Přizpůsobí se, zálohují, chrání. Novinky od Analogu však předně napájí

Od letošního léta mohou vývojáři ve svých zapojeních nechat řídit a také napájet přinejmenším tři nové obvody Power by Linear™ od Analog Devices. Co přesně nabízí a s jakými vlastnostmi?

60V snižující kontroléry s 8A DC/DC

První novinkou se stávají obvody LTC3372 s vysokou mírou integrace určené pro řízení napájení v systémech vyžadujících větší počet nízkonapěťových výstupů odvozených ze vstupního napětí dosahujícího až 60 V. Součástky zahrnují 60V synchronně snižující kontrolér spínaného regulátoru následovaný celkem čtyřmi konfigurovatelnými a také synchronně snižujícími monolitickými měniči. S takovou kombinací pak v rámci jediného integrovaného obvodu dostáváme až pět výstupů popsaných vysokou účinností spolu s nízkými klidovými odběry, které se budou hodit v automobilovém prostředí, průmyslových aplikacích a také medicíně.

Snižující kontrolér obvodu LTC3372 pracuje se vstupním napěťovým rozsahem od 4,5 V až do 60 V a dokáže řídit veškeré výkonové stupně s MOSFETy a jejich kanály typu N. Jeho výstup lze nastavit buď na 3,3 V, nebo 5 V, přičemž budeme generovat výstupní proud až 20 A. Výstup kontroléru se běžně využije při napájení čtveřice monolitických snižujících regulátorů. Každý takto vznikající snižující kanál lze nastavit ke stabilizaci výstupního napětí již od 0,8 V, včetně konfigurovatelného zatěžovacího proudu až do 4 A. Celkem osm integrovaných 1A napájecích stupňů ovládneme přes vývody C1 až C3 a vytvoříme tak jednu z osmi jedinečných sestav – od čtveřice 2A snižujících měničů až po duální 4A DC/DC. Veškeré kanály si přitom vystačí s jedinou indukčností.

Obvody LTC3372 představují řešení s nízkou klidovou spotřebou, kterou oceníme v bateriově napájených zapojeních nebo též aplikacích provozovaných v automobilech, kde jedna nebo i více napájecích hladin zůstane trvale aktivní. Pokud uvážíme pouze HV kontrolér pracující s vyšším napětím, protéká součástkou při 12V vstupu a regulovaném 5V výstupu bez jakékoli zátěže 15 μA. Každý z vestavěných snižujících měničů pak v případě aktivního kanálu znamená pouze dalších 8 μA proudu IQ. Spínací kmitočet monolitického snižujícího zdroje LTC3372 lze nastavit od 1 MHz až do 3 MHz a bude jej možné synchronizovat s vnějším taktem. Snižující kontrolér přitom pracuje na 1/6 této frekvence. Z dalších vlastností ještě vzpomeňme proudové omezení (Foldback), měkký start nebo ochrany pro případ zkratu či přepětí na výstupu.

Obvody LTC3372 dostaneme již nyní v pouzdrech typu QFN s rozšířenou tepelnou působností, 48 vývody a rozměry 7 × 7 mm. Verze „E“ a „I“ pokrývají provozní teplotní rozsah od –40 °C až do +125 °C, třída „H“ pak vše rozšiřuje až do +150 °C [1].

Přehled vlastností obvodů LTC3372

• Snižující kontrolér vhodný pro práci s vyšším napětím (HV); V_IN = 4,5 V až 60 V, V_OUT = 5 V nebo 3,3 V
• Nízkonapěťové snižující regulátory (LV); V_INA-H = 2,25 V až 5,5 V, V_OUT1-4 ≥ 0,8 V
• Osm 1A integrovaných stupňů snižujícího zdroje LV, konfigurovatelných pro případ 2, 3 nebo též 4 výstupních kanálů
• Osm jedinečných výstupních konfigurací (1 A až 4 A na kanál)
• Nízký celkový proudový odběr na vstupu (IQ) bez zatížení
• 15 μA, pouze HV kontrolér (výstup 5 V)
• 23 μA, pouze HV kontrolér (výstup 3,3 V)
• 9 μA na další kanál LV regulátoru
• Pracovní frekvence 1 MHz až 3 MHz; HV kontrolér běží na 1/6 kmitočtu
• Nastavitelný kmitočet, možnost synchronizace s vnějším taktem
• Přizpůsobitelné zpoždění pro Watchdog a Power-On Reset
• Výstup sledující teplotu čipu integrovaného obvodu
• 48vývodové pouzdro typu QFN o rozměrech 7 × 7 mm s rozšířenou teplotní působností

