В некоторых малогабаритных электронных устройствах с питанием от гальванических элементов или аккумуляторов используются повышающие преобразователи напряжения на микросхеме МАХ756 и её аналогах. Их запуск при подключённой нагрузке и пониженном напряжении питания может быть затруднён. Решению этой проблемы посвящена предлагаемая статья.
Современные повышающие преобразователи напряжения позволяют получать требуемое выходное напряжение при весьма низком входном, часто менее 1 В. В подавляющем большинстве случаев нагрузка преобразователя напряжения постоянно подключена к его выходу. Это затрудняет запуск преобразователя и достижение его выходным напряжением требуемого значения, особенно при напряжении питания, близком к минимально допустимому.
Современные повышающие преобразователи напряжения позволяют получать требуемое выходное напряжение при весьма низком входном, часто менее 1 В. В подавляющем большинстве случаев нагрузка преобразователя напряжения постоянно подключена к его выходу. Это затрудняет запуск преобразователя и достижение его выходным напряжением требуемого значения, особенно при напряжении питания, близком к минимально допустимому.
Упрощённая структурная схема микросхемы повышающего преобразователя напряжения МАХ756 [1] и её подключение показаны на рис. 1. Микросхема содержит узел управления выходным ключевым полевым транзистором и сам этот транзистор VT1. Так устроены многие микросхемы повышающих преобразователей напряжения. Кроме микросхемы DA1, преобразователь напряжения содержит накопительный дроссель L1, диод Шотки VD1 и два оксидных конденсатора C1 и C2 на входе и выходе соответственно. Узел управления получает питание от выхода преобразователя и осуществляет широтно-импульсное регулирование. Когда транзистор VT1 открыт, подключённая к выходу нагрузка питается от конденсатора C2, диод VD1 закрыт, дроссель L1 подключён к источнику питания. Ток через дроссель возрастает, и он накапливает энергию. После закрывания транзистора VT1 импульс ЭДС самоиндукции дросселя складывается с напряжением питания и через открытый диод VD1 заряжает конденсатор C2. Таким образом, накопленная дросселем L1 энергия передаётся нагрузке.
Рис. 1.
Когда напряжение источника питания близко к минимально допустимому, запуск преобразователя напряжения может быть затруднён, так как транзистор VT1 открывается не полностью. Устройство управления питается выходным напряжением, которое при запуске преобразователя меньше напряжения питания на величину падения напряжения на диоде VD1 и активном сопротивлении дросселя L1. Недостаточно открытый канал транзистора VT1 имеет большее сопротивление, которое и ограничивает пиковое значение импульсов тока через дроссель L1. В результате преобразователь, не имея возможности одновременно обеспечить ток нагрузки и зарядки выходного конденсатора С2, не может выйти на номинальное выходное напряжение.
Описанная ситуация наводит на мысль о том, что на время запуска преобразователя нужно отключать от него нагрузку, что позволит преобразователю выйти на номинальный режим работы на холостом ходу. После того как напряжение на выходе достигнет определённого значения, а выходной конденсатор зарядится, нагрузку можно подключить. В дальнейшем преобразователь будет работать в штатном режиме.
По такому пути пошли разработчики компании Maxim, показавшие в [2], как можно запускать повышающий преобразователь напряжения МАХ756 при подключённой нагрузке и низких значениях напряжения питания. Микросхема МАХ756 позволяет получать на выходе одно фиксированное напряжение 3,3 В или 5 В при максимальных значениях тока нагрузки 300 или 200 мА соответственно. Минимальное напряжение питания, при котором преобразователь запускается на холостом ходу, - 0,7 В.
В преобразователе есть детектор понижения входного напряжения (выводы LBI/LBO; Low Battery Input, Low Battery Output - соответственно вход и выход детектора низкого входного напряжения). Микросхема МАХ756 разработана специально с расчётом на использование в переносной аппаратуре с батарейным питанием, поэтому детектор применяется для оповещения о том, что напряжение на входе LBI становится ниже определённого порогового значения, выбранного разработчиком микросхемы равным 1,25 В. В этом случае выход LBO соединяется с общим проводом через открытый внутренний транзистор микросхемы. Если напряжение на входе LBI выше 1,25 В, внутренний транзистор закрыт и выход lBo находится в высокоимпедансном состоянии. Напряжение срабатывания детектора можно задать входным делителем напряжения, подключённым к питающей преобразователь батарее. Сигнал на выходе LBO используют как для оповещения пользователя о разряде батареи, так и для принудительного отключения, например, батареи аккумуляторов от устройства с целью предотвращения их чрезмерной разрядки. Низкое минимальное напряжение запуска микросхемы МАХ756 (0,7 В) позволяет строить на его основе преобразователи напряжения с питанием от одного гальванического элемента напряжением 1,5 В или Ni-Cd или Ni-MH аккумулятора напряжением 1,2 В. К сожалению, в последнем случае выбранное изготовителем микросхемы значение внутреннего образцового напряжения Uп = 1,25 В не даёт возможность определять момент разрядки аккумулятора до напряжения 1 В, ниже которого производители аккумуляторов не рекомендуют их разряжать.
