Elektronika     Moduł przetwornicy obniżającej napięcie (LSP3130)        



Jest to przetwornica obniżająca (step-down) napięcie wejściowe Vin=3.6-18V do wartości Vout=1.8/2.5/
3.3/4/5V wybieranej zworką (zakres Vout=0.8-Vin), o wydajności prądowej do 2A. Moduł wykorzystuje
układ LSP3130 firmy LiteOn (odpowiednik FSP3130 firmy FosLink), czyli kompletny regulator przełą-
czający ze sterowaniem PWM (0-100%). Zawiera on wbudowane źródło napięcia odniesienia, oscylator
przełączający (300 kHz), wzmacniacz błędu, tranzystor przełączający MOSFET-P (high-side switch),
obwód miękkiego startu (soft-start), zabezpieczenie nadprądowe/zwarciowe (OCP/SCP), nisko-napię-
ciowe (UVLO) i termiczne (TSD) oraz cyfrowe wejście włączające/wyłączające pracę przetwornicy.
Układ ten nie jest już produkowany, ale był montowany i można go znaleźć w starych urządzeniach ele-
ktronicznych (lata 2007-2011), takich jak: płyty główne komputerów PC, monitory LCD, karty graficzne,
odtwarzacze DVD, sprzęt telekomunikacyjny, modemy ADSL, routery, drukarki i inne peryferia, tunery
telewizyjne, źródła zasilania systemów mikroprocesorowych i sieciowych. Ja swój egzemplarz pozyska-
łem ze starego routera wifi (2009 rok), w którym znajdowały się dwa takie układy pracujące w przetwo-
rnicach o napięciu wyjściowym 1.8V i 3.3V.
Układ U1 pracuje w swojej typowej aplikacji, ale z dodanym obwodem wybierania wartości napięcia
wyjściowego Vout zworkami J1-J4. Rezystory R1 (R1||R1a||R1b||R1c||R1d) i R2 (R2a||R2b = 1938.75
omów) ustalają napięcie wyjściowe Vout przetwornicy według wzoru: Vout = Vfb*(1+R1/R2), gdzie Vfb
to napięcie odniesienia ze źródła układu, wynoszące 0.784-0.816V (zwykle 0.8V) w zależności od egze-
mplarza układu (występuje na wejściu FB - pin 1). Przy wartości R1=10k (brak założonych zworek) na-
pięcie wyjściowe Vout=4.92V (5V). Założenie zworki J1/J2/J3/J4 powoduje równoległe dołączenie rezy-
stora R1a/R1b/R1c/R1d do rezystora R1, a tym samym zmniejszenie rezystancji wypadkowej R1 i obni-
żenie napięcia wyjściowego Vout do wartości 1.82V (1.8V)/2.47V (2.5V)/3.27V (3.3V)/3.96V (4V). Obli-
czona wartość napięcia wyjściowego Vout jest przybliżona i zależy od wartości napięcia Vfb układu,
tolerancji rezystorów R1/R1a-R1d/R2a-R2b (najlepiej 1%) oraz prądu wyjściowego Iout przetwornicy.
Jednocześnie tylko jedna zworka J1-J4 powinna być założona, aby uzyskać nominalne wartości napię-
cia wyjściowego Vout.
Dołączony równolegle do rezystora R1 kondensator C3 jest opcjonalny, ale zwiększa stabilność pracy
przetwornicy przy niskich napięciach Vin/Vout, napięciu Vout powyżej 10V oraz w przypadku użycia
kondensatorów wyjściowych, o niskiej rezystancji szeregowej ESR (np. tantalowych). Może to być
kondensator dowolnego typu, ale lepiej nie stosować ceramicznego wykonanego z materiału Y5V/Z5U
(ma bardzo niestabilne parametry).
Dioda D1 poprawia sprawność pracy przetwornicy dostarczając prąd do cewki L1, gdy tranzystor prze-
łączający MOSFET jest wyłączony. Dioda ta powinna mieć możliwie krótki czas przełączania i niskie na-
pięcie przewodzenia (Vf). Ponadto zaleca się, aby jej maksymalne napięcie wsteczne (Vr) i prąd prze-
wodzenia (If) były o ok. 25% wyższe, niż maksymalne napięcie wejściowe Vmax i prąd wyjściowy Imax
przetwornicy. Dodatkowo, jeśli dioda ma wytrzymać ciągłe zwarcie wyjścia, to jej prąd przewodzenia (If)
musi być równy maksymalnemu prądowi granicznemu Isd przetwornicy, który jest ustawiany rezystorem
R3. Najlepiej w tym zastosowaniu sprawdzają się diody Shottky. Płytka jest przystosowana do montażu
diod SK/SL/SS 12/13/14 (20/30/40V 1A, SMA/DO-214AC), SK/SL/SS 22/23/24 (20/30/40V 2A, SMB/
DO-214AA) lub LL/SM 5817/5818/5819 (20/30/40V 1A, MELF/DO-213AB). W modelowej przetwornicy
