Импульсные стабилизаторы постоянного напряжения. Импульсный регулируемый стабилизатор напряжения Импульсный стабилизатор на транзисторах

Рис. 2.4.11.

Принцип действия стабилизатора с ШИМ. Частота переключения регулирующего транзистора постоянна. Изменяется соотношение между длительностями открытого и закрытого состояний регулирующего транзистора. На вход сравнивающего устройства (компаратора) подаются два сигнала, один из которых U ГПН поступает с генератора пилообразного напряжения, а второй - с выходного делителя. Переключение транзистора будет происходить в момент равенства этих сигналов. При увеличении U вх возрастает KU вых, что вызывает уменьшение длительности открытого состояния регулирующего транзистора и соответствующее уменьшение U н. По сравнению с релейным стабилизаторы с ШИМ более сложны и содержат большее число элементов.

Рис. 2.4.12.

В стабилизаторе с ЧИМ t и =const , а частота изменяется. Недостатки такого стабилизатора: сложность схемы управления, обеспечивающей изменение частоты в широких пределах; уменьшение коэффициента сглаживания при уменьшении частоты. В стабилизаторах с ШИМ можно подобрать оптимальную частоту, при которой КПД наибольший. Кроме того, в стабилизаторах с ЧИМ и ШИМ пульсации выходного напряжения меньше. В релейном стабилизаторе U вых~ принципиально не может быть равна нулю, так как периодическое переключение триггера в схеме управления возможно при изменении U н в пределах от U н.макс до н.мин.

Рис. 2.4.13.

В импульсном стабилизаторе с параллельным включением транзистора VT открыт в течение t и =, U L U вх, в дросселе накапливается энергия, а конденсатор разряжается на нагрузку. При запирании транзистора в дросселе наводится ЭДС самоиндукции. U вых =U вх +U L . Под действием этого напряжения открывается диод и конденсатор заряжается, U L =U вых -U вх. Постоянная составляющая на дросселе равна нулю, поэтому U вх  = (U вых - U вх)(T - ) U вых = U вх  + U вх - U вх /(1 - ) = U вх /(1 - ) (2.4.7) Это стабилизатор повышающего типа.

Рис. 2.4.14.

В инвертирующем стабилизаторе (рис. 2.4.14) при открытом VT в течение T в дросселе запасается энергия U L =U вх, конденсатор разряжается на нагрузку. При закрытом VT в дросселе индуцируется ЭДС обратного знака. U L =U вых в течение длительности T-T. Конденсатор заряжается от дросселя через открытый диод. U вх T=U вых (T-T) U вых =U вх /(1-) (2.4.8). По мере повышения частоты переключения регулирующего транзистора происходит увеличение относительной длительности процессов рассасывания избыточных носителей в базе VT и диода. Это может привести к нарушению устойчивой работы и переходу к режиму автоколебаний. Возрастают динамические потери в элементах стабилизатора и уменьшается его КПД. Коммутационные процессы приводят к изменению формы прямоугольных импульсов токов и напряжений (затягиваются передний и задний фронты), но это не столь существенно. А существенно то, что VT испытывает большую кратковременную перегрузку по току. Когда на базу закрытого VT поступает управляющий импульс, открывающий его, I к начинает нарастать, а ток через блокирующий диод VD убывать. Поскольку VD еще открыт, VT работает в режиме короткого замыкания и к нему приложено U вх и I к может в 5 10 раз превосходить I н. Таким образом, инерционность реальных диодов является основной причиной коммутационных перегрузок регулирующих транзисторов. Эти перегрузки будут тем больше, чем лучше импульсные свойства VT и хуже быстродействие диода. Приходится выбирать более мощный транзистор, использование которого по току будет низким. Для уменьшения перегрузок в коллекторную или эмиттерную цепи вводят токоограничивающие элементы. Введение дополнительного дросселя в коллекторную цепь показано на рис. 2.4.15.

Рис. 2.4.15.

L доп уменьшает скорость нарастания I к. R доп обеспечивает запирание VD доп к моменту открывания транзистора VT. Разряд дросселя происходит при закрытом VT через диод VD доп на R доп. В коллекторную или эмиттерную цепь может быть введен двухобмоточный дроссель (рис. 2.4.16).

Рис. 2.4.16.

Электромагнитная энергия, накопленная в L доп, при протекании тока через VT возвращается обратно в источник при закрытом VT. По сравнению с предыдущим случаем КПД стабилизатора увеличивается за счет исключения потерь мощности в R доп. При протекании тока через VD доп U кэ.макс =U вх +U вх W 1 /W 2 . Для уменьшения U кэ.макс соотношение между W 1 и W 2 должно быть W 2 (5 10)W 1 . При этом амплитуда напряжения на закрытом диоде U доп =(5 10)U вх. С целью уменьшения U кн, t вкл и I кэ0 запирание регулируемого транзистора производится подключением к переходу база - эмиттер источника U зап (рис. 2.4.17а).

