fuente de alimentación de triple salida de ±32V para LCD, CCD y LED Incluye protección contra fallos en un QFN de 3 mm × 3 mm

El diseño de un sistema alimentado por batería con múltiples fuentes de alimentación de alto voltaje es una tarea difícil. En estos sistemas, el espacio de la placa es limitado y se requiere una alta eficiencia para prolongar la vida de la batería. Las fuentes de alimentación deben estar secuenciadas en el arranque y el apagado, y las múltiples fuentes de alimentación deben ser capaces de mantener la regulación sin interactuar entre sí.

El LT3587 es una solución de un solo chip que combina tres reguladores de conmutación y tres interruptores internos de alta tensión para producir dos convertidores elevadores de alta tensión y un único inversor de alta tensión. El LT3587 está diseñado para funcionar con entradas de 2,5 V a 6 V, lo que lo hace ideal para sistemas alimentados por baterías. El pequeño tamaño del paquete y el bajo número de componentes producen una solución pequeña y eficiente. Entre las aplicaciones típicas se encuentran las cámaras fotográficas y de vídeo digitales, los escáneres portátiles de alto rendimiento y los sistemas de visualización, las PDA, los teléfonos móviles y los ordenadores de mano que tienen periféricos de alto voltaje, como los CCD, las luces de fondo LED, los LCD o las pantallas OLED.

Para mantener bajo el número de componentes, el LT3587 integra tres interruptores de potencia de alto voltaje capaces de conmutar 0,5A, 1A y 1,1A hasta 32V en un encapsulado QFN de 3mm × 3mm. Cada uno de los canales positivos incluye una desconexión de salida para evitar una ruta directa de CC de la entrada a la salida cuando los interruptores están desactivados. El LT3587 también incluye un pin de fallo bidireccional (FLT), que puede utilizarse para la indicación de averías (salida) o para la parada de emergencia (entrada).

El LT3587 ofrece un amplio rango de salida, hasta 32V para los canales positivos (canales 1 y 3) y -32V para el inversor (canal 2). El canal 3 es configurable como regulador de tensión o de corriente. Cuando se configura como regulador de corriente, el canal 3 utiliza una salida de 1 hilo que no requiere detección de corriente ni líneas de retorno a tierra de alta corriente, lo que facilita el diseño de la placa. Se utiliza una sola resistencia para programar los niveles de tensión de salida de cada uno de los tres canales y/o el nivel de corriente de salida del canal 3.

El arranque suave inteligente permite el arranque suave secuencial del canal 1 seguido de la salida negativa del inversor utilizando un único condensador. El circuito interno de secuenciación desactiva el inversor hasta que la salida del canal 1 haya alcanzado el 87% de su valor final.

La figura 1 muestra una aplicación típica que proporciona una tensión de polarización positiva y negativa para una cámara CCD y una corriente de polarización de 20 mA para una luz de fondo LED. Los tres canales del LT3587 utilizan un esquema de control de modo de corriente de frecuencia constante para proporcionar regulación de tensión y/o corriente en la salida.

La polarización positiva del CCD está configurada como un simple convertidor de refuerzo no síncrono. Su tensión de salida se ajusta a 15V mediante la resistencia de retroalimentación R_FB1. El inductor de 15µH (L1) está preparado para una carga máxima de 50mA. El sesgo negativo del CCD está configurado como un convertidor Ćuk no síncrono. Su tensión de salida se ajusta a -8V mediante la resistencia de retroalimentación R_FB2. Los dos inductores de 15µH (L2 y L3) tienen una carga máxima de 100mA.

El controlador de la retroiluminación LED está configurado como un convertidor boost con corriente de salida regulada. Su corriente de salida se ajusta a 20mA mediante la resistencia de programación de corriente R_IFB3. El inductor de 10µH (L4) está preparado para una carga típica de 20mA a 24V como máximo. Nota: La resistencia opcional de retroalimentación de tensión, R_VFB3en el controlador LED. Esta resistencia actúa como limitador de tensión en la salida del controlador de LEDs, de modo que si uno de los LEDs se abre, la tensión en la salida del controlador de LEDs se sujeta a 24V.

