Преобразователь на 1,8V, 2,5V, 3,3V, 4V и 5V

Представляем универсальный понижающий (step-down) преобразователь, снижающий входное напряжение Vin в диапазоне 3,6–18 В до выходного Vout, выбираемого с помощью перемычки (1,8 В, 2,5 В, 3,3 В, 4 В или 5 В, диапазон Vout = 0,8 В – Vin). Он способен выдавать ток до 2 А. В основе модуля лежит контроллер LSP3130 от LiteOn (аналог FSP3130 от FosLink), представляющий собой полный импульсный регулятор с ШИМ-управлением (0–100%). Если нужен на другом чипе — в конце статьи таблицы с различными вариантами.

Контроллер содержит встроенный опорный источник напряжения, переключающий генератор (300 кГц), усилитель ошибки, MOSFET-P (ключ high-side), систему мягкого старта (soft-start), защиту от перегрузки по току и короткого замыкания (OCP/SCP), защиту от пониженного напряжения (UVLO) и перегрева (TSD), а также цифровой вход для включения и выключения преобразователя.

Этот контроллер больше не выпускается, но встречается в старых электронных устройствах (2007–2011 гг.), таких как материнские платы ПК, ЖК-мониторы, видеокарты, DVD-плееры, телекоммуникационное оборудование, ADSL-модемы, роутеры, принтеры, ТВ-тюнеры и системы питания микропроцессоров и сетевого оборудования. Данный экземпляр выпаян из старого Wi-Fi роутера 2009 года, в котором работало два таких преобразователя с выходным напряжением 1,8 В и 3,3 В.

Особенности работы и схемотехника

Контроллер U1 работает в стандартном режиме, но с возможностью выбора выходного напряжения через перемычки J1–J4. Резисторы R1 (R1||R1a||R1b||R1c||R1d) и R2 (R2a||R2b = 1938,75 Ом) определяют Vout по формуле:

Vout = Vfb * (1 + R1/R2)

где Vfb — опорное напряжение (обычно 0,8 В, варьируется от 0,784 до 0,816 В).

При R1 = 10 кОм (без перемычек) Vout составляет 4,92 В (≈5 В). Установка перемычек J1–J4 уменьшает общее сопротивление R1, снижая Vout до 1,82 В (1,8 В), 2,47 В (2,5 В), 3,27 В (3,3 В) и 3,96 В (4 В). Фактическое Vout зависит от точности резисторов и выходного тока. Тут одновременно должна быть установлена только одна перемычка.

Параллельный конденсатор C3 стабилизирует работу на низких Vin/Vout, при Vout >10 В и при использовании конденсаторов с низким ESR (например, танталовых). Лучше не применять керамику Y5V/Z5U из-за нестабильных характеристик.

Диод, индуктивность и конденсаторы

Диод D1 улучшает КПД, обеспечивая ток для дросселя L1 при отключенном MOSFET. Он должен иметь короткое время переключения и низкое Vf, а его Vr и If — быть минимум на 25% выше максимального Vin и Iout. Для защиты от КЗ If диода должен соответствовать граничному току Isd (задается R3). Оптимальны диоды Шоттки, например, SS24.

Дроссель L1 накапливает энергию и сглаживает ток. Его индуктивность влияет на уровень пульсаций: чем выше L, тем ниже Irip, но увеличиваются габариты и сопротивление. Рекомендуемый расчет:

L1 = Vout * (1 – Vout/Vmax) / (Fsw * Irip)

где Irip = 0,3 * Imax, а Fsw ≈ 300 кГц. Выбранная индуктивность — 33 мкГн/2 А.

Выходные конденсаторы C4/C5 снижают пульсации Vout:

Vrip = Irip * (Cesr + 1 / (8 * Fsw * Cout))

Рекомендуются MLCC X5R/X7R на 100–470 мкФ и ESR 100–250 мОм.

Конденсаторы C1/C2 стабилизируют Vin и должны выдерживать Vmax. Их RMS-ток > 0,5 * Imax. Лучший вариант — MLCC X5R/X7R на 100–470 мкФ с низким ESR.

Защита и управление чипом

Резистор R3 задает ток защиты Isd:

Isd = (Ioc * R3) / Ron

где Ioc ≈ 90 мкА, Ron ≈ 100 мОм (зависит от Vin). Для R3 = 4,7 кОм Isd ≈ 2 А. Превышение Isd снижает частоту до 50 кГц (OCP), аналогично при SCP.

Вход EN (pin 2) включает преобразователь. Подтянут к Vin резистором R4. Высокий уровень (≥2 В) запускает работу, низкий (≤0,8 В) выключает. Тепловая защита (TSD) срабатывает при 150°C, восстанавливается при 125°C. Защита UVLO отключает работу при Vin <3,3 В, восстановление — при Vin >3,5 В.

Компоненты Cin/Cout, L1, D1 и R1/R2 должны находиться максимально близко к контроллеру, соединения — короткие и широкие (особенно Vin, SW, Vout). Если Cin состоит из двух конденсаторов, MLCC 100 нФ ставится ближе к VIN/GND, а танталовый/электролитический может быть дальше. R1/R2 и их соединения с FB и Vout должны быть вдали от L1 и SW.

КПД схемы обычно выше 80% и зависит от Vin/Vout и Iout. Плата размером 30×35 мм изготовлена методом химического переноса.

Таблицы микросхем преобразователей

Вот таблицы популярных понижающих (Step-Down) DC-DC преобразователей, сгруппированных по характеристикам.

Классические (линейные и импульсные) преобразователи

Компактные высокочастотные преобразователи (до 2А)

Высокоточные и синхронные DC-DC преобразователи

Высокотоковые DC-DC преобразователи (5А и выше)

Ультракомпактные преобразователи (SOT-23, WSON, DFN)

Понижающие преобразователи для автомобильных и промышленных применений

• Если нужен универсальный понижающий преобразователь — LM2596, MP1584 или XL4015.
• Если важен компактный размер — MP2451, TPS62823, RT6190.
• Если требуется высокий ток — MP8765, LTC3891.
• Для авто и промышленности — LM5085, LT8640, MP9486.