Рис. 2.4.17

Когда VT1 открыт, VT2 закрыт, C1 заряжается током базы I б1 . При отпирании VT2 U c1 закрывает VT1. U c1 может изменяться в зависимости от U вх, U c1 разряжается на R 1 . Поэтому вместо R 1 включают стабилитрон или диоды в прямом направлении (рис. 2.4.17б). Хотя импульсные стабилизаторы экономичнее непрерывных, им присущи некоторые недостатки, основными из которых являются: 1) повышенное значение коэффициента пульсаций выходного напряжения (у релейных до 10 20%, с ШИМ - 0.1 1%); 2) большое динамическое внутреннее сопротивление, то есть падающая внешняя характеристика; 3) большие помехи, создаваемые стабилизатором, для ослабления которых на входе и выходе включаются дополнительные фильтры. Это определяет их область применения: в устройствах электропитания с постоянным током нагрузки значительной мощности, где требуются малый вес и габариты, но допускаются значительные пульсации U вых. В настоящее время выпускается три разновидности интегральных микросхем (ИМС) импульсных стабилизаторов: 1) импульсные стабилизаторы повышающего типа, с питанием от низкого входного напряжения от 2 до 12В, с минимальной рассеиваемой мощностью и встроенным полевым транзистором (серия стабилизаторов 1446ПН1, 1446ПН2, 1446ПН3); 2) универсальные маломощные ИМС, которые можно использовать при построении самых различных схем импульсных стабилизаторов (например, 142ЕП1 или 1156ЕУ1); 3) законченные стабилизаторы, включающие схему управления и силовой транзистор на ток до 10А (например, 1155ЕУ1). В таблице 1 приведены основные характеристики ИМС импульсных стабилизаторов этих трех групп. Повышающие импульсные стабилизаторы 1446ПН1, 1446 ПН2 и 1446ПН3 предназначены для работы с низким входным напряжением и фиксированным выходным напряжением +5 или +12В. КПД таких стабилизаторов доходит до 88%, а рабочая частота до - 170 кГц. При малой выходной мощности в качестве ключевого элемента используется внутренний полевой транзистор. Для питания мощных нагрузок необходимо использование дополнительного биполярного или полевого транзистора. Основное применение такие ИМС находят в источниках бесперебойного питания отдельных плат ЭВМ, при питании измерительных приборов от гальванических элементов, в переносных устройствах связи.

Таблица 1 Основные характеристики ИМС управления импульсными стабилизаторами

Наиболее универсальными являются ИМС второй группы, которые, по существу, представляют собой набор элементов для построения импульсных стабилизаторов различных типов. Из этих микросхем наиболее совершенной является ИМС типа 1156ЕУ1, упрощенная структурная схема которой приведена на рис.2.4.18. Микросхема представляет собой набор типовых блоков импульсного стабилизатора, расположенных на одном кристалле. В состав ИМС входят следующие узлы и блоки: источник опорного напряжения 1,25В; операционный усилитель с напряжением смещения 4мВ, коэффициентом усиления больше 200 тыс., скоростью нарастания 0,6В/мкс; широтно - импульсный модулятор, включающий задающий генератор, компаратор, схему "И" и RS - триггер; ключевой транзистор с драйвером (предварительным усилителем); силовой диод с прямым током 1А и обратным напряжением 40В.

Рис. 2.4.18.

Микросхема может управлять внешним биполярным или полевым транзистором, если требуется выходной ток больше 1,5А и напряжение выше 40В. ИМС 142ЕП1 использована в схеме ИСН релейного типа, структурная схема которого приведена на рис. 2.4.19.

Рис. 2.4.19 ИСН релейного типа.

ФРП - двухзвенный LC фильтр радиопомех, ослабляющий напряжение радиопомех, вносимых стабилизатором напряжения в первичную сеть при его работе. РЭ - силовой транзисторный ключ состоящий из ИМС типа 286ЕП3 (набор двух мощных транзисторов), дополнительного умощняющего транзистора VT и Др, ограничивающего скорость нарастания тока I к транзистора VT. СФ - (VD, L и C), фильтр, интегрирующий последовательность однополярных импульсов. ВФ - высокочастотный фильтр, дополнительно ослабляющий напряжение высокочастотных пульсаций тока нагрузки. УЗ - устройство защиты, обеспечивает защиту от перегрузок (транзисторная защита). На один из входов дифференциального УПТ подается опорное напряжение, на другой вход - напряжение с делителя, равное опорному. Сигнал рассогласования через эмиттерный повторитель ЭП поступает на триггер Шмидта. На его выходе вырабатываются однополярные импульсы, длительность которых изменяется в зависимости от сигнала УПТ. Эти импульсы управляют параллельным ключом ПК, который открывает или закрывает транзистор РЭ.

