накапливается в дросселе. А раз так, то и меньше энергии передается на выход, что также приводит к уменьшению пульсаций выходного напряжения. Путем изменения индуктивности инженер-разработчик может задать ток нагрузки, при котором осуществляется переход в режим экономии энергии, то есть ихменить границу DCM-управления. Большая индуктивность дросселя уменьшает пульсации его тока, это означает, что ток дросселя остается больше нулевого значения до более низких уровней выходного тока преобразователя.

 

Эта способность адаптировать точку перехода в режим энергоснабжения, и приведение уровня пульсаций выходного напряжения к заданному для конкретных потребностей уровню позволяет использовать эту топологию в самых различных приложениях, в том числе и в тех, которые крайне чувствительны к шумам и помехам по цепям питания. Пример применения DC/DC-преобразователей выполненных на контроллерах с технологией DCM-управления включают в себя беспроводные маломощные передатчики и приемники медицинского и индустриального применения, системы питания портативных устройств широкого применения, а также системы питания твердотельных накопителей SSD.

  TPS62131 Vin (Min) (V) Vin (Max) (V)  Vout (Min) (V) Vout (Max) (V) 
 3  17  1.8  1.8