2,5A záloha se dvěma kapacitami

Další novinku od Analog Devices tvoří obvody LTC4041. Jedná se o ucelený systém řízení napájení se záložními superkapacitory pro napájecí větve od 2,9 V až do 5,5 V, které musí zůstat v činnosti i v případě selhání hlavního zdroje. Superkapacitory nabízí oproti bateriím vyšší hustotu výkonu a budou proto ideálním řešením pro aplikace vyžadující zálohu s vysokými špičkovými výkony dostupnými jen po krátkou dobu.

Prvky LTC4041 na svém čipu využívají obousměrného synchronního měniče a zajišťují s ním ve snižujícím režimu nabíjení superkapacit, stejně jako záložní napájení ve zvyšujícím módu s vysokými proudy a v obou případech též i vysokou účinností. Bude-li k dispozici vnější napájení, součástka pracuje jako snižující nabíječka baterie pro jeden či dva články superkapacitoru a upřednostňuje přitom systémovou zátěž. Klesne-li pak vstupní napájení pod nastavitelnou prahovou úroveň PFI (power-fail input), struktura přepíná do režimu zvyšujícího regulátoru, ve kterém zátěži z připojených superkapacit dodává až 2,5 A. Při výpadku zdroje dochází díky řízení PowerPath™ ke zpětnému blokování a bezproblémovému přechodu ze vstupního zdroje na záložní přísun energie. Typické aplikace pro obvody LTC4041 zahrnují průchozí napájení „lapající po dechu“, dále pak průchozí tří- až pětivoltové záložní zdroje UPS s podporou vyšších odběrů, měření výkonu, průmyslové alarmy, servery nebo jednotky SSD.

Zapomenout nesmíme ani na volitelnou funkci přepěťové ochrany OVP postavenou na vnějším FETu, která nám bude chránit integrovaný obvod před vstupním napětím vyšším než 60 V. Interní vyvažovací obvody superkapacitoru udržují na každé kapacitě shodná napětí a omezují maximální napětí každého superkapacitoru s ohledem na předem stanovenu hodnotu. Funkce nastavitelného vstupního proudového omezení podporuje zase činnost z měkkých, proudově limitovaných zdrojů, přičemž přednost před nabíjecím proudem zde dostává systémová zátěž. Vnější spínač během zálohy izoluje od systému primární vstupní napájení a nechybí zde ani monitorování vstupního proudu, indikace selhání vstupního zdroje nebo ukazatel potíží se systémovým napájením.

Obvody LTC4041 pracující od –40 °C až do +125 °C (E, I) jsou nabízeny ve 24vývodových pouzdrech typu QFN o rozměrech 4 × 5 mm a s nízkou výškou 0,75 mm. Skvělým tepelným vlastnostem bude nahrávat kovová ploška na spodní straně [2].

