155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы без гальванической развязки

Инвертирующие схемы

На Рис. 4.7 изображена инвертирующая схема преобразователя с использованием контроллера МАХ1846.

Схема инвертирующего преобразователя с использованием контроллера МАХ1846Рис. 4.7. Схема инвертирующего преобразователя с использованием контроллера МАХ1846

Этот контроллер предназначен для реализации полнофункциональных схем, обеспечивающих максимальное гибкое управление параметрами в сочетании с малыми габаритами. Питание этой схемы осуществляется от нескольких никель-металлогидридных элементов. Минимальное входное напряжение контроллера 3.0 В не позволяет применять один литиевый элемент питания.

Первым параметром, который нам предстоит выбрать, является частота коммутации. Частоту контроллера можно устанавливать в пределах 100…500 кГц. Производительность схемы, вследствие особенностей работы p-канального полевого транзистора, будет сильно зависеть от частоты коммутации. Поскольку в p-канальных полевых транзисторах заряд переносится неосновными носителями ( «дырками»), коммутационные потери в них выше, чем в n-канальных. Нам нужно обеспечить минимум динамических потерь в ключе, в сочетании с малыми габаритами компонентов и максимально высокой частотой коммутации. Ещё одним параметром, ограничивающим частоту коммутации, является максимальный коэффициент заполнения. Минимальный межимпульсный интервал для данного контроллера составляет 400 нc, поэтому с ростом частоты предельно достижимый коэффициент заполнения уменьшается. С другой стороны, при увеличении отношения абсолютного выходного напряжения к входному напряжению максимальный коэффициент заполнения возрастает. Произведя перестановку в уравнении (1.10), можно получить зависимость коэффициента заполнения от входного и выходного напряжений:

DC = VOUT / (VOUT — VIN).

Подставив сюда указанные на Рис. 4.7 значения, получаем, что максимальный коэффициент заполнения равен

DС = (-12) / (-12 — 3.0) = 80%.

В справочных данных на микросхему МАХ 1846 указано, что типовая частота коммутации для максимального коэффициента заполнения 80% составляет 500 кГц. Но для худшего случая при такой частоте запас по коэффициенту заполнения может оказаться недостаточным, и величина 80% не будет достигнута. Выберем частоту коммутации 400 кГц, чтобы обеспечить необходимый запас.

Рассмотренный в данном примере источник питания предназначен для аналоговой системы, в которой могут быть значительные выбросы тока, поэтому при его проектировании нам нужно обеспечить быструю переходную характеристику. Уравнение (4.4) вполне подходит и для инвертирующей схемы. Таким образом:

VIN x IL-AVG x DC = VOUT x IOUT.

Подставив формулу для коэффициента заполнения и выполнив перестановку, получим

IL-AVG = (VOUT — VIN) х IOUT / VIN = (-12 — 3.0) х (-0.5) / 3.0 = 2.5 А.   (4.7)

Обратите особое внимание на знаки, соответствующие полярности выходного тока и выходного напряжения!

Выберем ток пульсаций, равный 50% среднего тока дросселя при максимальной нагрузке. Отсюда пиковый ток дросселя равен 3.13 А. Установка такого высокого тока пульсаций при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении может привести к прерывистому режиму работы при очень малых нагрузках и максимальном входном напряжении. Напряжение пульсаций будет постоянным, пока источник питания работает в непрерывном режиме. Оно даже снизится, когда источник питания перейдет в прерывистый режим работы при низком выходном токе. Важно проверить на практике стабильность контура и для непрерывного, и для прерывистого режимов работы, потому что значения коэффициента обратной связи различаются в зависимости от режима.

Снова используем уравнение дросселя и сделаем перестановку для инвертирующего преобразователя:

L = (VIN х VOUT) / ( (ΔI х ƒ) х (VOUT — VIN)).    (4.8)

Подставив значения из Рис. 4.7, получим

L = (3.0 х (-12.0)) / ( (1.25×400 кГц) х (-12 — 3.0)) = 4.8 мкГн.

На Рис. 4.7 приведены рабочие параметры как на входе, так и на выходе схемы. Чтобы определить индуктивность дросселя, мы использовали минимальное входное напряжение и максимальный выходной ток, предположив, что режим работы — непрерывный. Можно произвести расчёт для максимального входного напряжения и минимального выходного тока, чтобы оценить влияние прерывистого режима работы.

Коэффициент заполнения при полностью заряженных элементах питания будет равен

DC = (-12) / (-12 — 4.2) = 0.74.

Чтобы найти ΔI, выполним перестановку в уравнении (4.8):

ΔI = (VIN х VOUT) / ( (L х ƒ) х (VOUT — VIN)) = (4.2 х (-12)) / ( (4.8 мкГн х 400 кГц) х (-12 — 4.2)) = 1.62 А.

В момент перехода из непрерывного режима работы в прерывистый IL-AVG равен ΔI / 2. Чтобы найти IOUT, выполним перестановку в уравнении (4.7):

IOUT = (IL-AVG x VIN) / (VOUT — VIN) = (0.81 Х 4.2) / (-12 — 4.2) = 210 мА.

Полученный результат показывает, что наша схема будет работать в прерывистом режиме, когда элементы питания полностью заряжены и ток нагрузки меньше 210 мА.

Инвертирующий преобразователь, реализованный на основе ИС с управлением по току, будет ограничивать ток короткого замыкания благодаря тому, что в этом случае ключ отключает дроссель от первичного источника питания. Выходной ток короткого замыкания будет ограничен значением пикового тока дросселя.

Сопротивление токоизмерительного резистора определяется, исходя из пикового тока дросселя при максимальной выходной мощности с помощью имеющейся в справочных данных на микросхему формулы

RCS = 0.085 В / IL = 0.085 / 3.13 А = 0.027 Ом.

Теперь обратимся к выбору ключевого транзистора. Напряжение на затворе ключа равно входному напряжению. Значит, мы должны начать свой поиск с компонента, который полностью открывается при 3.0 В. Напряжение сток — исток будет равно сумме входного и выходного напряжений, поэтому напряжение пробоя должно быть выше 16.2 В. Последним определяющим параметром служит пиковый ток стока. В нашем источнике питания пиковый ток дросселя равен 3.13 А. Наиболее подходящим компонентом, удовлетворяющим всем этим требованиям, является полевой транзистор серии IRF7425.

В инвертирующей схеме преобразователя ток и входного, и выходного конденсаторов является прерывистым. Он имеет пилообразную форму с пиковой амплитудой, равной пиковому току дросселя. При выборе входного и выходного конденсаторов важно обращать внимание на их ЭПС и номинальный ток пульсаций. Как и при проектировании понижающего преобразователя, нужно принимать во внимание высокую добротность и отрицательный импеданс входного фильтра. Среднеквадратический ток входного конденсатора равен

IRMS = IOUT x √ (DC / (1-DC))

155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167