Todos los canales tienen un arranque suave (una lenta rampa de tensión desde cero hasta la regulación) para evitar las potencialmente dañinas altas corrientes de arranque. El arranque suave se implementa a través de dos pines de control de arranque suave separados: EN/SS1 y EN/SS3. El pin EN/SS1 controla el arranque suave del canal 1 y del inversor, mientras que el pin EN/SS3 controla el arranque suave del canal 3. Estos dos pines de arranque suave se ponen en alto con una fuente de corriente interna de 1µA.

Un condensador que conecta el pin EN/SS1 a tierra (C3 en la Figura 1) programa una rampa de arranque suave para el canal 1 y el canal 2 (el inversor). Como la fuente de corriente de 1µA carga el condensador, los bucles de control del canal 1 y del canal 2 se activan cuando la tensión de la patilla EN/SS1 supera los 200mV. Durante el arranque, el pico de corriente de conmutación del canal 1 aumenta en proporción a la rampa de tensión de arranque suave en el pin EN/SS1. La corriente de conmutación del inversor también sigue la rampa de tensión en la patilla EN/SS1, pero su rampa de corriente de conmutación no comienza hasta que la tensión en la patilla EN/SS1 es de al menos 600mV. Esto garantiza que el canal 2 se inicie después del canal 1. Los lazos de control del canal 1 y del canal 2 funcionan libremente con la corriente de inductancia completa cuando la tensión en el pin EN/SS1 es superior a 2,5V.

Del mismo modo, un condensador que conecta el pin EN/SS3 a tierra (C5 en la Figura 1) establece una rampa de arranque suave para el canal 3. Cuando la tensión en los pines EN/SS3 supera los 200mV, se activa el bucle de control del canal 3. Cuando la tensión de la patilla EN/SS3 es superior a 2V, el bucle de control del canal 3 funciona libremente con la corriente de inductancia completa.

El LT3587 también incluye un circuito interno de secuenciación que impide que el canal 2 funcione hasta que la tensión de retroalimentación del canal 1 (en el pin FB1) alcance aproximadamente 1,1V (alrededor del 87% de la tensión final). El tamaño del condensador de arranque suave controla el comportamiento de arranque del canal 2.

Si no hay un condensador de arranque suave, o un condensador muy pequeño, el canal negativo arranca inmediatamente con la corriente de inducción completa cuando la salida positiva alcanza el 87% de su valor final. Si se utiliza un condensador de arranque suave grande, la tensión EN/SS1 controla el canal del inversor más allá del punto de regulación del canal positivo. La figura 2 muestra la secuencia de arranque sin arranque suave y con un condensador de arranque suave de 10nF.

Los dos canales positivos (canales 1 y 3) tienen una desconexión de salida entre sus respectivos PAC y V_OUT pines. Esta función de desconexión impide que se forme una vía de corriente continua entre V_EN y V_OUT a través de los inductores cuando la conmutación está desactivada (Figura 1).

En el canal 1, esta función de desconexión de la salida se realiza con un PMOS (M1), como se muestra en el diagrama de bloques parcial de la figura 3. Cuando se enciende, M1 normalmente proporciona una ruta de baja resistencia y baja disipación de energía para entregar la corriente de salida entre el pin CAP1 y el V_OUT1 pin. M1 se enciende mientras la diferencia de tensión entre CAP1 y V_EN es superior a 2,5V. Esto permite que la polarización positiva se mantenga alta durante el mayor tiempo posible, mientras que la polarización negativa se descarga durante el apagado.

El transistor de desconexión M1 está limitado en corriente para proporcionar una corriente de salida máxima de 155mA. También hay un circuito de protección para M1 que limita la caída de tensión entre CAP1 y V_OUT1 a unos 10V. Cuando la tensión a través de CAP1 es superior a 10V, como cuando la salida está sobrecargada o en cortocircuito a tierra, entonces M1 se pone a tope, sin ningún límite de corriente, para permitir que la tensión a través de CAP1 se descargue lo más rápidamente posible. Cuando la tensión a través de CAP1 y V_OUT1 reducido a menos de 10V, la corriente de salida se limita de nuevo a 155mA. La figura 4 muestra la tensión y la corriente de salida durante un evento de sobrecarga con V_CAP1 inicialmente a 15V.