Схемы самодельных импульсных DC-DC преобразователей напряжения на транзисторах, семь примеров.

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напряжения получают в последнее время все более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов.

Поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь малая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

Ощутимым недостатком импульсных стабилизаторов является наличие на выходе высокочастотных пульсаций, что заметно сужает область их практического использования — чаще всего импульсные стабилизаторы используют для питания устройств на цифровых микросхемах.

Понижающий импульсный стабилизатор напряжения

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать на трех транзисторах (рис. 1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (ѴТЗ) является усилителем сигнала рассогласования.

Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора ѴТ1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора ѴТ2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе ѴТЗ. Его эмиттер подключен к источнику опорного напряжения — стабилитрону VD2, а база — к делителю выходного напряжения R5 — R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа.

Включением/выключением транзистора VT1 по сигналу транзистора ѴТЗ управляет транзистор ѴТ2. В моменты, когда транзистор ѴТ1 открыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запасается электромагнитная энергия.

После закрывания транзистора запасенная энергия через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульсации выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильтром L1, СЗ.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свойствами транзистора ѴТ1 и диода VD1, быстродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, выходном — 15 В и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84%.

Дроссель L1 имеет 100 витков провода диаметром 0,63 мм на кольце К26х16х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100. Его индуктивность при токе подмагничивания 1 А — около 1 мГн.

Step-down DC-DC преобразователь напряжения на +5В

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 2. Дроссели L1 и L2 намотаны на пластмассовых каркасах, помещенных в броневые магнитопроводы Б22 из феррита М2000НМ.

Дроссель L1 содержит 18 витков жгута из 7 проводов ПЭВ-1 0,35. Между чашками его магнитопровода вложена прокладка толщиной 0,8 мм.

Активное сопротивление обмотки дросселя L1 27 мОм. Дроссель L2 имеет 9 витков жгута из 10 проводов ПЭВ-1 0,35. Зазор между его чашками — 0,2 мм, активное сопротивление обмотки — 13 мОм.

Прокладки можно изготовить из жесткого теплостойкого материала — текстолита, слюды, электрокартона. Винт, скрепляющий чашки магнитопровода, должен быть из немагнитного материала.

Рис. 2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%.

Для налаживания стабилизатора к его выходу подключают нагрузку сопротивлением 5...7 Ом и мощностью 10 Вт. Подбором резистора R7 устанавливают номинальное выходное напряжение, затем увеличивают ток нагрузки до 3 А и, подбирая величину конденсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно 18...20 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе СЗ минимальны.

Выходное напряжение стабилизатора можно довести до 8...10В, увеличив величину резистора R7 и установив новое значение рабочей частоты. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе ѴТЗ, также увеличится.

В схемах импульсных стабилизаторов желательно использовать электролитические конденсаторы К52-1. Необходимую величину емкости получают параллельным включением конденсаторов.

Основные технические характеристики:

• Входное напряжение, В — 15...25.
• Выходное напряжение, В — 5.
• Максимальный ток нагрузки, А — 4.
• Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 4 А во всем диапазоне входных напряжений, мВ, не более — 50.
• КПД, %, не ниже — 60.
• Рабочая частота при входном напряжении 20 б и токе нагрузки 3А, кГц--20.

Улучшенный вариант импульсного стабилизатора на +5В

В сравнении с предыдущим вариантом импульсного стабилизатора в новой конструкции А. А. Миронова (рис. 3) усовершенствованы и улучшены такие его характеристики, как КПД, стабильность выходного напряжения, длительность и характер переходного процесса при воздействии импульсной нагрузки.

Рис. 3. Схема импульсного стабилизатора напряжения.

Оказалось, что при работе прототипа (рис. 2) возникает так называемый сквозной ток через составной ключевой транзистор. Этот ток появляется в те моменты, когда по сигналу узла сравнения ключевой транзистор открывается, а коммутирующий диод еще не успел закрыться. Наличие такого тока вызывает дополнительные потери на нагревание транзистора и диода и уменьшает КПД устройства.

Еще один недостаток — значительная пульсация выходного напряжения при токе нагрузки, близком к предельному. Для борьбы с пульсациями в стабилизатор (рис. 2) был введен дополнительный выходной LC-фильтр (L2, С5).

