Konfiguracja konwerterów DC-DC w układach zasilanych z akumulatorów

Najczęściej wykorzystywane napięcia 3,3V i 1,8V można uzyskać z pojedynczego ogniwa Li-Ion na kilka sposobów. Zostały one przedstawione i omówione w treści artykułu.

Cechy ogólne

Rys. 1. Konfiguracje układów omawianych w artykule

Przetwornica napięcia 3,3VDC musi działać w trybie obniżania napięcia (buck, step-down), gdy napięcie akumulatora jest wyższe, a w trybie podwyższania (boost, step-up), gdy jego napięcie jest niższe od 3,3V. Istnieje wiele systemów zasilania, zdolnych do konwersji szerokiego zakresu napięcia akumulatora na napięcie 3,3V, ale nieliczne z nich nadają się do stosowania w małych urządzeniach przenośnych. Wybierając konfigurację rozwiązania projektant musi brać pod uwagę zarówno jej możliwości, jak i właściwości konstruowanego systemu.

W urządzeniach przenośnych najważniejszymi parametrami zasilacza są wysoka sprawność i małe rozmiary. Korzystne jest zatem użycie scalonej przetwornicy z minimalną liczbą elementów zewnętrznych. Taką funkcjonalność zapewnia układ scalony z wewnętrzną kompensacją i ustalonym napięciem wyjściowym. Znaczenie ma także pionowa wielkość podzespołu zasilającego. O wartości tej cechy decydują zazwyczaj zainstalowane dławiki, kondensatory oraz transformatory. Wykorzystanie przetwornic o bardzo dużej częstotliwości przełączania pozwala ograniczyć rozmiary cewek i kondensatorów. Bardzo ważnym parametrem urządzeń przenośnych jest czas ich działania po ładowaniu, w związku z czym projektant musi wybrać optymalny kompromis pomiędzy rozmiarami i sprawnością. Ze względu na wymaganie co do niewielkich rozmiarów wykorzystanie przetwornic separowanych zaporowych i przepustowych nie jest możliwe, gdyż mają one dosyć duże elementy magnetyczne. Podobne trudności powstają przy próbie zastosowania konwerterów Sepic, które na dodatek charakteryzują się niską sprawnością. Do wyboru pozostają zatem cztery konfiguracje zasilaczy (rys. 1).

LDO-LDO

Najprostszą konstrukcją jest liniowy stabilizator o małej różnicy napięć (low-drop-out, LDO), którego się raczej nie stosuje w urządzeniach przenośnych, głównie ze względu na niską sprawność. Jednakże LDO pozwala uzyskać najmniejsze rozmiary i - w przypadku gdy jest to wymaganie priorytetowe - okazuje się rozwiązaniem najlepszym. Stabilizator LDO wymaga jedynie użycia kondensatorów na wejściu i na wyjściu oraz jest najtańszy ze wszystkich omawianych. Przy bliższym zbadaniu tego rozwiązania okazuje się, ze charakteryzuje się ono dobrą sprawnością w początkowym zakresie rozładowywania się akumulatora. Średnie napięcie akumulatora Li-jon w trakcie jego rozładowywania wynosi około 3,8V. Sprawność η=Pwyj/Pwej, a przy Iwyj=Iwej η=Uwyj/Uwej=3,3/3,8=86,8%.

Wadą tego rozwiązania jest niemożność wykorzystania przez LDO pełnej pojemności akumulatora. Gdy jego napięcie spadnie do 3,3V, przestaje stabilizować. Dostęp do części pojemności akumulatora, zależnej od spadku napięcia na stabilizatorze, zostaje zablokowany. Nawet z tą wadą i z mniejszą sprawnością, która wynosi średnio 78,9% (średnia ważona 400mA przy 3,3V i 100mA przy 1,8V), rozwiązanie LDO-LDO w niektórych sytuacjach ma niepodważalne zalety.

Konwerter i LDO

W tej konfiguracji konwerter obniżający dostarcza napięcia 3,3V, a zasilany nim stabilizator LDO dostarcza 1,8V. Konfiguracja ta ma to samo ograniczenie co LDO-LDO, tj. nie wykorzystuje pełnej pojemności akumulatora. Za to jej sprawność przetwarzania jest wyższa. Jest to dobry kompromis pomiędzy rozmiarami, kosztem i sprawnością. Przetwornica wytwarza napięcie 3,3V ze sprawnością wyższą niż LDO, podnosząc tym samym o kilka procent sprawność całkowitą.