La función de desconexión de la salida en el canal 3 se realiza de forma similar utilizando M3 (Figura 3). Sin embargo, en este caso, M3 sólo se desactiva cuando la tensión de la patilla EN/SS3 es inferior a 200mV y el bucle de control del canal 3 se desactiva.

El transistor de desconexión M3 también está limitado en corriente, proporcionando una corriente de salida máxima a V_OUT3 de 100mA. M3 también tiene un circuito de protección similar a M1 que limita la caída de tensión entre CAP3 y V_OUT3 a unos 10V. La figura 5 muestra la tensión y la corriente de salida durante un evento de sobrecarga con V_CAP3 inicialmente a 24V.

El LT3587 tiene detección de fallos en todas las salidas y un pin indicador de fallos, FLT. El circuito de detección de fallos sólo se activa cuando al menos uno de los canales ha completado el proceso de arranque suave y está funcionando libremente con la corriente de inducción completa. Una vez activada la detección de fallos, si alguna de las tensiones de retorno de los canales activados (V_FB1, V_FB2 o el mayor de V_VFB3 y V_IFB3) cae por debajo de su valor de control durante más de 16ms, el FLT el husillo tira hacia abajo.

Un caso especialmente importante es una condición de sobrecarga o cortocircuito en una de las salidas. En este caso, si el bucle correspondiente no es capaz de volver a regular la salida en 16 ms, se detecta un fallo y el FLT el husillo tira hacia abajo.

Ten en cuenta que la condición por defecto es el bloqueo: una vez activado, los tres canales se desactivan. Para habilitar cualquiera de los canales, hay que reiniciar la pieza apagándola (forzando los pines EN/SS1 y EN/SS3 por debajo de 200mV) y volviéndola a encender. La figura 6 muestra las formas de onda cuando se produce una condición de cortocircuito en el canal 1 durante más de 16 ms y el posterior reinicio de la pieza.

Además de servir como indicador de salida de fallos, el FLT también es un pin de entrada. Si este pin se fuerza externamente por debajo de 400mV, el LT3587 se comporta como si se hubiera producido un fallo y todos los canales se apagan. Para volver a encender la pieza, retira la tensión externa que obliga a bajar el pin y reinicia la pieza. La figura 7 muestra las formas de onda cuando el FLT es forzado externamente a un nivel bajo y el posterior reinicio de la pieza.

Como se muestra en la figura 1, una de las aplicaciones más comunes del canal 3 es como regulador de corriente para un controlador de LEDs de retroiluminación. En muchas aplicaciones de pantallas de gama alta que requieren retroiluminación LED, la capacidad de reducir el brillo de la pantalla es crucial para implementar un modo de ahorro de energía o para mantener el contraste en diferentes condiciones de iluminación ambiental.

Hay dos formas diferentes de implementar el control de la regulación de la cadena de LEDs. La corriente del LED puede ajustarse mediante un convertidor digital-analógico (DAC) y una resistencia R_IFB3 o utilizando una señal PWM.

Regulación analógica mediante un DAC y una resistencia

Para algunas aplicaciones, el método preferido para controlar el brillo es utilizar un DAC y una resistencia. Este método es más conocido como regulación analógica. Este método se ilustra en la figura 8.

Como el valor programado de V_OUT3 la corriente es proporcional a la que pasa por R_IFB3la corriente del LED se puede ajustar cambiando la tensión de salida del DAC. Un nivel de tensión de salida del DAC más alto da lugar a una menor corriente del LED y, por tanto, a una menor luminosidad general. Para un control preciso de la atenuación, mantén la impedancia de salida del DAC lo suficientemente baja como para absorber aproximadamente 1/200 de la corriente máxima deseada del LED. Nota: La corriente de salida máxima posible está limitada por el límite de corriente de desconexión de salida a 100mA.