Уменьшить нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно только уменьшением активного сопротивления дросселя L2.

Улучшение динамики переходного процесса (в частности, уменьшение его длительности) связано с необходимостью уменьшения индуктивности дросселя, но при этом неизбежно увеличится пульсация выходного напряжения.

Поэтому оказалось целесообразным исключить этот выходной фильтр, а емкость конденсатора С2 увеличить в 5... 10 раз (параллельным соединением нескольких конденсаторов в батарею).

Цепь R2, С2 в исходном стабилизаторе (рис. 6.2) практически не изменяет длительности спада выходного тока, поэтому ее можно удалить (замкнуть резистор R2), а сопротивление резистора R3 увеличить до 820 Ом.

Но тогда при увеличении входного напряжения с 15 6 до 25 6 ток, протекающий через резистор R3 (в исходном устройстве), будет увеличиваться в 1,7 раза, а мощность рассеивания — в 3 раза (до 0,7 Вт).

Подключением нижнего по схеме вывода резистора R3 (на схеме доработанного стабилизатора это резистор R2) к плюсовому выводу конденсатора С2 этот эффект можно ослабить, но при этом сопротивление R2 (рис. 3) должно быть уменьшено до 620 Ом.

Один из эффективных путей борьбы со сквозным током — увеличение времени нарастания тока через открывшийся ключевой транзистор.

Тогда при полном открывании транзистора ток через диод VD1 уменьшится почти до нуля. Этого можно достигнуть, если форма тока через ключевой транзистор будет близка к треугольной.

Как показывает расчет, для получения такой формы тока индуктивность накопительного дросселя L1 не должна превышать 30 мкГч.

Еще один путь — применение более быстродействующего коммутирующего диода VD1, например, КД219Б (с барьером Шотки). У таких диодов выше быстродействие и меньше падение напряжения при одном и том же значении прямого тока по сравнению с обычными кремниевыми высокочастотными диодами. Конденсатор С2 типа К52-1.

Улучшение параметров устройства может быть получено и при изменении режима работы ключевого транзистора. Особенность работы мощного транзистора ѴТЗ в исходном и улучшенном стабилизаторах состоит в том, что он работает в активном режиме, а не в насыщенном, и поэтому имеет высокое значение коэффициента передачи тока и быстро закрывается.

Однако из-за повышенного напряжения на нем в открытом состоянии рассеиваемая мощность в 1,5...2 раза превышает минимально достижимое значение.

Уменьшить напряжение на ключевом транзисторе можно подачей положительного (относительно плюсового провода питания) напряжения смещения на эмиттер транзистора ѴТ2 (см. рис. 3).

Необходимую величину напряжения смещения подбирают при налаживании стабилизатора. Если он питается от выпрямителя, подключенного к сетевому трансформатору, то для получения напряжения смещения можно предусмотреть отдельную обмотку на трансформаторе. Однако при этом напряжение смещения будет изменяться вместе с сетевым.

Схема преобразователя со стабильным напряжением смещения

Для получения стабильного напряжения смещения стабилизатор надо доработать (рис. 4), а дроссель превратить в трансформатор Т1, намотав дополнительную обмотку II. Когда ключевой транзистор закрыт, а диод VD1 открыт, напряжение на обмотке I определяется из выражения: U1=UBыx + U VD1.

Поскольку напряжение на выходе и на диоде в это время меняется незначительно, то независимо от значения входного напряжения на обмотке II напряжение практически стабильно. После выпрямления его подают на эмиттер транзистора VT2 (и VT1).

Рис. 4. Схема модифицированного импульсного стабилизатора напряжения.

Потери на нагрев снизились в первом варианте доработанного стабилизатора на 14,7%, а во втором — на 24,2%, что позволяет им работать при токе нагрузки до 4 А без установки ключевого транзистора на теплоотвод.

В стабилизаторе варианта 1 (рис. 3) дроссель L1 содержит 11 витков, намотанных жгутом из восьми проводов ПЭВ-1 0,35. Обмотку помещают в броневой магнитопровод Б22 из феррита 2000НМ.

Между чашками нужно заложить прокладку из текстолита толщиной 0,25 мм. В стабилизаторе варианта 2 (рис. 4) трансформатор Т1 образован намоткой поверх катушки дросселя L1 двух витков провода ПЭВ-1 0,35.

Вместо германиевого диода Д310 можно использовать кремниевый, например, КД212А или КД212Б, при этом число витков обмотки II нужно увеличить до трех.

DC стабилизатор напряжения с ШИМ

Стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис. 5) по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в, но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или увеличении тока, потребляемого нагрузкой.

