Napěťová konverze navzdory nízkým energetickým úrovním

V článku si představíme novou třídu DC/DC měničů, mezi které patří též i obvod LTC3336 [1]. V režimu standby spotřebuje pouze okolo 65 nA a bude proto ideálním řešením pro systémy napájené z baterií.

V oblasti měničů napájení patří účinnost takové konverze ke klíčovým charakteristikám. Běžné spínané regulátory pracují v případě snižujícího převodu (step-down, buck) obvykle s účinností mezi 85 a 95 procenty. Dosahovaný výsledek z velké části závisí na dostupném napájecím napětí a příslušném napětí, které na výstupu potřebujeme vyrobit, stejně jako na požadovaném zatěžovacím proudu. Celá řada aplikací si však bude v případě účinnosti konverze žádat speciální charakteristiku, které lze také dosáhnout se speciálními návrhy spínaného regulátoru. Neobejdeme se tak bez měničů optimalizovaných právě pro malé výstupní výkony. Bateriově napájené systémy, které jsou trvale aktivní, musí v pohotovostním režimu často odebírat velmi malé proudy. Pro ilustraci si uveďme třeba snímače, které na mostech měří vibrace nebo např. v lese detekují požáry. V takových situacích je klíčové zajistit dlouhodobě nízké vybíjení baterie. Něco takového pak bude obzvlášť významné u systémů, které na pozici zdrojů energie využijí systémy jejího sběru z okolí.

Výše zmiňované senzory máme často rovněž připojené přes bezdrátové rozhraní k dalším zařízením. Jednotlivé uzly, které obvykle bývají napájené pomocí systémů sběru energie či baterií, jsou vzájemně provázané tak, aby mohly vysílat signály na dlouhé vzdálenosti a s přispěním řady dalších uzlů. Takovéto dílčí prvky vybavené vf rozhraním musí v určité podobě „režimu spánku“ neustále naslouchat svému okolí a pak, jakmile se odpovídající signál vyskytne, přepnout do pracovního módu s větší spotřebou energie, kdy také mohou související informaci dále šířit. V podobě obvodů LTC3336 se k vývojářům dostává nová třída DC/DC měničů. Zatímco je generováno výstupní napětí a dochází zde k malému zatěžování, spotřebují v režimu standby jen okolo 65 nA. Kompaktní zapojení pro výrobu výstupního napětí 2,5 V ze vstupu VIN o velikosti cca 7 V nám hezky ilustruje obr. 2.

Jak u podobných měničů napětí bývá zvykem, výstupní napětí zde není definováno napěťovým děličem s rezistory. To by totiž mohlo „promrhat“ zbytečně mnoho energie. K nastavení různých výstupních napětí místo toho poslouží vývody OUT0 až OUT3. V závislosti na jejich zapojení pak lze výstup definovat v krocích, a to mezi 1,2 V a 5 V.

V řadě aplikací se systémy sběru energie z okolního prostředí je zapotřebí takový zdroj ochránit před nepřiměřeným proudovým zatěžováním. Některé baterie či systémy sběru mohou totiž zajistit jen omezenou velikost proudu. Překročíme-li tedy konkrétní proudový limit, napětí může poklesnout, příp. zde v určitých případech dokonce hrozí i poškození. U měniče napájení je proto logické, že limitujeme proudový odběr. Obvod LTC3336 dokáže omezit vstupní proud v nastavitelných krocích, a to mezi 10 mA a 300 mA. Způsob práce se vstupním proudem se navíc podobá výstupnímu napětí v tom, že k nastavení opět využijeme vhodné fyzické kombinace vývodů IPK0 a IPK1.

Účinnost máme vykreslenou na obr. 3 a vidíme zde výsledky, kterých lze dosáhnout navzdory velmi nízkým zatěžovacím odběrům, jako je třeba 1 μA. Ušetříme tím spoustu energie, a to zvláště v dlouhodobě provozovaných aplikacích s nízkým zatěžováním.

Závěr

Článek představil obvod LTC3336 jako skvělou volbu pro bateriově napájené systémy, protože v režimu standby odebírá proud o velikosti pouze 65 nA. To pak znamená, že zapojení s pevně danou velikostí baterie lze provozovat po mnohem delší dobu, příp. zde můžeme sáhnout i po menších systémech sběru energie z okolního prostředí a dále tím snižovat cenu.

Odkazy:

[1] Integrované obvody LTC3336, https://www.analog.com/en/products/ltc3336.html