152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы без гальванической развязки

Высокоэффективный понижающий преобразователь с использованием синхронного контроллера LT1773

КПД в пределах 85% подходит для систем, питающихся от сетевых источников питания, таких, как настольный компьютер или какая-либо аудиоаппаратура. Но для аппаратуры, работающей от батарей, например для мобильных телефонов, каждый дополнительный процент КПД увеличивает срок службы батареи. На Рис. 4.4 изображён высокоэффективный понижающий преобразователь на основе синхронного контроллера LT1773. Микросхема LT1773 — типичный представитель комплементарно-симметричных синхронных контроллеров, предлагаемых многими производителями интегральных схем.

Высокоэффективный понижающий преобразователь с использованием синхронного контроллера LT1773Рис. 4.4. Высокоэффективный понижающий преобразователь с использованием синхронного контроллера LT1773

 Синхронное выпрямление с использованием вместо диода n-канального МОП-транзистора значительно снижает потери. Более того, использование в верхнем плече выпрямителя комплементарного p-канального МОП-транзистора исключает потребность в источнике напряжения вольтодобавки. Вывод TG (Тор Gate) микросхемы управляет затвором p-канального транзистора. НИЗКИЙ уровень напряжения на этом выводе (потенциал земли) открывает транзистор, а ВЫСОКИЙ (VIN) — запирает его. Вывод BG (Bottom Gate) микросхемы управляет затвором n-канального транзистора. ВЫСОКИЙ (VIN) уровень напряжения на этом выводе открывает транзистор, а НИЗКИЙ (земля) — запирает его. В открытом состоянии ключа на МОП-транзисторе ток может течь через него в любом направлении, но на самом деле в процессе нормальной работы ток в n-канальном транзисторе течёт из истока в сток. При низком выходном токе существует вероятность, что величина тока дросселя уменьшится до нуля. Если в выпрямителе используется диод, то ток через дроссель перестаёт течь, как только диод смещается в обратном направлении. В случае с n-канальным МОП-ключом ток в дросселе сначала снижается до нуля, а затем дроссель начинает потреблять ток из выходного конденсатора. Микросхема LT1773 имеет вывод SW, наличие которого позволяет отследить момент смены направления тока в дросселе. Когда это происходит и полярность тока становится отрицательной, микросхема запирает нижний (по схеме на Рис. 4.4.) транзистор ключа.

Выбор МОП-транзисторов зависит в первую очередь от максимального напряжения первичного источника питания. Напряжение затвор-исток (VGS) обоих транзисторов будет равно входному напряжению. Существует три основных класса МОП-транзисторов: с низким, логического уровня и нормальным открывающим напряжением затвора. Первые из них открываются уже при 1 В, но максимальное напряжение затвор-исток составляет для них всего лишь около 8…10 В. Транзисторы, предназначенные для работы с логическими уровнями, имеют максимальное напряжение затвор — исток около 15 В и открываются при 3 В. Обычные МОП-транзисторы имеют номинальное напряжение затвор-исток около 20 В, но открываются при 4…5 В.

Контроллеры синхронного выпрямления должны обеспечивать минимальный интервал времени между запиранием верхнего ключа и открыванием нижнего (если оба транзистора будут открыты одновременно, получится короткое замыкание между VIN и землёй). В течение этого интервала времени ток в дросселе должен продолжать течь. Путь для тока дросселя обеспечивает диод, включённый между корпусом и стоком n-канального МОП-ключа. Вследствие протекания этого тока на p-n-переходе диода накапливается заряд, а после того, как ключ открывается, этот заряд стекает через открытый ключ. Можно немного повысить КПД преобразователя, если включить параллельно n-канальному МОП-ключу диод Шотки. Диоды Шотки не накапливают заряд на переходе.

Схема, изображённая на Рис. 4.4, имеет малые габариты и низкую стоимость благодаря применению p-канального и n-канального МОП-транзисторов, помещённых в один корпус. При сопоставимых размерах p-канальный МОП-транзистор обладает примерно вдвое большим сопротивлением в открытом состоянии, чем n-канальный. Используя внешние МОП-транзисторы для обеих «половинок» ключей, можно выбрать p-канальный транзистор, сопротивление которого примерно равно сопротивлению нижнего (по схеме) транзисторного ключа. В сборке IRF5851 p-канальный МОП-транзистор обладает сопротивлением в открытом состоянии 0.220 Ом, а n-канальный — 0.120 Ом. Рассеиваемая мощность в нашем примере будет равна

(I2 х 0.220 х (2.5 / 6)) + (I2 х 0.120 х (1 — (2.5 / 6)) = 0.092 Вт + 0.07 Вт = 0.16 Вт.

МОП-транзисторы также потребляют мощность от источника питания при заряде и разряде затвора. Каждый транзистор потребляет ток, равный суммарному заряду затвора, умноженному на частоту. Из справочных данных следует, что суммарный заряд затвора n-канального МОП-транзистора равен 6.0 нКл при 4.5 В, а p-канального — 4.5 нКл при 4.5 В. Нам нужно скорректировать заряд затвора для расчётов при большем напряжении затвор-исток (VGS), равном 6.0 В. Мы имеем: 6.0 х (6.0 / 4.5) = 8 нКл и 5.4 х (6.0 / 4.5) = 7.2 нКл. Суммарный ток МОП-транзисторов равен 550 кГц х 15.2 нКл = 8.4 мА. Исходя из этого, мощность, которая тратится на управление МОП-транзисторами, равна 8.4 мА х 6 В = 0.054 Вт. Общие потери мощности составляют 0.21 Вт, что даёт КПД 92% при максимальной выходной мощности. Производительность немного возрастает с разрядом батареи, так как снижается мощность, затрачиваемая на управление МОП-транзисторами. Если взять типовые значения сопротивления в открытом состоянии, то получится 0.106 Вт + 0.054 Вт при КПД 94%.

В высокоэффективных контроллерах часто реализуется пакетный режим работы при малой выходной мощности. Когда выходная мощность падает, контроллер вырабатывает пачку импульсов, чтобы зарядить выходной конденсатор, и выключается до тех пор, пока выходное напряжение не снизится до нижней точки срабатывания, а затем выдаёт ещё одну пачку импульсов. Такой режим очень похож на режим функционирования контроллеров с частотно-импульсной модуляцией. Вместо одного импульса большой длительности, которая определяет частоту работы схемы управления, контроллер генерирует один или несколько импульсов фиксированной частоты, перемежающихся с периодами отсутствия импульсов. Это улучшает ситуацию с электромагнитными помехами, так как достаточно лишь настроить фильтры на частоту генератора.

152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164