227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 500

Раздел 16 Импульсные источники питания

Сетевой источник питания для компьютера

Преобразователь постоянного напряжения (DC/DC)

Схема преобразователя постоянного напряжения (DC/DC) изображена на Рис. 11.2.

Схема преобразователя постоянного напряжения (DC/DC) 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 11.2. Схема преобразователя постоянного напряжения (DC/DC)

Для всех источников питания я отдаю предпочтение контроллеру с управлением по току. Этот тип импульсного управления гарантирует, что через ключ не потечёт ток, способный вывести его из строя. Микросхемы серии UC1842 выпускаются многими производителями, включая Linear Technology и Texas Instruments (бывшую Unitrode). Оба производителя предлагают ИС с улучшенными характеристиками по сравнению с оригинальной серией. Эти микросхемы предназначены для сетевых источников питания и мощных преобразователей DC/DC. Будем использовать микросхему LT1241 фирмы Linear Technology благодаря наличию в ней встроенного ограничителя коэффициента заполнения (значением 50%). Большая часть вспомогательной информации для этой схемы взята из справочных данных по микросхеме LT1241, инструкции 25 фирмы Linear Technology и инструкции U-100A фирмы Unitrode.

В нашей схеме будет использован одноключевой прямоходовой преобразователь. В трансформаторе необходимо в каждом периоде частоты коммутации сбрасывать магнитную индукцию, поэтому нам понадобится контроллер, имеющий ограничение коэффициента заполнения значением 50%. Эта схема ограничивает наш выбор ключа 1000-вольтовыми компонентами. Выберем полевой транзистор IRFPG40. Данный компонент имеет IDМАХ = 4.3 А при 25°С, поэтому он укладывается в наш среднеквадратический ток наихудшего случая 3.1 А. Действительно ли подходит данный компонент, мы проверим в процессе проектирования.

Далее нам нужно выбрать рабочую частоту. Выберем 100 кГц. Входное напряжение имеет очень большой диапазон, поэтому нам следует сделать межимпульсный интервал как можно меньше. Выберем номиналы задающих конденсатора и резистора по номограммам на странице 6 справочных данных по микросхеме LT1241. Выберем ёмкость 200 пФ, чтобы получить межимпульсный интервал как можно ближе к 0%. Теперь мы видим, что сопротивление резистора при рабочей частоте 100 кГц должно быть 70 кОм.

Далее спроектируем запускающий источник питания для LT1241. Начнём с выбора сопротивления питающего резистора R1. В состоянии блокировки при пониженном напряжении LT1241 потребляет приблизительно 250 мкА. Требуется подавать этот ток и ещё заряжать конденсатор источника питания С1. Время запуска зависит от того, насколько быстро ток через резистор R1 зарядит конденсатор до напряжения 9.6 В. С другой стороны, чем быстрее заряжается конденсатор, тем большую мощность рассеивает резистор R1, что повышает внутреннюю температуру источника питания и снижает производительность. Выберем допустимое рассеивание 0.5 Вт при наивысшем входном напряжении:

R = E2 / Р = (3902) / 0.5 = 305 кОм.    (11.8)

Ближайшее стандартное значение с отклонением 5% — 300 кОм.

Выберем рабочее напряжение микросхемы 10 В, чтобы обеспечить соответствующий заряд затвора и достаточный запас от порога выключения при пониженном напряжении. При скачках нагрузки возможно временное повышение напряжения вспомогательного источника питания выше 10 В. Защитим ИС, ограничив стабилитроном напряжение источника значением 20 В. В нормальном режиме работы при напряжении 10 В контроллер потребляет ток 8 мА. Основная часть потребляемого тока уходит на управление затвором МОП-ключа. Требуемый ток управления затвором можно рассчитать по справочным данным транзистора. Управление транзистором будет осуществляться напряжением 10 В с частотой 100 кГц. Рисунок 6 из справочных данных показывает, что при этом потребуется заряд затвора приблизительно 90 нКл на каждый период. В одной секунде умещается 100 000 периодов, поэтому заряд равен

90×10-9 х 105 = 0.009 Кл/с, т. е. 9 мА.   (11.9)

Сопротивление токоизмерительного резистора выберем, исходя из справочных данных по микросхеме LT1241 и максимального тока стока транзистора. Максимальный ток стока ограничивается температурой корпуса. Позволим транзистору нагреваться на 25°С выше температуры окружающей среды, т. е. до 85°С. Этим ограничивается ток стока до 3.4 А и задаётся размер требуемого для транзистора радиатора. Следующая формула из справочных данных по микросхеме LT1241 даёт сопротивление токоизмерительного резистора:

RS = 1.0 B / IPeak= 1.0 / 3.4 = 0.294 Ом.    (11.10)

Цепь управления выходным напряжением 12 В должна пересекать изоляционный барьер. Для реализации обратной связи и требуемой защитной изоляции используется схема, состоящая из микросхемы U2 и оптопары 4N28. Эта схема является точной копией схемы обратной связи из примера сетевого источника питания в инструкции 25 фирмы Linear Technology. Компаратор LT1006 сравнивает выходное напряжение преобразователя с напряжением 1.2 В на выходе источника опорного напряжения LT1004 и пропорционально их разнице управляет светодиодом оптопары 4N28. Катод светодиода оптопары 4N28 подключается к источнику опорного напряжения, чтобы операционный усилитель «опирался» на достаточно высокое положительное напряжение относительно земли. Цепь коррекции состоит из R5 и C11 с ориентировочными номиналами, взятыми из инструкции 25 фирмы Linear Technology. Резистор сопротивлением 4.99 кОм между выводом обратной связи LT1241 и землёй нужен для того, чтобы внутренний усилитель ошибки не снижал напряжение управления на выводе коррекции. Транзистор оптопары 4N28 регулирует напряжение на выводе коррекции, поддерживая выходное напряжение. При лабораторном тестировании опытного образца номиналы R5 и C11, безусловно, будут подобраны так, чтобы получилась хорошая переходная характеристика. R8 и C12 также обеспечивают коррекцию контура обратной связи, и может потребоваться корректировка их номиналов в лабораторных условиях.

Выходной каскад (драйвер) микросхемы LT1241 имеет пиковый ток 1.0 А. Резистор R6 обеспечивает защитное ограничение тока для ИС, и его сопротивление равно напряжению источника питания, делённому на пиковый ток микросхемы. Диод D1 не даёт отрицательным выбросам напряжения, проникающим на вывод выхода ИС через внутренние ёмкости транзистора, превысить падение напряжения на диоде Шотки. Большие отрицательные выбросы могут стать причиной нестабильности работы ИС из-за того, что откроются паразитные диоды в выходном транзисторе и между корпусом и подложкой.

227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238 500