LDO znacznie obniża sprawność całkowitą. Jeżeli stabilizator ten jest zasilany bezpośrednio z akumulatora, jego sprawność wynosi η=1,8/3,8=47,4%. Jeśli jednak zasilić go z wyjścia przetwornicy obniżającej, wydajność ta wzrasta do η=1,8/3,3=54,5%. Ostateczna sprawność przetwarzania napięcia 1,8V jest iloczynem sprawności przetwornicy obniżającej i stabilizatora LDO: 0,9×0,545=49,1%. Sprawność całości wynosi więc 81,8%. Konfi guracja z przetwornicą obniżającą i LDO wymaga nieco więcej miejsca niż LDO-LDO, ale jest mniejsza od konfi guracji z dwoma konwerterami impulsowymi.

Kaskada obniżająco-podwyższająca

Obniżająco-podwyższająca kaskada przetwornic jest konfiguracją stosowaną często, ale najmniej korzystną. Stosuje się w niej zasilaną bezpośrednio z akumulatora przetwornicę obniżającą do generacji napięcia 1,8V oraz zasilaną nim przetwornicę podwyższającą do dostarczania napięcia 3,3V. Konfiguracja ta zajmuje największą powierzchnię z omawianych, ale i tak jest stosunkowo mała. Zawdzięcza to ustalonym napięciom i wewnętrznym elementom kompensacji pętli sprzężenia zwtotnego, dzięki czemu wymaga jedynie trzech podzespołów zewnętrznych.

Projektanci chętnie korzystają z tej konfiguracji, ponieważ w pełni wykorzystuje ona pojemność akumulatora - przetwornica obniżająca generuje 1,8V wprost z jego napięcia. Mimo tego sumaryczna sprawność jest znacząco niższa. Oba konwertery, obniżający (np. TPS62046) i podwyższający (np. TPS61025) mają w tej konfiguracji bardzo dobrą sprawność, tj. odpowiednio 86% i 80%. Ale sprawność konwersji 3,3V jest stosunkowo niska – tj. 0,86·0,8 = 0,688 i jest niższa od sprawności konfiguracji wykorzystującej konwerter obniżający i LDO. Jest tak dlatego, że sprawność wszystkich konwerterów obniżających jest niska przy małych napięciach wyjściowych. Całkowita sprawność tej konfiguracji wynosi 70,5%. Można ją podwyższyć kosztem zwiększenia rozmiarów i ceny układu. Stosując większy i sprawniejszy (90%) konwerter podwyższający TPS61031 osiąga się całkowitą sprawność 78,3%. Głównymi wadami kaskady obniżająco-podwyższającej, oprócz niskiej sprawności i krótszego czasu działania po ładowaniu, są większe rozmiary i cena, która rośnie z powodu użycia dwóch stabilizatorów impulsowych.

Kaskada obniżająco-podwyższająca i LDO

Przetwornice obniżająco-podwyższające zyskują coraz powszechniejszą akceptację. Stosując przykładowy układ TPS63000, generujący napięcie 3,3V bezpośrednio z akumulatora w całym zakresie jego napięcia, wykorzystuje się 100% jego pojemności zapewniając sprawność 92%. Napięcie 1,8V uzyskuje się z 3,3V za pośrednictwem stabilizatora LDO. Trzeba zwrócić szczególną uwagę na sprawność przetwornic obniżających i podwyższających, która zmniejsza się w momencie przechodzenia z trybu obniżającego w podwyższający. W Całkowita sprawność tej konfiguracji jest najwyższa i wynosi 83,6%. Jest znacznie wyższa niż dla konfiguracji LDO-LDO, a jej koszt jest niewiele wyższy od konfiguracji obniżającej-LDO. W tabeli 1 przedstawiono dane porównawcze wszystkich czterech konfiguracji. Przedstawiony w tabeli 2 czas pracy został zmierzony dla akumulatora Li-jon o pojemności 1,65Ah. Dla uproszczenia przyjęto obciążenie prądem 500mA dla wyjścia 3,3V, a wyjście 1,8V nie było w ogóle obciążane. (KKP)