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R3, открывает ключевой элемент, образованный транзисторами VT.1, VT2, в результате чего в цепи транзистор VT1 — дроссель L1 — нагрузка — резистор R9 возникает ток. Происходит заряд конденсатора С4 и накопление энергии дросселем L1.

Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 Б, и стабилитрон VD4 открывается. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD3 дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

Рис. 5. Схема стабилизатора с широтно-импульсным управлением с КПД до 89%.

Технические характеристики стабилизатора:

• Входное напряжение — 15...25 В.
• Выходное напряжение — 12 В.
• Номинальный ток загрузки — 1 А.
• Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 1 А — 0,2 В. КПД (при UBX =18 6, Ін=1 А) — 89%.
• Потребляемый ток при UBX=18 В в режиме замыкания цепи нагрузки — 0,4 А.
• Выходной ток короткого замыкания (при UBX =18 6) — 2,5 А.

По мере уменьшения тока через дроссель и разряда конденсатора С4 напряжение на нагрузке также уменьшится, что приведет к закрыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор С3, снижающий частоту колебательного процесса, повышает эффективность стабилизатора.

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R9, открыванию транзистора ѴТ4 и закрыванию ключевого элемента.

Во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки. Транзистор ѴТ1 следует установить на теплоотводе размерами 40x25 мм.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМЗ. Магнитопровод имеет зазор толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток нагрузки. Выходное напряжение устанавливают выбором типа стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки — пропорциональным изменением сопротивления резистора R9 или подачей на базу транзистора ѴТ4 небольшого тока от отдельного параметрического стабилизатора через переменный резистор.

Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения целесообразно применить LC-фильтр, аналогичный используемому в схеме на рис. 2.

Импульсный стабилизатор напряжения с КПД преобразования 69...72%

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6) состоит из узла запуска (R3, VD1, ѴТ1, VD2), источника опорного напряжения и устройства сравнения (DD1.1, R1), усилителя постоянного тока (ѴТ2, DD1.2, ѴТ5), транзисторного ключа (ѴТЗ, ѴТ4), индуктивного накопителя энергии с коммутирующим диодом (VD3, L2) и фильтров — входного (L1, С1, С2) и выходного (С4, С5, L3, С6). Частота переключения индуктивного накопителя энергии в зависимости от тока нагрузки находится в пределах 1,3...48 кГц.

Рис. 6. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД преобразования 69...72%.

Все катушки индуктивности L1 — L3 одинаковы и намотаны в броневых магнитопроводах Б20 из феррита 2000НМ с зазором между чашками около 0,2 мм.

Номинальное выходное напряжение 5 В при изменении входного от 8 до 60 б и КПД преобразования 69...72%. Коэффициент стабилизации — 500.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения при токе нагрузки 0,7 А — не более 5 мВ. Выходное сопротивление — 20 мОм. Максимальный ток нагрузки (без теплоотводов для транзистора VT4 и диода VD3) — 2 А.

Импульсный стабилизатор напряжения на 12В

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.7) при входном напряжении 20...25 В обеспечивает на выходе стабильное напряжение 12 В при токе нагрузки 1,2 А.

Пульсации на выходе до 2 мВ. Благодаря высокому КПД в устройстве не используются теплоотводы. Индуктивность дросселя L1 — 470 мкГч.

Рис. 7. Схема импульсного стабилизатора напряжения с малыми пульсациями.

Аналоги транзисторов: ВС547 — КТ3102А] ВС548В — КТ3102В. Приблизительные аналоги транзисторов ВС807 — КТ3107; BD244 — КТ816.

Работа практически любой электронной схемы требует наличия одного или нескольких источников постоянного напряжения, причем в подавляющем большинстве случаев используется стабилизированное напряжение. В стабилизированных источниках питания применяются либо линейные, либо импульсные стабилизаторы. Каждый тип преобразователей имеет свои достоинства и, соответственно, свою нишу в схемах электропитания. К несомненным достоинствам импульсных стабилизаторов относятся более высокие значения коэффициента полезного действия, возможность получения высоких значений выходного тока и высокая эффективность при большой разнице между значениями входного и выходного напряжений.

Принцип работы понижающего импульсного стабилизатора

На рисунке 1 представлена упрощенная схема силовой части ИПСН.

Рис. 1.

Полевой транзистор VT осуществляет высокочастотную коммутацию тока. В импульсных стабилизаторах транзистор работает в ключевом режиме, то есть может находиться в одном из двух стабильных состояний: полной проводимости и отсечки. Соответственно, работа ИПСН состоит из двух сменяющих друг друга фаз — фазы накачки энергии (когда транзистор VT открыт) и фазы разряда (когда транзистор закрыт). Работа ИПСН иллюстрируется рисунком 2.

