Nesnižujte význam snižujícího měniče. Ale ani zvyšujícího

Indukčnosti patří k naprosto základním prvkům – ať již to bude v teorii obvodů, kde s nimi dále popisujeme vše ostatní, nebo i praktickém životě vývojáře. Existuje však docela málo elektronických součástek, se kterými bude spojováno tolik „ale“ jako právě s tak řečenými „cívkami“.

Někdy se indukčnostem ještě s radostí vyhneme, ovšem u spínaného zdroje napájení takové štěstí mít zřejmě nebudeme. Co kdyby ale za nás vhodné miniatury alespoň zapojil už sám výrobce integrovaného obvodu? Odpadnou tím starosti s jejich výběrem i samotným návrhem. A protože takto zkracujeme i rozpisku součástek, šetříme též místo na desce plošného spoje. To se přitom ve světě nositelné elektroniky hodně cení.

nanoPower, True Shutdown™ i uSLIC™

Společnost Maxim Integrated, která nyní spadá pod Analog Devices, přišla koncem loňského roku se dvěma moduly nanoPower vybavenými vlastními a předem správně vybranými indukčnostmi [1]. Takto vznikající kombinace, označené též jako uSLIC™, tedy „micro system-level IC“, se rozhodně mají vůči komu vymezit a samostatné integrované obvody, které v minulosti běžně doplňovaly vnější indukčnosti, jsou na řadě jako první. Obě nové součástky výrobce řadí do širší skupiny nepostradatelných analogových obvodů „Essential Analog“ (na webových stránkách DPS Elektronika od A do Z viz také [2]), a pokud jde o samotnou úpravu napájení ve spínaném stylu, můžeme zde počítat s prací v obou směrech. Dokonce již od 400 mV.

Prvky MAXM38643 tak pro nás budou snižovat (Buck), zatímco MAXM17225 pro změnu napájení zase zvyšovat. Provedení typu eMGA s deseti vývody pokaždé zabere jen 2,1 × 2,6 mm, čemuž také odpovídá maximální proudová zatížitelnost. Provozní teplotní rozsah pokryje v prvním případě oblast od –40 °C do +85 °C, zatímco se u druhé novinky smíme vydat ještě o dalších čtyřicet stupňů směrem vzhůru. Co ještě oba moduly vývojářům nabídnou?

Obr. 1 Nový zvyšující modul MAXM17225, zde také na vývojové desce, patří z pohledu výrobce k základní analogové výbavě. Nápadně podobné řešení však existuje i v případě potřeby napětí naopak snižovat [1]

MAXM38643: snižující prvek s důrazem na efektivitu

Popis napájecích struktur začneme u snižujícího návrhu s obvodem MAXM38643 zapojeným dle obr. 2 [3]. Naše okolí skýtá nepřeberné množství energie, kterou však stále neumíme vytěžit s takovou účinností, jak bychom si představovali.

Obr. 2 Při jednoduchém zapojení snižujícího prvku MAXM38643 si vystačíme s několika keramickými kondenzátory. Rezistor RSEL není v žádném případě podmínkou [3]

Obr. 3 K vnitřní struktuře modulu z předchozího obrázku. Povšimněte si možnosti aktivně vybíjet výstupní keramické kapacity [3]

Řadu našich zapojení proto stále doprovází drobné baterie a přesně to jsou i důvody, proč si musíme úzkostně hlídat každý proudový požadavek. Podobně jako nová součástka, která se pyšní mimořádně nízkým klidovým odběrem 330 nA, který pak v režimu shutdown dosahuje pouhého jednoho nanoampéru. S prodlužováním výdrže omezeného zdroje napájení souvisí též vykazovaná špičková účinnost 96 procent, která se třeba při zatěžování proudem o velikosti 10 μA a při konverzi ze vstupních 3,6 V na 1,8 V dle obr. 4 stále ještě pohybuje okolo 88 %. Modul také automaticky přepíná mezi režimy ultra-low-power mode (ULPM), low-power mode (LPM) či high-power mode (HPM).

