Повышающий DC-DC преобразователь на NCP1402

           При проектировании портативных электронных устройств необходимо уделить отдельное внимание источнику питания. Особенно это важно в тех случаях, когда требуется минимизировать габариты и получить уровень питания выше, чем выдают аккумуляторы или батарейки. Для решения таких задач идеально подходит импульсный повышающий DC-DC преобразователь (конвертер) напряжения на базе микросхемы серии NCP1402.

           Серия NCP1402 представляет собой модельный ряд из микросхем в корпусе SOT23-5, отличающихся фиксированным значением выходного напряжения Uвых:

           В рамках данной статьи будет рассматриваться модель NCP1402SN50T1 с фиксированным выходным напряжением 5 В.

           При работе с конвертером необходимо учитывать взаимосвязь выходных тока и напряжения от величины питания на входе Uвх. Ниже представлен соответствующий график из документации от производителя:

Повышающий DC-DC преобразователь на NCP1402

           Этот график показывает, что величина выходного тока Iвых напрямую зависит от величины входного напряжения: чем выше уровень, тем больше ток. При Uвх = 4 В схема, теоретически, способна выдавать на нагрузку до 200 мА. А если подавать на вход 1,5 В от батарейки типа AAA, то максимальный Iвых ожидается на уровне 60 мА при неизменном Uвых = 5 В.

           На практике довольно часто используется литий-полимерный аккумулятор на 3,7 В. Судя по графику, при таком значении Uвх конвертер будет способен выдать порядка 180…200 мА.


Схема

           В документации от производителя приводится базовый вариант включения микросхемы преобразователя:

Повышающий DC-DC преобразователь на NCP1402

           На входе и выходе рекомендуется устанавливать танталовые конденсаторы (номиналы от 10 мкФ до 68 мкФ на 16 В) для фильтрации низкочастотных пульсаций. Параллельно им добавлены керамические конденсаторы с ёмкостью 100 нФ.

           Катушка индуктивности с номиналом 47 мкГн рекомендуется производителем в силу обеспечения оптимального баланса между величиной Iвых и пульсациями напряжения. Если повысить индуктивность, то уменьшится ток, зато увеличится коэффициент полезного действия (КПД). При снижении индуктивности ток увеличится, но преобразование будет неэффективным. Катушка должна быть рассчитана на номинальный ток как минимум в 2 раза больше, чем ожидаемый максимум на нагрузке.

           Производителем заявлено, что эффективность преобразования (или КПД) составляет примерно 80…85 % при Uвх от 3 до 4 В, что наглядно продемонстрировано на соответствующем графике из документации к микросхеме:

Повышающий DC-DC преобразователь на NCP1402

           Блокирующий диод рекомендуется выбирать типа Шоттки, чтобы минимизировать потери. Как вариант, можно использовать диод в миниатюрном корпусе DO-214 модели MBRA140.


Эксперимент

           Для тестирования конвертера была собрана рекомендованная схема с небольшой доработкой (добавлены керамические конденсаторы для фильтрации высокочастотных пульсаций):

Повышающий DC-DC преобразователь на NCP1402
Рисунок 1 — Тестовая схема конвертера
Рисунок 2 — Экспериментальная плата преобразователя на NCP1402SN50T1
 

           В рамках тестирования будем подключать к преобразователю элемент питания типа AAA  номиналом 1,5 В (применённый элемент выдаёт 1,485 В) и литий-полимерный аккумулятор (в процессе тестов выдавал 3,76 В):

           При эксперименте с аккумулятором в качестве нагрузки будем использовать резисторы с номиналами 100 Ом и 27 Ом. Красный мультиметр слева показывает ток на нагрузке в миллиамперах, а белый мультимер по центру — напряжение в вольтах:

— Li-Pol, 100 Ом

— Li-Pol, 27 Ом

           В эксперименте с батарейкой применим резисторы на 510 Ом и 100 Ом:

— батарейка AAA, 510 Ом

— батарейка AAA, 100 Ом

           Эксперимент с батарейкой показал, что при 100 Ом удалось получить 45 мА. Но при этом Uвых просело до 4,4 В. Следовательно, работа конвертера на 5 вольт от одного элемента на 1,5 вольта наименее эффективна.

           Работа преобразователя от аккумулятора показала более достойный результат. Ток на 27 Ом составил чуть более 170 мА, при этом Uвых просело до уровня 4,7 вольта, что для функционирования небольших устройств с микроконтроллером (на 5 В) вполне приемлемо.

           На осциллограмме ниже видно по показаниям курсора ΔV, что величина «пик-пик» пульсаций выходного напряжения составляет 240 мВ при 170 мА. Соответственно, амплитудное значение пульсаций равно 120 мВ. Таким образом, коэффициент пульсаций равен около 2,5 %. Стоит добавить ёмкости для фильтрующих конденсаторов.

Рисунок 3 — Осциллограмма Uвых при 170 мА

           Также стоит отметить, что на холостом ходу уровень Uвых соответствует номинальному значению:

Рисунок 4 — Выходные параметры без нагрузки

Выводы

           Повышающий DC-DC преобразователь на базе микросхемы серии NCP1402 является оптимальным вариантом для формирования питания маломощных малогабаритных устройств, использующие батарейки или аккумуляторы. Это достигается за счёт простой схемы, не требующей настройки, а также малого числа доступных компонентов.

           Проведённые тесты с моделью NCP1402SN50T1 (фиксированное значение Uвых = 5 В) подтвердили высокую эффективность конвертера при работе с Li-Pol аккумулятором на 3,7 В. При нагрузке 140…150 мА выходное напряжение не проседает ниже 4,9 В.