148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы без гальванической развязки

Схемы понижающих преобразователей

Микросхема LT1765 — полнофункциональный ШИМ-контроллер с управлением по току со встроенными ключом на n-p-n-транзисторе, токоизмерительным резистором и цепью коррекции. Частота коммутации имеет фиксированное значение 1.25 МГц. На Рис. 4.1 изображена типовая схема понижающего преобразователя с использованием LT1765.

Типовой понижающий преобразователь с использованием LT1765Рис. 4.1. Типовой понижающий преобразователь с использованием LT1765

Этот прибор выпускается в корпусе SO8 или 16-выводном корпусе TSSOP. Корпус SO8 имеет подключённую к общему выводу выводную рамку, которая предназначена для улучшения теплоотвода. Нижняя часть корпуса TSSOP выполнена в виде встроенного радиатора для отвода тепла в общий проводник на печатной плате. Этот корпус имеет малые габариты и низкую стоимость.

Для любого понижающего преобразователя, использующего n-p-n-транзистор или n-канальный МОП-ключ, требуется напряжение выше входного, чтобы можно было полностью открывать этот ключ. Биполярному ключу необходимо управляющее напряжение только на 0.7 В больше входного. Управляющее напряжение для МОП-ключа выше, чем для биполярного. Если в понижающем преобразователе предполагается использовать МОП-ключ, лучшим выбором будет ключ логических уровней, которому потребуется напряжение лишь на 2 В выше входного.

В устройстве на Рис. 4.1 реализована схема с накачкой заряда, которая обеспечивает требуемое управляющее напряжение. Этот принцип работает и для биполярных, и для МОП-ключей. Когда ключ замыкается (то есть транзистор открывается и пропускает ток, при этом его проводимость максимальна, а рассеиваемая тепловая мощность — минимальна), напряжение вольтодобавочного конденсатора добавляется к напряжению ключа, который в результате входит в состояние насыщения. Когда ключ размыкается, вольтодобавочный конденсатор оказывается подключён к выходу преобразователя и заряжается до выходного напряжения минус падение напряжения на диодах D1 и D2 сумме оно составляет примерно 1 В). С учётом падения напряжения на диодах, а также на активных элементах преобразователя его выходное напряжение, при котором достигается максимальный КПД  (при входном напряжении 5 В) составляет примерно 3.3 В. При дальнейшем понижении выходного напряжения ключ перестаёт насыщаться (поскольку напряжение на конденсаторе вольтодобавки уже недостаточно велико для того, чтобы перевести транзисторы ключа в режим насыщения), что резко повышает рассеивание мощности на нём. В справочных данных на микросхему LT1765 ёмкость вольтодобавочного конденсатора рекомендуется задавать равной 0.18 мкФ. Это значение получается из расчёта ширины импульсов ШИМ 700 нс (коэффициент заполнения 87%), тока вольтодобавки 90 мА и пульсаций напряжения вольтодобавки 0.7 В. Для полной зарядки за кратчайшее время между импульсами требуется керамический конденсатор с ЭПС ниже 1 Ом.

При включении данная схема сначала вырабатывает напряжение вольтодобавки. В первый момент напряжения на выходе преобразователя и на выходе транзисторного ключа равны нулю. Цепь управления открывает ключ, и напряжение на его выходе становится на 0.6 В ниже входного (вследствие падения напряжения на переходе база-эмиттер). Транзистор не насыщается, но через него начинает проходить ток дросселя, который заряжает выходной конденсатор. Как только выходное напряжение превысит величину 1.0 В, откроется вольтодобавочный диод D2 и вольтодобавочный конденсатор начнет заряжаться. Мощность, рассеиваемая ключевым транзистором, быстро снижается по мере увеличения напряжения вольтодобавки.

ШИМ-контроллеры с управлением по току обеспечивают ограничение выходного тока в понижающем преобразователе. Выходной ток ограничивается до значения пикового тока дросселя. Для ШИМ-контроллеров, имеющих вход выключения, можно использовать внешнюю схему, детектирующую наличие неисправности и отключающую источник питания.

Индуктивность дросселя определяет величину тока пульсаций. Для определения зависимости между индуктивностью и током пульсаций используем уравнения (1.1) и (1.6), определяющие соответственно ток дросселя и соотношение между входным и выходным напряжениями понижающего преобразователя в зависимости от коэффициента заполнения ШИМ.
Уравнение (1.6) даёт зависимость коэффициента заполнения ШИМ от напряжений:

V0 = VIN х DC, или DC = V0 / VIN.

Уравнение (1.1) даёт зависимость напряжения на дросселе от индуктивности и изменения тока:

V = L х (ΔI / Δt).

Время нарастания тока от минимума до максимума:

Δt = Т х DC, или Δt = (1 \ f) х DС или Δt = (1 / f) х (V0 / VIN),

где Т — период частоты коммутации

Выполнив перестановку в уравнении дросселя, получим

L = V (Δt / ΔI) или L = (VIN — V0) х (Δt / ΔI), или

L = (VIN — V0) x (V0 / (ΔI x f x VIN).   (4.1)

Одним из параметров, влияющих на проектирование схемы, является диапазон входного напряжения. Наибольший ток пульсаций возникает при самом высоком входном напряжении. Из практики известно, что следует задавать ток пульсаций, равный 10% максимального выходного тока при наибольшем входном напряжении. Стабилизация теряется при превышении максимального тока коммутации, который в данном случае равен 3 А (устанавливается схемой контроллера). Максимально возможный выходной ток равен 3 А — ΔI / 2 — 70 мА (ток, потребляемый цепью вольтодобавки).

С учётом вышеупомянутой практической рекомендации зададим ток пульсаций, равный 250 мА. Подставим заданные нами значения в уравнение (4.1):

L = (5.0 — 3.3) х (3.3 / (0.25 х 1.25×106 х 5.0)) = 3.6 мкГн.

Переходная характеристика преобразователя и ток пульсаций на выходе связаны между собой. Большому току пульсаций соответствует быстрый отклик на изменения нагрузки. Однако большой ток пульсаций, протекая через ЭПС выходного конденсатора, увеличит пульсации выходного напряжения. На Рис. 4.2 (a) показана эквивалентная схема замещения выхода по переменному току при бесконечной ёмкости выходного конденсатора. Если (10 х ЭПС) меньше сопротивления RL, то мы можем принять допущение, что весь ток пульсаций течёт в ЭПС конденсатора. Полагая, что цепь конденсатора состоит из последовательного соединения ЭПС и ёмкостного сопротивления (Хс), как показано на Рис. 4.2 ), можно использовать это полное сопротивление для задания напряжения пульсаций на выходе.

Эквивалентная схема замещения выхода по переменному токуРис. 4.2. Эквивалентная схема замещения выхода по переменному току:
а) при бесконечной ёмкости выходного конденсатора; б) с последовательно включенными ЭПС и ёмкостным сопротивлением

Напряжение пульсаций обычно устанавливается в качестве расчётного параметра, поэтому можно использовать его для выбора ёмкости конденсатора и его ЭПС.

148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160