Obr. 4 U měničů, které dostaly za úkol napájet nositelnou elektroniku, potřebujeme hlídat účinnost i v případě, kdy s odběry klesáme do řádu jednotek či nižších desítek mikroampér [3]

Použití obvodu by určitě nemělo znamenat další komplikace. Výrobce zde totiž počítá s obvyklým rozsahem od vstupních 1,8 V až do 5,5 V, zatímco si výstup s využitím jediného rezistoru dále přizpůsobíme v rozmezí od 0,7 V do 3,3 V. A pokud by nestačilo ani to, Analog slibuje též úrovně VOUT definované přímo z výroby, tentokrát od 0,5 V až do 5 V. Přesnost výstupního napětí dosahuje ±1,75 %, přičemž do zátěže smí nyní protékat až 600 mA.

Z přítomných ochran pak stojí za zmínku bránění reverznímu průchodu proudu v režimu shutdown, příp. též funkce aktivního vybíjení výstupní kapacity. Výrobce pro ni doporučuje paralelní spojení dvou keramických kondenzátorů, přičemž každý z nich bude mít velikost 22 μF (na vstupu oproti zemi pak stačí zapojit keramiku pouze jednu). Zapojení jinak neskýtá žádné záludnosti. Z jedné desítky vývodů budou všechny tři, sloužící k napájení, zdvojené a zbytek poslouží třeba při snímání výstupního napětí (OUTS), k volbě jeho velikosti (RSEL, zde také v návaznosti na prahovou hodnotu vstupního podpěťového zámku UVLO), při samotné aktivaci obvodu (EN) a na výrobní lince Analog Devices zase k testování (vývodu vnitřního spínaného uzlu LX si proto nijak nevšímáme). Integrovanou indukčnost o velikosti 1,5 μH tvoří součástka od firmy Murata s označením DFE201610E-1R5M=P2, která byla zvolena tak, aby v rámci provozního rozsahu snižujícího zdroje zajistila optimální stabilitu.

MAXM17225: podobně, ale směrem nahoru

Obvody MAXM17225 řeší v „Maximu“ tak, aby napětí zdroje pro změnu zvyšovaly [4]. Výše zmiňované snižující součástce se ale i tak nápadně podobají. Horní hranice vstupního rozsahu 5,5 V zůstala zachována, spodní mez však nyní začíná již na 400 mV, přičemž k úspěšnému náběhu je vyžadováno alespoň 0,88 V. Výstupní napětí VOUT, odstupňované s krokem 100 mV, pak definuje příslušný rezistor v rozmezí od 1,8 V až do 5 V. Výrobce počítá s výstupním proudem 200 mA (pro VIN = 1,8 V a VOUT = 3,3 V), zatímco se v případě špičkového průtoku indukčností IPEAK smíme dále dostat až na pětinásobek. Výchozí zapojení sledujeme na obr. 5.

Obr. 5 V návrhu drobného zvyšujícího zdroje s obvody MAXM17225 se nyní na obou stranách uplatní keramické kapacity o velikosti jen 10 μF. Snímací vývod INS máme tentokrát svázán se vstupním kondenzátorem [4]

Z pohledu chemických článků nás pochopitelně zajímá též klidová spotřeba 300 nA, klesající v módu shutdown až na 500 pA. S účinností zvyšujícího systému se vyšplháme až na 95 %, a pokud vás na blokovém diagramu z obr. 6 zaujala funkce „True Shutdown“, pak vězte, že máte co do činění s výstupem odpojeným od vstupu, resp. jejich nulovými proudy. Pod robustním řešením v posíleném teplotním rozsahu hledejte též i vnitřní proudové omezení, vlastní ošetření měkkého startu nebo např. řízení s modulací PFM za účelem dosažení lepší efektivity provozu při malém zatěžování výstupu. K tomu všemu dopomáhá přítomná indukčnost Murata (DFE201610E-1R0M=P2) o velikosti 1 μH. S oběma novinkami, jejichž cena při odběru jednoho tisíce kusů přesahuje jeden dolar, se pak můžete blíže seznámit i díky vývojovým deskám.

Obr. 6 Zjednodušený blokový diagram zvyšujícího měniče MAXM17225 s vestavěnou indukčností odkazuje také na blok označený jako „True Shutdown“ [4]

Obr. 7 Nabídka výrobce polovodičů se pro účely drobné elektroniky nedávno rozrostla také o další užitečné obvody – SIMO PMIC pro řízení napájení s jedinou indukčností a větším počtem výstupů nebo integrovaný obvod pro řízení jednoduchých článků typu Li-Ion, Li-Polymer či LiFePO4; na webových stránkách DPS Elektronika od A do Z jsme psali v [5] a [6]

robenek@dps-az.cz