Рис. 2. Принцип работы ИПСН: а) фаза накачки; б) фаза разряда; в) временные диаграммы

Фаза накачки энергии продолжается на протяжении интервала времени Т И. В это время ключ замкнут и проводит ток I VT . Далее ток проходит через дроссель L к нагрузке R, шунтированной выходным конденсатором C OUT . В первой части фазы конденсатор отдает ток I C в нагрузку, а во второй половине — отбирает часть тока I L от нагрузки. Величина тока I L непрерывно увеличивается, и происходит накопление энергии в дросселе L, а во второй части фазы — и на конденсаторе C OUT . Напряжение на диоде V D равно U IN (за вычетом падения напряжения на открытом транзисторе), и диод на протяжении этой фазы закрыт — ток через него не протекает. Ток I R , протекающий через нагрузку R, постоянен (разность I L — I C), соответственно, напряжение U OUT на выходе также постоянно.

Фаза разряда протекает в течение времени Т П: ключ разомкнут и ток через него не протекает. Известно, что ток, протекающий через дроссель, не может измениться мгновенно. Ток IL, постоянно уменьшаясь, протекает через нагрузку и замыкается через диод V D . В первой части этой фазы конденсатор C OUT продолжает накапливать энергию, отбирая часть тока I L от нагрузки. Во второй половине фазы разряда конденсатор тоже начинает отдавать ток в нагрузку. На протяжении этой фазы ток I R , протекающий через нагрузку, также постоянен. Следовательно, напряжение на выходе также стабильно.

Основные параметры

В первую очередь отметим, что по функциональному исполнению различают ИПСН с регулируемым и с фиксированным выходным напряжением. Типичные схемы включения обоих типов ИПСН представлены на рисунке 3. Различие между ними заключается в том, что в первом случае резисторный делитель, определяющий значение выходного напряжения, находится вне интегральной схемы, а во втором — внутри. Соответственно, в первом случае значение выходного напряжения задается пользователем, а во втором — устанавливается при изготовлении микросхемы.

Рис. 3. Типичная схема включения ИПСН: а) с регулируемым и б) с фиксированным выходным напряжением

К важнейшим параметрам ИПСН относят:

