Konwersja napięcia przy niskich poziomach mocy

Sprawność jest kluczową cechą przetwornic zasilających. Powszechnie stosowane regulatory impulsowe obniżające napięcie (przetwornice buck) zazwyczaj mają sprawność od 85% do 95%. Osiągnięcie wysokiej sprawności zależy w dużej mierze od dostępnego napięcia zasilania, napięcia wyjściowego, które ma być wygenerowane, a także od wymaganego prądu obciążenia. Jednak w wielu przypadkach wymaga się szczególnego sposobu przetwarzania, dla których istnieją specjalistyczne regulatory impulsowe. Wdrożenie tego typu rozwiązań wymaga przetwornic zoptymalizowanych pod kątem małej mocy wyjściowej. Systemy zasilane bateryjnie, które są zawsze włączone, często wymagają bardzo małego zużycia prądu w trybie stand-by. Przykładami są czujniki mierzące drgania na mostach lub czujniki wykrywające pożary lasów. W takich przypadkach ważne jest, aby bateria rozładowywała się powoli w bardzo długim czasie. Właściwość ta jest szczególnie istotna w systemach, w których źródła energii są uzależnione od modułów jej magazynowania.

Takie czujniki często łączy się również drogą radiową z innymi urządzeniami. Poszczególne węzły, które są zazwyczaj zasilane przez moduły magazynowania energii lub baterie, są z sobą połączone w celu przesyłania sygnałów na duże odległości. Poszczególne węzły radiowe muszą być zawsze ustawione na nasłuch sygnałów w trybie uśpienia. Następnie, gdy pojawi się odpowiedni komunikat, urządzenie powinno przełączyć się w tryb normalnej pracy, o wyższym zużyciu energii i rozgłaszać odpowiednie sygnały.

Rysunek 1. System z czujnikiem, który jest stale zasilany niewielką ilością energii — na przykład w celu wykrywania pożaru lasu.

Wraz z układem LTC3336 wprowadzono nową klasę przetwornic DC-DC. Podczas generowania napięcia wyjściowego przy niskim obciążeniu na wyjściu pobiera on niewielki prąd, około 65 nA w trybie stand-by. Rysunek 2 przedstawia przykład kompaktowego układu, który generuje napięcie wyjściowe 2,5 V z napięcia wejściowego około 7 V.

Rysunek 2. Przetwornica obniżająca LTC3336 generująca napięcie wyjściowe 2,5V, o prądzie spoczynkowym zaledwie 65 nA

Zazwyczaj w takich przetwornicach napięcie wyjściowe nie jest ustawiane przez rezystorowy dzielnik napięcia - zmarnowałoby to zbyt dużo energii. W celu ustawienia różnych napięć wyjściowych, wykorzystuje się piny OUT0 - OUT3. W zależności od sposobu podłączenia tych pinów napięcie wyjściowe można ustawić w krokach od 1,2 V do 5 V.

W wielu aplikacjach, gdzie stosuje się moduły magazynowania energii,  źródło zasilania musi być zabezpieczone przed nadmiernym prądem obciążenia. Niektóre baterie lub moduły magazynujące są w stanie dostarczać tylko ograniczoną ilość prądu. Jeśli ta konkretna wartość prądu zostanie przekroczona, mogą wystąpić spadki napięcia lub w niektórych przypadkach nawet uszkodzenia. Dlatego rozsądne jest ograniczenie poboru prądu przez przetwornicę. Układ LTC3336 może ograniczać prąd wejściowy w regulowanych krokach od 10 mA do 300 mA. To ograniczenie prądu wejściowego jest podobne do ustawienia napięcia wyjściowego, ponieważ można je ustawić poprzez odpowiednie podłączenie pinów IPK0 i IPK1.

Rysunek 3. Sprawność przetwornicy obniżającej napięcie z 7,2 V na 2,5 V wynosi około 70%, nawet dla prądów obciążenia rzędu 1 µA.

Wykres na rysunku 3 pokazuje krzywą sprawności, którą można osiągnąć przy bardzo niskich prądach wyjściowych, takich jak 1 µA. Oszczędza to dużo energii, zwłaszcza w aplikacjach o długim czasie pracy i niskim poborze prądu.

LTC3336 jest idealnym wyborem dla systemów zasilanych bateryjnie, ponieważ w trybie stand-by pobiera prąd o wartości jedynie 65 nA. Oznacza to, że obwody z baterią o określonych rozmiarach mogą działać znacznie dłużej, a układy magazynowania energii mogą być zaprojektowane tak, aby były mniejsze, a tym samym tańsze.

O autorze

Frederik Dostal studiował mikroelektronikę na Uniwersytecie w Erlangen w Niemczech. Rozpoczynając pracę w branży zarządzania energią w 2001 r., był aktywny na różnych stanowiskach aplikacyjnych, w tym 4 lata w Phoenix w Arizonie, gdzie pracował nad zasilaczami impulsowymi. Dołączył do Analog Devices w 2009 roku i pracuje jako inżynier aplikacji w zakresie zarządzania energią w ADI w Monachium. Można się z nim skontaktować pod adresem frederik.dostal@analog.com

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Analog Devices