Regulación PWM

Uno de los problemas de la regulación analógica descrita anteriormente es que al cambiar la corriente de avance que circula por los LEDs no sólo cambia la intensidad de la luz de los mismos, sino también su color. Esto es un problema para las aplicaciones que no pueden tolerar ningún cambio en la cromaticidad de los LED.

El control de la intensidad de los LED con una señal PWM directa permite variar el brillo de los LED sin cambiar el color. Una frecuencia PWM de ~80Hz o superior garantiza que no haya parpadeo visible. El tiempo de activación de la señal PWM es proporcional a la intensidad de los LEDs. El color de los LEDs no cambia en este esquema, ya que el valor de la corriente de los LEDs es cero o un valor constante (I_VOUT3 = 160V/R_IFB3).

La figura 9 muestra un controlador de LEDs para seis LEDs blancos. Si la tensión en la patilla CAP3 es superior a 10V cuando el LED está encendido, el método de regulación PWM directa requiere un NMOS externo. Este NMOS externo se conecta entre el cátodo del LED más bajo de la cadena y tierra.

La función de desconexión de la salida y el NMOS externo garantizan que los LEDs se apaguen rápidamente sin descargar el condensador de salida. Esto permite que los LEDs se enciendan más rápidamente. La figura 10 muestra las formas de onda de regulación PWM del circuito de la figura 9.

El tiempo que tarda la corriente del LED en alcanzar su valor programado define el rango de atenuación alcanzable para una frecuencia PWM determinada. En el extremo inferior del ciclo de trabajo, ya no se mantiene la relación lineal entre la corriente media del LED y el ciclo de trabajo PWM. El tiempo mínimo de encendido se elige en función del grado de linealidad requerido para la corriente media del LED. Por ejemplo, en el circuito de la figura 9, para producir una desviación de aproximadamente el 10% de la linealidad en el ciclo de trabajo más bajo, el tiempo mínimo de encendido de la corriente del LED es de aproximadamente 320µs (ciclo de trabajo del 3,2%) para una tensión de entrada de 3,6V y una frecuencia PWM de 100Hz. El rango de regulación alcanzable para esta aplicación es entonces de 30 a 1 (aproximadamente la inversa del ciclo de trabajo mínimo).

El rango de regulación puede ampliarse considerablemente combinando la regulación PWM con la analógica. El color de los LEDs ya no permanece constante porque la corriente directa al LED cambia con la tensión de salida del DAC. Para la aplicación de seis LEDs descrita anteriormente, primero se pueden atenuar los LEDs modulando el ciclo de trabajo de la señal PWM con la salida del DAC a 0V. Una vez alcanzado el ciclo de trabajo mínimo, se puede aumentar el valor de la tensión de salida del DAC para atenuar aún más los LEDs. Utilizando ambas técnicas juntas, la corriente media de los LED de la aplicación de seis LED puede variar desde 20 mA hasta menos de 1 µA (una relación de atenuación de 20.000:1).

El canal 3 puede configurarse como un convertidor ascendente regulado por tensión o por corriente. El bucle de control del canal 3 utiliza la mayor de las dos tensiones en V_FB3 y yo_FB3 como retroalimentación para ajustar la corriente de pico de su interruptor de potencia. Esta arquitectura permite programar un límite de corriente en la regulación de tensión o un límite de tensión en la regulación de corriente.

Cuando se configura como un regulador de tensión de refuerzo, una resistencia de retroalimentación en el pin de salida V_OUT3 a la V_FB3 el pin establece el nivel de tensión a V_OUT3 a un nivel fijo. En este caso, la I_FB3 puede conectarse a tierra si no se desea limitar la corriente, o conectarse a tierra con una resistencia para establecer un valor límite de corriente de salida (I_LIMITAR). Como ya se ha mencionado brevemente, la corriente de atracción en el I_FB3 se controla para que sea típicamente 1/200 de la corriente de carga de salida a V_OUT3 pin. En este caso, cuando la corriente de carga es inferior a I_LIMITARel canal 3 regula la tensión en V_FB3 a 0,8V. Si se produce un aumento de la corriente de carga más allá de I_LIMITARla tensión en V_FB3 comienza a caer y la tensión en I_FB3 se eleva por encima de 0,8V. El bucle del canal 3 regula entonces la tensión en I_FB3 a 0,8V, lo que limita la corriente de salida a V_OUT3 a I_LIMITAR. La figura 11 compara las respuestas transitorias con y sin límite de corriente cuando se produce una sobrecarga de corriente.

