Микросхема TPS63000 в светодиодном фонаре

Уже достаточно давно выпускается микросхема TPS63000 [1], которая предназначена для построения повышающего—понижающего преобразователя напряжения. У микросхемы весьма неплохие параметры. При входном напряжении от 1,8 В до 5,5 В выходное напряжение может быть от 1,2 В до 5,5 В, которое устанавливается с помощью резистивного делителя. При этом максимальный выходной ток микросхемы зависит от входного и выходного напряжений, и его можно определить по графику, представленному в документации. Например, при напряжении на выходе 3,3 В и входном напряжении от 3,6 В до 5,5 В ток нагрузки может достигать 1200 мА, а в повышающем режиме при входном напряжении от 2,4 В — 800 мА. Собственный ток потребления микросхемы составляет 50 мкА, при этом КПД доходит до 96 %. Также имеется тепловая защита, а переход из понижающего режима в повышающий и обратно происходит автоматически.

Всем хороша эта микросхема, но дело осложняется её небольшим корпусом (1 О-pin QFN) размерами 3x3 мм. Привычных нам ленточных выводов у него нет, а есть только контактные площадки внизу и немного по бокам пластикового корпуса. Кроме того, в документации особые требования предъявляются к топологии печатной платы и к применяемым дросселям и конденсаторам, которые должны быть определённых производителей. Хочу поделиться собственным опытом применения этой микросхемы на примере доработки светодиодного фонаря, при этом существенно улучшаются его эксплуатационные характеристики и более полно используются элементы питания.


Схема фонаря показана на рис. 1. Преобразователь построен по стандартной схеме, рекомендованной производителем. В схему также включены элементы, относящиеся к фонарю, — выключатель SA1, токоограничивающий резистор R4 и светодиод EL1. Резистивный делитель R2R3 задаёт выходное напряжение преобразователя. Сопротивление резистора R3 рекомендовано производителем, а сопротивление резистора R2 рассчитывается по формуле и для напряжения 3 В составляет 1 МОм. Резистор R4 — штатный, от фонаря, и расположен рядом со светодиодом, поэтому место на плате для него отсутствует. Если такого резистора в фонаре нет, чем грешат недорогие фонари определённых производителей, необходимо предусмотреть место под его установку.


Монтаж микросхемы был произведён следующим образом. Для установки микросхемы в одном из интернет-магазинов была подобрана подходящая переходная плата. И хотя в литературе встречаются такие платы с разными обозначениями, для установки микросхемы прекрасно подошла переходная плата DFN10 eMSOPIO 0,5mm [2], показанная на рис. 2. Пайка была произведена без применения паяльной станции, которой на тот момент не было, а с применением жидкого флюса тонким жалом маломощного паяльника, так, чтобы не перегреть, вначале необходимо залудить контакты и металлическую площадку снизу корпуса, которая припаивается к площадке на плате. Оставшегося и там, и там припоя должно хватить для пайки микросхемы. Также лудят площадку-теплоотвод с обратной стороны переходной платы (рис. 3), оставляя немного больше припоя, чем в двух предыдущих случаях.

Микросхему устанавливают на своё посадочное место так, чтобы контактные площадки корпуса совпали с дорожками печатной платы, не забывая про ключ микросхемы. Это требует немного терпения и аккуратности. Далее корпус микросхемы необходимо зафиксировать, например, алюминиевой прищепкой, которая будет являться ещё и теплоотводом для микросхемы во время пайки. Потом паяльником нагревают площадку-теплоотвод на нижней стороне переходной платы, а так как она соединена несколькими металлизированными отверстиями с верхней площадкой, то припой на верхней площадке также плавится и дно микросхемы оказывается припаянным. Размеры площадок — небольшие, поэтому процесс пайки происходит достаточно быстро. Главное, чтобы не было излишков припоя, который может замкнуть контакты микросхемы. Затем заточенным жалом поочерёдно нагревают контактные площадки переходной платы у каждого из выводов микросхемы. Припой на площадке плавится, вывод запаивается. Качество контакта контролируют с помощью увеличительных очков с боков, где расположены выводы. Так были смонтированы пять экземпляров микросхемы. Конечно, при наличии паяльной станции с феном процесс заметно упрощается.


Как уже указывалось, расположение элементов и разводка печатных проводников имеют большое значение. Блокировочные конденсаторы, дроссель и микросхема должны быть расположены как можно ближе друг к другу. Резистивный делитель R2R3 обратной связи должен быть как можно ближе к выводу GND микросхемы преобразователя. Так как печатные проводники самой переходной платы уже имеют определённую длину, для более компактного размещения было решено элементы обвязки разместить на другой плате, такого же размера и расположенной под переходной. Плата — с двухсторонним расположением элементов, на верхней стороне расположены дроссель L1 и конденсаторы С1, СЗ, С4. На нижней стороне расположены резисторы R1—R3 и конденсатор С2. Чертёж платы показан на рис. 4,а и рис. 4,6, а внешний вид собранной платы — на рис. 5. Платы соединены между собой с помощью выводов-стоек, изготовленных из отрезков медного лужёного провода. Для дополнительного отвода тепла от микросхемы на плате с элементами в середине общей шины сформирована площадка из припоя, выровненная надфилем. После сборки двух плат она должна касаться теплоотводящей площадки переходной платы с нижней стороны, а между ними наносится теплопроводная паста. Всё это должно предотвратить перегрев микросхемы даже при значительном потребляемом нагрузкой токе.


Поскольку возможности выбирать элементы определённых производителей не было, были установлены те, что были в продаже для поверхностного монтажа. Дроссель L1, конденсатор С2, резистор R1 — типоразмера 0805. Конденсаторы С1, СЗ, С4, резисторы R2, R3, R4 — типоразмера 1206. Штатный светодиод фонаря — неизвестного типа, белого свечения с теплоотводом. При подаче на него напряжения 3 В потребляемый ток был 200 мА, а при напряжении 2,8 В он уменьшался до 65 мА. При подаче напряжения устройство заработало сразу и налаживания не потребовало. Источник питания фонаря — батарея гальванических элементов напряжением 4,5 В. Преобразователь начинал работать с нижней границы интервала рабочих напряжений — 1,8 В. Внешний вид собранного устройства показан на рис. 6.