użyłem diody SS24.
Cewka L1 gromadzi i dostarcza do obciążenia prąd wyjściowy Iout, którego tętnienia Irip zależą od jej
indukcyjności: im większa, tym mniejsze tętnienia prądu Iout i napięcia Vout. Jednak większa indukcyj-
ność oznacza zwiększenie wymiarów i rezystancji cewki oraz zmniejszenie jej prądu nasycenia Isat.
Zaleca się obliczanie indukcyjności cewki L1 tak, aby powstające w niej tętnienia prądu wyjściowego
stanowiły ok. 30% maksymalnego prądu wyjściowego Imax przetwornicy: Irip = Imax*Krip, L1 = Vout*
(1-Vout/Vmax)/(Fsw*Irip), gdzie Krip = 0.3 - współczynnik tętnienia prądu wyjściowego (30%), Imax -
maksymalny prąd wyjściowy, Vout - napięcie wyjściowe, Vmax - maksymalne napięcie wejściowe, Fsw
- częstotliwość oscylatora przełączającego, wynosząca 240-360 kHz (zwykle 300 kHz) w zależności od
egzemplarza układu. Maksymalny prąd szczytowy Ipk cewki L1 można obliczyć ze wzoru: Ipk = Imax*
(1+Krip/2). Musi on być mniejszy niż maksymalny prąd graniczny Isd przetwornicy, który jest ustawiany
rezystorem R3. Prąd nasycenia Isat użytej cewki L1 musi być większy, niż obliczony dla niej prąd szczy-
towy Ipk (cewka nie może się nasycać). Indukcyjność cewki L1 powinna wynosić 22-47uH, a jej rezy-
stancja 50-150 miliomów. W modelowej przetwornicy użyłem cewki 33uH/2A.
Kondensatory C4 i C5 tworzą pojemność wyjściową Cout, wpływającą na tętnienia Vrip napięcia wyj-
ściowego Vout, które można obliczyć ze wzoru: Vrip = Irip*(Cesr+1/(8*Fsw*Cout)), gdzie Irip - tętnienia
prądu wyjściowego, Cesr - rezystancja szeregowa ESR pojemności wyjściowej, Fsw - częstotliwość
oscylatora przełączającego, wynosząca 240-360 kHz (zwykle 300 kHz) w zależności od egzemplarza
układu, Cout - pojemność wyjściowa. Ich nominalne napięcie pracy powinno być, co najmniej równe
maksymalnemu napięciu wyjściowemu Vout przetwornicy. Zaleca się, aby pojemność wyjściowa Cout
miała jak najmniejszą rezystancję szeregową ESR: im mniejsza, tym mniejsze tętnienia napięcia Vout.
Najlepiej w tym zastosowaniu sprawdzają się kondensatory ceramiczne MLCC (Multi-Layer Ceramic
Capacitor) wykonane z materiału X5R/X7R, które dodatkowo eliminują szumy wysokiej częstotliwości
powstające podczas przełączania. Pojemność wyjściowa Cout powinna wynosić 100-470uF i mieć
rezystancję szeregową ESR 100-250 miliomów.
Kondensatory C1 i C2 tworzą pojemność wejściową Cin, która zapewnia stabilne napięcie wejściowe
Vin podczas przełączania. Ich nominalne napięcie pracy powinno być, co najmniej równe maksymalne-
mu napięciu wejściowemu Vmax przetwornicy. Nominalny chwilowy prąd skuteczny (RMS ripple current)
tych kondensatorów, powinien być większy od połowy maksymalnego prądu wyjściowego Imax przetwo-
rnicy. Zaleca się, aby pojemność wejściowa Cin miała jak najmniejszą rezystancję szeregową ESR.
Najlepiej w tym zastosowaniu sprawdzają się kondensatory ceramiczne MLCC, wykonane z materiału
X5R/X7R. Pojemność wejściowa Cin powinna wynosić 100-470uF i mieć rezystancję szeregową ESR
100-250 miliomów.
Rezystor R3 włączony między plusem napięcia wejściowego Vin i wejściem OC (pin 3) układu, ustala
maksymalny prąd graniczny Isd przetwornicy, po przekroczeniu którego włączy się zabezpieczenie nad-
prądowe OCP (Over Current Protection). Spowoduje ono obniżenie prądu wyjściowego przez zmniej-
szenie częstotliwości oscylatora przełączającego z 300 kHz do 50 kHz. Taki sam efekt wystąpi, gdy włą-
czy się zabezpieczenie zwarciowe SCP (Short Circuit Protection). Wartość prądu Isd można obliczyć ze
wzoru: Isd = (Ioc*R3)/Ron, gdzie Ioc to prąd odniesienia ze źródła układu, wynoszący 75-105uA (zwykle
90uA) w zależności od egzemplarza układu; Ron to rezystancja włączonego tranzystora przełączającego