El pin CAP3 del canal 3 tiene protección contra la sobretensión. Cuando la tensión de CAP3 es superior a 29V, el bucle del canal 3 se desactiva y el pin SW3 deja de conmutar. Cuando se configura como un regulador de refuerzo de corriente, una resistencia de retroalimentación de la I_FB3 a tierra establece la corriente de salida a V_OUT3 a un nivel fijo. En este caso, si el V_FB3 está conectado a tierra, la protección por defecto contra la sobretensión es de 29V.

Además, se puede conectar una resistencia desde la V_OUT3 a la clavija V_FB3 para definir un ajuste de la tensión de salida (V_PINZA) por debajo de 29V. En este caso, cuando el nivel de tensión es inferior a V_PINZAel bucle del canal 3 regula la tensión en la I_FB3 a 0,8V. Por otro lado, cuando la carga de salida falla en circuito abierto o desconectado, la tensión en I_FB3 para reflejar la menor corriente y tensión de salida en V_FB3 comienza a aumentar. Cuando la tensión en V_OUT3 se eleva por encima de V_PINZAla tensión en el V_FB3 supera los 0,8V. El bucle del canal 3 regula entonces la tensión en el pin V_FB3 a 0,8V, lo que limita el nivel de tensión a V_OUT3 a V_PINZA. La figura 12 compara las respuestas transitorias con y sin V programada_PINZA cuando la carga de salida está desconectada.

Aunque el V_EN el rango de tensión de alimentación es de 2,5 V a 6,0 V, los inductores pueden funcionar con una tensión inferior. La mayoría de los dispositivos y sistemas portátiles tienen una tensión de alimentación lógica independiente de 3,3 V, que puede utilizarse para alimentar el LT3587. Esto permite alimentar las salidas directamente desde la fuente de alimentación de menor voltaje, como dos pilas alcalinas. Esta configuración proporciona un mejor rendimiento. La figura 13 muestra una aplicación típica de cámara digital alimentada de esta manera. Tiene fuentes de alimentación positivas y negativas para el CCD y una fuente de alimentación para la retroiluminación LED.

Si se puede tolerar una mayor ondulación de la corriente en la salida del inversor (canal 2), sustituye el inductor L3 por un diodo Schottky D3, como se muestra en la figura 14. Como el espacio que ocupa el diodo Schottky suele ser menor que el del inductor, esta topología alternativa se recomienda para aplicaciones con limitaciones de espacio. Esta topología sólo es viable si el valor absoluto de la salida del inversor es mayor que V_EN. Este diodo Schottky está configurado con el ánodo conectado a la salida del inversor y el cátodo al extremo de salida del condensador volante C2, como se muestra en la figura 14.

El LT3587 es un dispositivo versátil y altamente integrado que ofrece una solución sencilla para dispositivos como cámaras, dispositivos portátiles y terminales que requieren varias fuentes de alimentación de alto voltaje. Un bajo número de piezas y un paquete compacto de 3 mm × 3 mm hacen que la solución sea pequeña. La conversión de alta eficiencia lo hace adecuado para aplicaciones alimentadas por batería.

La tensión de salida ajustable y el amplio rango de salida de hasta 32 V para los boosts positivos, y de -32 V para el inversor, lo convierten en una solución flexible para sistemas que requieren suministros de alta tensión. La capacidad del canal 3 de funcionar como regulador de tensión o como verdadero regulador de corriente de 1 hilo confiere al LT3587 la condición de verdadera fuente de alimentación todo en uno.

Otras funciones adicionales, como el arranque suave, la secuenciación de la alimentación, la desconexión de la salida y la gestión de fallos, también aumentan la versatilidad de esta pieza y simplifican aún más el diseño de la fuente de alimentación.