Схема преобразователя на основе микросхемы МАХ756, в котором устранены затруднения запуска при низком напряжении питания путём отключения нагрузки на время запуска [2], показана на рис. 2. Использовано типовое включение микросхемы МАХ756 (DA1). При подаче напряжения питания напряжение на входе LBI микросхемы ниже порога переключения (1,25 В), напряжение на выходе LBO низкого уровня, транзисторы VT1 и VT2 закрыты.
Рис. 2.
После того как напряжение на выходе преобразователя достигает значения
Uподкл=Uпит(R1+R2)/R2,
транзисторы VT1 и VT2 открываются и нагрузка подключается к выходу преобразователя. При указанных на схеме сопротивлениях резисторов R1 и R2 подключение нагрузки к преобразователю выполняется при достижении на его выходе напряжения 3,75 В.
Графики зависимости максимального тока нагрузки от напряжения запуска преобразователя [2] показаны на рис. 3. Верхняя линия - с отключением нагрузки на время запуска, нижняя - без отключения. На графиках видно, что при напряжении питания 1 В эти значения равны соответственно 65 и 2,5 мА. А при напряжении питания преобразователя 0,8 В максимальный ток нагрузки при запуске возрастает с 45 мкА до 45 мА.
Рис. 3.
Представленная на рис. 2 схема имеет единственный недостаток: детектор понижения входного напряжения LBI/LBO не может быть использован по своему прямому назначению: сигнализировать о снижении напряжения питания, обычно батарейного, ниже определённого порога.
Схема, показанная на рис. 4, лишена отмеченного выше недостатка. Она отличается от предложенной в статье [2] выходной частью устройства. При подаче на преобразователь питания напряжение на его выходе ниже порогового значения детектора понижения напряжения DA2. На выходе детектора (вывод 3) присутствует напряжение низкого уровня, транзисторы VT1.1 и VT1.2 закрыты, а нагрузка отключена от выхода преобразователя. При подаче питания напряжение на выходном конденсаторе С3 начинает расти. Когда оно достигает значения 4,7 В, выход 3 DA2 переходит в высокоимпедансное состояние, на затвор транзистора VT1.1 через резистор R1 поступает выходное напряжение преобразователя. При этом транзисторы VT1.1 и VT1.2 открываются, подключая нагрузку к выходу преобразователя.
Рис. 4.
На рис. 5 представлен более простой вариант включения преобразователя на микросхеме МАХ756, при котором осуществляется запуск при подключённой нагрузке. При этом незадейст-вованные выводы LBI/LBO позволяют использовать детектор понижения входного напряжения микросхемы преобразователя по прямому назначению. В отличие от схемы на рис. 4, подключение нагрузки к выходу преобразователя осуществляется не по достижению определённого значения выходного напряжения, а с некоторой задержкой по времени после подачи питания. При подаче питания на преобразователь конденсатор С4 разряжен, напряжение между затвором и истоком транзистора VT1 равно нулю, поэтому транзистор закрыт, подключённая к выходу нагрузка обесточена. По мере зарядки конденсатора С4 через резистор R1 напряжение на нём достигает порогового значения изип, при котором транзистор VT1 открывается, и на нагрузку подаётся напряжение с выхода преобразователя.
Рис. 5.
Длительность времени задержки подключения нагрузки tB (в миллисекундах) без учёта времени зарядки выходного конденсатора С3 преобразователя рассчитывают по формуле (1.10) из книги [3]:
t3=R1·C4·ln(Uвых/( Uвых - Uзип)),
где R1 - сопротивление резистора R1 в килоомах; C4- ёмкость конденсатора C4 в микрофарадах; Uвых - выходное напряжение преобразователя (в вольтах).
При расчётах следует учитывать, что значение изип для указанного транзистора [4] может находиться в пределах 1,5...3,5 В. Варьируя сопротивление резистора R1 и ёмкость конденсатора С4, можно менять длительность задержки подключения нагрузки, которую подбирают экспериментально заведомо больше времени установления выходного напряжения преобразователя при минимально допустимом напряжении питания.
Повышающий преобразователь напряжения МАХ756 имеет отечественный аналог КР1446ПН1. Вместо транзистора ZVP2110A [4] можно применить другой, рассчитанный на ток не менее 200 мА, например, ZVP2106, BSP315, MMBF2202PT1. А MMDF2P02E - сборка из двух p-канальных полевых транзисторов, из которых в устройстве по схеме на рис. 2 используется один из них. Он также может быть заменён транзисторами, перечисленными выше. Транзистор 2N3904 заменим импортными 2N3903, 2N4400, 2N4401 или отечественными КТ315, КТ3102 с любым буквенным индексом. Транзисторная сборка IRF7307 заменима на IRF7317 или IRF7507. Диод 1N5817 можно заменить на 1N5819, 1 N5820.
Литература
1. MAX756/MAX757 3.3V/5V/Adjustable-Output Step-Up DC-DC Converters. - <http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/ MAX756-MAX757.pdf>.
2. Switch allows low-voltage regulator to start under load. - Maxim Engineering Journal, vol.21, p.20 <http://pdfserv.maximintegrated. com/en/ej/EJ21.pdf>.
3. Зельдин Е. А. Импульсные устройства на микросхемах. - М.: Радио и связь, 1991.
4. ZVP2110A P-Channel Enhancement Mode Vertical DMOS FET. - <http://www. diodes. com/datasheets/ZVP2110A.pdf>.
Автор: В. Оейник, г. Королёв Московской обл.