MOSFET, wynosząca 70-150 miliomów w zależności od napięcia Vin i egzemplarza układu (można przy-
jąć typowo 100 miliomów). Obliczona wartość prądu Isd jest przybliżona i zależy od wartości prądu Ioc
układu, rezystancji Ron włączonego tranzystora przełączającego MOSFET oraz tolerancji rezystora R3
(dla R3=4.7k prąd Isd wynosi ok. 2A). Prąd Ioc przepływający przez rezystor R3 powoduje powstawanie
na nim spadku napięcia Vdr=Ioc*R3, a tym samym ustalenie napięcia Voc=Vin-Vdr na wejściu OC ukła-
du. Jeśli napięcie sterujące PWM jest niższe od napięcia Voc, włącza się zabezpieczenie nadprądowe
OCP.
Wejście EN (pin 2) układu do włączania/wyłączania przetwornicy jest podciągnięte rezystorem R4 do
plusa napięcia wejściowego Vin, aby wymusić na nim wysoki stan logiczny (minimum 2V, powyżej 20uA)
i automatycznie rozpocząć działanie przetwornicy. Aby wyłączyć przetwornicę, należy na wejściu EN
wymusić niski stan logiczny (maksymalnie 0.8V, powyżej 10uA), co spowoduje wyłączenie tranzystora
przełączającego MOSFET oraz całkowite zatrzymanie działania przetwornicy (pobór prądu przez układ
spada do ok. 10uA). Podobny efekt wystąpi, gdy włączy się zabezpieczenie termiczne TSD (Thermal
ShutDown) po osiągnięciu przez strukturę krzemową układu temperatury granicznej (Tsd), która wyno-
si ok. 150 stopni Celsjusza. Po obniżeniu się temperatury układu do ok. 125 stopni Celsjusza, przetwo-
rnica wróci do normalnej pracy. Jeśli napięcie wejściowe Vin spadnie poniżej 3.3V, włączy się zabez-
pieczenie nisko-napięciowe UVLO (Under Voltage LockOut). Spowoduje ono, że tranzystor przełącza-
jący MOSFET pozostanie wyłączony do momentu, gdy napięcie Vin osiągnie wartość powyżej 3.5V
- wtedy przetwornica wróci do normalnej pracy.
Przy projektowaniu płytki drukowanej należy przestrzegać kilku zasad, które zmniejszą poziom zakłóceń
emitowanych przez przetwornicę oraz zwiększą jej ogólną sprawność i niezawodność działania. Konden-
sator wejściowy/wyjściowy Cin/Cout, cewka L1, dioda D1 i rezystory R1/R2 powinny znajdować się jak
najbliżej wyprowadzeń układu. Ścieżki łączące te elementy muszą być jak najkrótsze i możliwie szerokie.
Dotyczy to zwłaszcza ścieżek VIN/SW/VOUT, przez które przepływają duże prądy przemienne (AC).
Jeśli pojemność wejściową Cin tworzą dwa kondensatory, to ceramiczny 100nF trzeba umieścić jak naj-
bliżej wyprowadzeń VIN/GND układu, a połączony z nim równolegle tantalowy/elektrolityczny może być
bardziej oddalony. Rezystory R1/R2 oraz ścieżki łączące je z wyprowadzeniem FB układu i napięciem
wyjściowym Vout, powinny znajdować się jak najdalej od cewki L1 oraz ścieżek napięcia wejściowego
Vin i węzła przełączającego. Węzeł przełączający to ścieżka łącząca cewkę L1 i katodę diody D1 z wy-
prowadzeniem SW układu (powinna mieć jak najmniejszą powierzchnię). Jeśli pojemność wyjściową
Cout tworzą dwa kondensatory, to ceramiczny 100nF trzeba umieścić jak najbliżej cewki L1 i wypro-
wadzenia GND układu, a połączony z nim równolegle tantalowy/elektrolityczny może być bardziej
oddalony.
Sprawność opisywanej przetwornicy zależy od kilku czynników (napięcie Vin/Vout, prąd wyjściowy Iout),
ale zwykle wynosi powyżej 80%. Moduł przetwornicy zmontowałem na płytce jednostronnej o wymiarach
30x35mm, wykonanej metodą transferu chemicznego.

SPIS ELEMENTÓW:

Rezystory:
R1 - 10k
R1A, R2A - 3.3k
R1B - 6.8k
R1C - 15k
R1D - 33k
R2B, R3 - 4.7k
R4 - 47k		 Kondensatory:
C1 - 100u/25V
C2 - 100n/25V
C3 - 1n (opcjonalny)
C4 - 100n/10V
C5 - 100u/10V		 Cewki:
L1 - 33uH (patrz opis)

Diody:
D1 - SS24 (patrz opis)

Układy scalone:
U1 - LSP3130 (SO8)		 Złącza:
CON1 - goldpin 3x1 (męskie)

Zworki:
J1-J4 - goldpin 2x1 (męskie)