Možnosti prvků LTC4041

• 2,5A snižující nabíječka superkapacitorů spolu s 2,5A zvyšujícím záložním napájením
• 6,5A spínače pro 2,5A zálohu z jedné nebo též dvou kapacit zapojených v sérii
• Vstupní proudové omezení upřednostňující zátěž před nabíjecím proudem
• Ideální vstupní dioda oddělující vstup během zálohy
• Automatické bezproblémové přepnutí do záložního režimu
• Vlastní vyvažování superkapacitorů (bez vnějších rezistorů)
• Nastavitelný nabíjecí proud, včetně napětí
• Indikace výpadku vstupního zdroje
• Sledování stavu systémového napájení
• Volitelné obvody OVP chrání součástku před napětím vyšším než 60 V
• Provoz s pevným kmitočtem
• Teplotně posílené pouzdro typu QFN, 24 vývodů, 4 × 5 mm

Tenké 20A mikromoduly s digitálním řízením

Pro tuto chvíli již třetí nové obvody společné rodiny Power by Linear™ ponesou označení LTM4686. Představují duální (10A) nebo jednoduché (20A) ultratenké snižující regulátory μModule® s rozhraním PMBus navržené v pouzdrech typu LGA o rozměrech 16 × 11,9 × 1,82 mm. Díky výšce pouzdra 1,82 mm lze součástky na desce umístit v těsné blízkosti příslušné zátěže, např. obvodů FPGA či ASIC, zatímco budou sdílet jeden chladič pokrývající obě pouzdra s nízkou zastavěnou výškou. Maximálně tenké provedení umožňuje osadit obvody LTM4686 také na spodní straně desky plošných spojů a prostor nahoře uvolnit pro prvky, jako jsou paměti či integrované transceivery. Součástky se proto budou hodit pro aplikace s omezenou výškou, např. telekomunikační switche a routery osazované do stojanů, systémy RAID nebo testovací a měřicí zařízení. Rozhraní PMBus pro uživatele představuje možnost měřit a také upravovat klíčové parametry napájení – třeba napětí, zatěžovací proud nebo teplotu. Dokážeme naprogramovat posloupnosti, prahové úrovně pro případ chyby či reakce a hodnoty spolu se zaevidovanými údaji o selhání ukládat do přítomné paměti EEPROM.

Obvody LTM4686 pracují se vstupním rozsahem od 4,5 V až do 17 V, zatímco verze LTM4686-1 začínají již na 2,375 V. Moduly regulují svůj výstup od 0,5 V až do 3,6 V s maximální chybou DC výstupu ±0,5 % platnou od –40 °C až do +125 °C. Při plném zatížení, 12 V na vstupu a 1,0 V na výstupu dosahují účinnosti 80 %. Za předpokladu teploty okolí +85 °C a průtoku vzduchu 400 LFM mohou obvody LTM4686 zajistit při V_IN = 5 V a V_OUT = 1 V celých 18 A. Řízení v proudovém režimu umožní využívat paralelní konfigurace pro pokrytí ještě vyšších odběrů na výstupu. Interní spínací kmitočet lze nastavit od 250 kHz až do 1 MHz a pro aplikace citlivé na rušení jej bude možné synchronizovat s vnějším taktem, rovněž od 250 kHz do 1 MHz.

LTM4686 přichází s ochrannými prvky pro případ přepětí, podpětí, nadproudů nebo přehřátí. Při výskytu potíží se data automaticky uloží do paměti EEPROM, přičemž takový záznam bude možné za účelem další analýzy vyvolat přes rozhraní I²C. K dalšímu prozkoumání vlastností obvodů výrobce nabízí GUI LTpowerPlay®, převodník USB / PMBus DC1613, adaptér DC2086 sloužící k programování nebo též demo kity [3].

LTM4686 ve zkratce

• Dvojí, rychlé analogové smyčky s číslicovým rozhraním pro řízení a monitorování
• Duální 10A nebo jednoduchý 20A výstup
• Široký vstupní napěťový rozsah 4,5 V až 17 V, resp. 2,375 V až 17 V s pomocným zdrojem 5 V (LTM4686-1)
• Výstupní napěťový rozsah 0,5 V až 3,6 V
• Maximální chyba DC výstupu s teplotou ±0,5 %
• Řízení v proudovém režimu s pevným kmitočtem
• Možnost paralelního řazení za účelem sdílení proudu
• Vlastní paměť EEPROM
• Velmi tenké provedení pouzdra typu LGA o rozměrech 16 × 11,9 × 1,82 mm