136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы управления

Схемы с накачкой заряда

Производители интегральных микросхем (ИС) продолжают улучшать выходные характеристики преобразователей с накачкой заряда. Частота коммутации и сопротивление замкнутого ключа — вот два основных параметра, которые определяют рассеиваемую мощность и косвенно влияют на КПД и максимальный выходной ток. Схемы с накачкой заряда имеют эквивалентное последовательное сопротивление, которое определяется следующей формулой:

RЕQ = 1 / FSWITCHCFLYING.   (2.8)

Это эквивалентное сопротивление относится к характеристикам схемы с переключаемым ( «летающим») конденсатором и не является реальным физическим сопротивлением. Как видно из формулы 2.8, улучшить характеристики схемы . е. уменьшить REQ) можно, подняв частоту коммутации или увеличив ёмкость «летающего» конденсатора. Производительность будет расти только до тех пор, пока внутреннее физическое сопротивление не сравняется с эквивалентным сопротивлением схемы. Для получения большего выходного тока, как правило, используется параллельное соединение микросхем с накачкой заряда.

На Рис. 2.18 изображена функциональная схема ИС LTC3200, которая является типичным устройством с накачкой заряда с удвоением напряжения, обеспечивающим стабилизированное выходное напряжение.

Функциональная схема ИС LTC3200Рис. 2.18. Функциональная схема ИС LTC3200

ИС содержит генератор фиксированной частоты 2 МГц, который управляет схемой коммутации, вырабатывая двухфазную неперекрывающуюся последовательность тактовых импульсов. Усилитель ошибки сравнивает напряжение на входе обратной связи с внутренним опорным напряжением 1.268 В. Сигнал на выходе усилителя ошибки определяет ток, который заряжает «летающий» конденсатор в течение первой фазы тактовой последовательности. Во время второй фазы тактовых импульсов «летающий» конденсатор подключается последовательно с входным напряжением, и ток подаётся в нагрузку и в выходной конденсатор преобразователя.

Данный контроллер с накачкой заряда имеет мягкий запуск и схему управления коммутацией для ограничения тока, поступающего от первичного источника питания. Схема управления коммутацией отключает контроллер, если микросхема нагревается до 160°С, и заново включает его при температуре порядка 150°С. Эта схема также ограничивает выходной ток короткого замыкания на уровне 225 мА.

ИС LTC3200 производит стабилизированное выходное напряжение в диапазоне от 1.268 до 5.5 В при токе до 100 мА. Диапазон входного напряжения составляет 2.7…4.5 В. В качестве первичного источника питания можно использовать один литиевый либо три щелочных, никель-кадмиевых или никель-металлгидридных элемента питания. Наличие схемы управления током позволяет микросхеме стабилизировать напряжение на уровне как выше, так и ниже входного напряжения. Однако при выходном напряжении ниже входного снижается производительность. Выходное напряжение устанавливается с помощью делителя, расположенного между выходом и входом обратной связи. Выходное напряжение определяется следующим выражением:

Vвых. = 1.268 (1 + (R1 / R2)).   (2.9)

Сопротивления резисторов могут находиться в диапазоне от нескольких кОм до 1 МОм. Если выходное напряжение будет ниже входного, необходимо подключить к выходу нагрузку, потребляющую ток 1 мА, чтобы при очень малых нагрузках напряжение со временем не нарастало.

Входной, выходной и «летающий» конденсаторы должны иметь как можно более низкое ЭПС. Ёмкости этих конденсаторов должны составлять не менее 0.5 мкФ, но и не более 1 мкФ, чтобы обеспечить достаточный выходной ток при низких пульсациях. Электролитические и танталовые конденсаторы не обладают достаточно низким ЭПС для нормальной работы. Предпочтительнее применять керамические конденсаторы. Керамические конденсаторы имеют значительный температурный коэффициент ёмкости, в зависимости от типа диэлектрика. Наименьшим уходом ёмкости при изменении температуры обладают конденсаторы типов X5R и X7R. Ещё одним фактором является изменение ёмкости в зависимости от приложенного напряжения. Так, конденсаторы типов Z5U и Y5V характеризует существенный дрейф ёмкости при изменении приложенного напряжения. Чтобы усилитель сигнала ошибки сохранял устойчивость, ЭПС выходного конденсатора должно быть менее 0.3 Ом. Если ЭПС будет выше, то переходная характеристика усилителя перестаёт быть однополярной и система становится неустойчивой.

В ИС LTC3200 для регулирования тока заряда используется переменное сопротивление, поэтому микросхема рассеивает некоторую мощность на поддержание стабилизированного выходного напряжения. Микросхема LT1516 представляет собой образец устройства с накачкой заряда, работающего в пакетном режиме для поддержания стабилизированного выходного напряжения 5.0 В. Проблема высоких пульсаций в этой схеме (до 100 мВ при полной нагрузке) решается применением выходного фильтра второго порядка.

Функциональная схема LT1516 изображена на Рис. 2.19.

Функциональная схема LT1516Рис. 2.19. Функциональная схема LT1516

Выходное напряжение через делитель поступает на компаратор 2 и сравнивается с внутренним опорным напряжением. Если снимаемое с делителя напряжение ниже порога срабатывания, то активизируются ключи накачки заряда, и заряд передаётся от входа к выходу до тех пор, пока выходное напряжение не возрастет до точки срабатывания компаратора 2. При таком «пакетном» режиме работы появляются низкочастотные пульсации выходного напряжения, амплитуда которых равна величине гистерезиса компаратора 2. Присутствуют также и возникающие в процессе заряда выходного конденсатора высокочастотные пульсации выходного напряжения с частотой коммутации схемы накачки заряда.

В LT1516 используются два «летающих» конденсатора, чтобы выполнять как удвоение, так и утроение напряжения. Когда Vвх ниже 2.55 В, сигнал с выхода компаратора 1 заставляет логическую схему управления перевести контроллер в режим утроения напряжения. Во время фазы заряда с помощью ключей оба «летающих» конденсатора коммутируются так, что оказываются подключёнными между источником входного напряжения и землёй. В фазе разряда «летающий» конденсатор С1 включается последовательно с конденсатором С2, и оба они коммутируются последовательно с источником входного напряжения. Как только Vвх превышает 2.55 В, микросхема переключается в режим удвоения напряжения и в качестве «летающего» конденсатора используется только С2. Вход компаратора 3 имеет смещение 50 мВ от напряжения обратной связи на компараторе 2. Если входное напряжение падает на 50 мВ или больше, компаратор 3 переводит микросхему снова в режим утроения до тех пор, пока это напряжение не возрастёт до точки срабатывания компаратора 3.

Входной и выходной конденсаторы в схеме с LT1516 могут быть танталовыми или электролитическими, потому что здесь мы имеем дело с компараторным управлением (двухпозиционным), а не с управлением с использованием усилителя сигнала ошибки (пропорциональное управление), и поэтому нет контура обратной связи, который может возбудиться. ЭПС конденсаторов не влияет на устойчивость управления, его влияние сказывается только на напряжении пульсаций. Оптимальным является параллельное соединение керамического конденсатора с малым ЭПС (около 1 мкФ) и электролитического или танталового конденсатора большой ёмкости (около 10 мкФ). Керамический конденсатор снижает пульсации частоты 600 кГц от пачек зарядных импульсов, а электролитический снижает пульсации на частоте управления.

136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148