158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы без гальванической развязки

Схемы с накачкой заряда

Для новичков в области разработки схем с накачкой заряда отправной точкой может служить нижеприведённая последовательность проектирования.

1. Выберите микросхему, основываясь на выходной мощности, габаритах, входном напряжении и т. д. Отношение входного напряжения к выходному определяет выбор повышающего, понижающего или инвертирующего преобразователя. Выбор определяется также типом стабилизации выходного напряжения.

2. Выберите частоту коммутации (если она регулируемая) и ёмкость «летающего» конденсатора.

3. Выберите величину напряжения пульсаций на выходе. Исходя из неё, выберите выходной конденсатор.

На Рис. 4.10 изображён повышающий стабилизатор с накачкой заряда.

Повышающая схема с накачкой заряда со стабилизацией выходного напряженияРис. 4.10. Повышающая схема с накачкой заряда со стабилизацией выходного напряжения

Микросхема LTC3200-5 производит стабилизированное напряжение 5.0 В при питании от одного литиевого элемента. Это типичный пример схемы с накачкой заряда, имеющей очень мало внешних компонентов. Для того чтобы получить преобразователь нестабилизированного низкого напряжения в стабилизированное напряжение 5.0 В, к ИС LTC3200-5 требуется добавить только три внешних конденсатора также конденсатор и дроссель, которые нужны для реализации входного фильтра помех). Выходное напряжение устанавливается в 5.0 В благодаря наличию внутреннего делителя напряжения для цепи обратной связи. Все используемые конденсаторы могут быть керамическими небольшой ёмкости, поскольку частота коммутации равна 2 МГц.

Схема с накачкой заряда имеет эквивалентное сопротивление, равное

REQ = 1 / (ƒ x CFLYING).

Данная формула справедлива, если эквивалентное сопротивление намного больше сопротивления внутреннего ключа. На эквивалентном сопротивлении схемы с накачкой заряда происходит рассеивание мощности. Применяя «летающий» конденсатор большей ёмкости, можно снижать потери мощности до тех пор, пока не начнёт сказываться влияние его ЭПС.

В справочных данных рекомендуется не использовать в качестве «летающих» танталовые или алюминиевые электролитические конденсаторы, потому что в первый момент при запуске схемы напряжение на конденсаторах имеет отрицательную полярность. Впрочем, эти конденсаторы всё равно не годятся для использования в данном источнике питания, так как на частоте коммутации 2 МГц они имеют чересчур большое ЭПС.

КПД источника питания зависит от соотношения выходного и входного напряжений. Импульсный характер накачки заряда позволил бы достичь почти 100%-ной производительности при выходном напряжении, вдвое большем входного, и очень малой нагрузке. С увеличением нагрузки возрастают потери мощности в ЭПС конденсатора и внутренних сопротивлениях элементов схемы. С ростом тока нагрузки возрастают также и потери вследствие эквивалентного сопротивления переключения. Все эти потери ограничивают выходной ток при очень малых входных напряжениях, что отражено в справочных данных.

Чтобы получить стабилизированное выходное напряжение 5 В, которое меньше удвоенного входного (при входном напряжении в пределах 2.7…5.0 В), микросхема должна рассеивать «лишнюю» мощность. В таком случае ИС работает как линейный стабилизатор. При входном напряжении 5.0 В КПД падает до 50%.

В справочных данных на микросхему рекомендуется выбирать ёмкость каждого из внешних конденсаторов равной 1 мкФ. Максимальный выходной ток зависит от ёмкости «летающего» конденсатора, пока не начнёт сказываться влияние сопротивления внутреннего ключа. Кроме того, в справочных данных приведены зависимости эквивалентного сопротивления схемы от температуры для двух входных напряжений при ёмкости «летающего» конденсатора, равной 1 мкФ. Эквивалентное сопротивление записывается как 1 / (ƒ х С), т. е. в данном примере (при ƒ = 2 МГц) составляет 0.5 Ом.

Далее следует выбрать выходной конденсатор, исходя из требуемой величины пульсаций выходного напряжения. Мы будем использовать керамический конденсатор, обладающий практически нулевым ЭПС, поэтому его ёмкостное сопротивление является преобладающим источником пульсаций:

VР-Р = IOUT / (2 х π х ƒ х С) = 40 мА / (6.28×2 МГц х 1 мкФ) = 3 мВ.

Мы используем значение IOUT так как коэффициент заполнения равен 50%, а поступающий на выход ток имеет практически прямоугольную форму.

Ёмкость входного конденсатора оказывает ничтожное влияние на пульсации, так как входной ток практически одинаков при заряде «летающего» конденсатора и при передаче тока на выход. Существует очень короткий интервал времени между неперекрывающимися тактовыми импульсами, когда все ключи закрыты. Это время для микросхемы LTC3200-5 составляет примерно 25 нс. Среднеквадратическое значение такого короткого импульса очень мало. Однако фронты импульсов тока отличаются довольно большой крутизной (время нарастания и спада мало), поэтому «летающий» конденсатор нужно размещать как можно ближе к самой микросхеме, чтобы предотвратить возникновение индуктивности и резонансной цепи, которые являются источниками помех. В приведённой на Рис. 4.10 схеме используются дроссель и ещё один дополнительный конденсатор, которые образуют П-образный помехоподавляющий фильтр, защищающий первичный источник питания.

158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170