• Диапазон допустимых значений входного напряжения U IN_MIN …U IN_MAX .
• Максимальное значение выходного тока (тока в нагрузке) I OUT_MAX .
• Номинальное значение выходного напряжения U OUT (для ИПСН с фиксированным значением выходного напряжения) или диапазон значений выходного напряжения U OUT_MIN …U OUT_MAX (для ИПСН с регулируемым значением выходного напряжения). Часто в справочных материалах указывается, что максимальное значение выходного напряжения U OUT_MAX равно максимальному значению входного напряжения U IN_MAX . В действительности это не совсем так. В любом случае выходное напряжение меньше входного, как минимум, на величину падения напряжения на ключевом транзисторе U DROP . При значении выходного тока, равного, например, 3А, величина U DROP составит 0,1…1,0В (в зависимости от выбранной микросхемы ИПСН). Примерное равенство U OUT_MAX и U IN_MAX возможно только при очень малых значениях тока нагрузки. Отметим также, что и сам процесс стабилизации выходного напряжения предполагает потерю нескольких процентов входного напряжения. Декларируемое равенство U OUT_MAX и U IN_MAX следует понимать только в том смысле, что других причин снижения U OUT_MAX , кроме тех, что указаны выше в конкретном изделии, не существует (в частности, нет явных ограничений на максимальную величину коэффициента заполнения D). В качестве U OUT_MIN обычно указывают значение напряжения обратной связи U FB . В реальности U OUT_MIN всегда должно быть на несколько процентов выше (из тех же соображений стабилизации).
• Точность установления выходного напряжения. Задается в процентах. Имеет смысл только в случае ИПСН с фиксированным значением выходного напряжения, поскольку в этом случае резисторы делителя напряжения находятся внутри микросхемы, а их точность является параметром, контролируемым при изготовлении. В случае ИПСН с регулируемым значением выходного напряжения параметр теряет смысл, поскольку точность резисторов делителя выбирается пользователем. В этом случае можно говорить только о величине колебаний выходного напряжения относительно некоторого среднего значения (точность отработки сигнала обратной связи). Напомним, что в любом случае этот параметр для импульсных стабилизаторов напряжения в 3…5 раз хуже по сравнению с линейными стабилизаторами.
• Падение напряжения на открытом транзисторе R DS_ON . Как уже отмечалось, с этим параметром связано неизбежное уменьшение напряжения на выходе по отношению к входному напряжению. Но важнее другое- чем выше значение сопротивления открытого канала, тем большая часть энергии рассеивается в виде тепла. Для современных микросхем ИПСН хорошим значением являются величины до 300мОм. Более высокие значения характерны для микросхем, разработанных не менее чем пять лет назад. Заметим также, что значение R DS_ON не является константой, а зависит от величины выходного тока I OUT .
• Длительность рабочего цикла Т и частота коммутации F SW . Длительность рабочего цикла Т определяется как сумма интервалов Т И (длительность импульса) и Т П (длительность паузы). Соответственно, частота F SW — величина, обратная длительности рабочего цикла. Для некоторой части ИПСН частота коммутации — величина постоянная, определяемая внутренними элементами интегральной схемы. Для другой части ИПСН частота коммутации задается внешними элементами (как правило, внешней RC-цепью), в этом случае определяется диапазон допустимых частот F SW_MIN …F SW_MAX . Более высокая частота коммутации позволяет применять дроссели с меньшим значением индуктивности, что положительно сказывается и на габаритах изделия, и на его цене. В большинстве ИСПН используется ШИМ-регулирование, то есть величина Т постоянна, а в процессе стабилизации регулируется величина Т И. Существенно реже используется частотно-импульсная модуляция (ЧИМ-регулирование). В этом случае величина Т И постоянна, а стабилизация осуществляется за счет изменения длительности паузы Т П. Таким образом величины Т и, соответственно, F SW становятся переменными. В справочных материалах в этом случае, как правило, задается частота, соответствующая скважности, равной 2. Отметим, что следует отличать диапазон частот F SW_MIN …F SW_MAX регулируемой частоты от «ворот» допуска на фиксированную частоту, поскольку величина допуска часто указывается в справочных материалах производителя.
• Коэффициент заполнения D, который равен процентно
  му отношению Т И к Т. Часто в справочных материалах указывают «до 100%». Очевидно, что это преувеличение, поскольку если ключевой транзистор постоянно открыт, то отсутствует процесс стабилизации. В большинстве моделей, выпущенных на рынок примерно до 2005-го года, из-за ряда технологических ограничений значение этого коэффициента было ограничено сверху величиной 90%. В современных моделях ИПСН большая часть этих ограничений преодолена, но фразу «до 100%» не следует понимать дословно.
• Коэффициент полезного действия (или эффективность). Как известно, для линейных стабилизаторов (принципиально понижающих) это процентное отношение выходного напряжения ко входному, поскольку величины входного и выходного тока почти равны. Для импульсных стабилизаторов входной и выходной токи могут существенно отличаться, поэтому в качестве КПД берется процентное отношение выходной мощности ко входной. Строго говоря, для одной и той же микросхемы ИПСН значение этого коэффициента может существенно отличаться в зависимости от соотношения значений входного и выходного напряжения, величины тока в нагрузке и частоты коммутации. Для большинства ИПСН максимум КПД достигается при значении тока в нагрузке порядка 20…30% от максимально допустимого значения, поэтому численное значение не очень информативно. Целесообразнее пользоваться графиками зависимости, которые приводятся в справочных материалах производителя. На рисунке4 в качестве примера приведены графики эффективности для стабилизатора . Очевидно, что использование высоковольтного стабилизатора при невысоких реальных значениях входного напряжения не является хорошим решением, поскольку значение КПД существенно падает при приближении тока в нагрузке к максимальному значению. Вторая группа графиков иллюстрирует более предпочтительный режим, поскольку значение эффективности слабо зависит от колебаний выходного тока. Критерием правильного выбора преобразователя является даже не столько численное значение КПД, сколько именно плавность графика функции от тока в нагрузке (отсутствие «завала» в области больших токов).

Рис. 4.

Приведенным перечнем весь список параметров ИПСН не исчерпывается. С менее значимыми параметрами можно ознакомиться в литературе .

Специальные функции
импульсных стабилизаторов напряжения

В большинстве случаев ИПСН имеют ряд дополнительных функций, расширяющих возможности их практического применения. Наиболее часто встречаются следующие:

• Вход отключения нагрузки «On/Off» или «Shutdown» позволяет разомкнуть ключевой транзистор и, таким образом, отключить напряжение от нагрузки. Как правило, используется для дистанционного управления группой стабилизаторов, реализуя определенный алгоритм подачи и отключения отдельных напряжений в системе электропитания. Кроме того, может применяться как вход для аварийного выключения питания при нештатной ситуации.
• Выход нормального состояния «Power Good»- обобщающий выходной сигнал, подтверждающий, что ИПСН находится в нормальном рабочем состоянии. Активный уровень сигнала формируется после завершения переходных процессов от подачи входного напряжения и, как правило, используется или в качестве признака исправности ИПСН, или для запуска следующих ИСПН в последовательных системах электропитания. Причины, по которым этот сигнал может быть сброшен: падение входного напряжения ниже определенного уровня, выход выходного напряжения за определенные рамки, отключение нагрузки по сигналу Shutdown, превышение максимального значения тока в нагрузке (в частности, факт короткого замыкания), температурное отключение нагрузки и некоторые другие. Факторы, которые учитываются при формировании этого сигнала, зависят от конкретной модели ИПСН.
• Вывод внешней синхронизации «Sync» обеспечивает возможность синхронизации внутреннего генератора с внешним синхросигналом. Используется для организации совместной синхронизации нескольких стабилизаторов в сложных системах электропитания. Отметим, что частота внешнего синхросигнала не обязательно должна совпадать с собственной частотой FSW, однако, она должна лежать в допустимых пределах, оговоренных в материалах производителя.
• Функция плавного старта «Soft Start» обеспечивает относительно медленное нарастание выходного напряжения при подаче напряжения на вход ИПСН или при включении по заднему фронту сигнала Shutdown. Данная функция позволяет снизить броски тока в нагрузке при включении микросхемы. Параметры работы схемы плавного старта чаще всего являются фиксированными и определяются внутренними компонентами стабилизатора. В некоторых моделях ИПСН присутствует специальный вывод Soft Start. В этом случае параметры запуска определяются номиналами внешних элементов (резистор, конденсатор, RC-цепь), подключенных к данному выводу.
• Температурная защита предназначена для предотвращения выхода из строя микросхемы в случае перегрева кристалла. Повышение температуры кристалла (независимо от причины) выше определенного уровня вызывает срабатывание защитного механизма — снижение тока в нагрузке или ее полное отключение. Это предотвращает дальнейшее повышение температуры кристалла и повреждение микросхемы. Возврат схемы в режим стабилизации напряжения возможен только после остывания микросхемы. Отметим, что температурная защита реализована в подавляющем большинстве современных микросхем ИПСН, однако отдельная индикация именно этого состояния не предусмотрена. Инженеру предстоит самому догадаться, что причиной отключения нагрузки является именно срабатывание температурной защиты.
• Защита по току заключается либо в ограничении величины тока, протекающего через нагрузку, либо в отключении нагрузки. Защита срабатывает, если сопротивление нагрузки оказывается слишком малым (например, имеет место короткое замыкание), а ток превышает определенное пороговое значение, что может привести к выходу микросхемы из строя. Как и в предыдущем случае, диагностика этого состояния является заботой инженера.

Последнее замечание, касающееся параметров и функций ИПСН. На рисунках 1 и 2 присутствует разрядный диод V D . В довольно старых стабилизаторах этот диод реализован именно как внешний кремниевый. Недостатком такого схемотехнического решения было высокое падение напряжения (примерно 0,6 В) на диоде в открытом состоянии. В более поздних схемах использовался диод Шоттки, падение напряжения на котором составляло примерно 0,3 В. В разработках последних пяти лет эти решения используются только для высоковольтных преобразователей. В большинстве современных изделий разрядный диод выполняется в виде внутреннего полевого транзистора, работающего в противофазе с ключевым транзистором. В этом случае падение напряжения определяется сопротивлением открытого канала и при небольших токах нагрузки дает дополнительный выигрыш. Стабилизаторы, использующие это схемотехническое решение, называются синхронными. Обратим внимание, что возможность работы от внешнего синхросигнала и термин «синхронный» не связаны никаким образом.

с малым входным напряжением

Учитывая тот факт, что в номенклатуре STMicroelectronics присутствует примерно 70 типов ИПСН с встроенным ключевым транзистором, имеет смысл систематизировать все многообразие. Если в качестве критерия взять такой параметр, как максимальное значение входного напряжения, то можно выделить четыре группы:

1. ИПСН с малым входным напряжением (6 В и менее);

2. ИПСН с входным напряжением 10…28 В;

3. ИПСН с входным напряжением 36…38 В;

4. ИПСН с высоким входным напряжением (46 В и выше).

Параметры стабилизаторов первой группы приведены в таблице 1.

Таблица 1. ИПСН с малым входным напряжением

Еще в 2005 году линейка стабилизаторов этого типа была неполной. Она ограничивалась микросхемами . Эти микросхемы обладали хорошими характеристиками: высокой точностью и КПД, отсутствием ограничений на значение коэффициента заполнения, возможностью регулировки частоты при работе от внешнего синхросигнала, приемлемым значением R DSON . Все это делает данные изделия востребованными и в настоящее время. Существенный недостаток — невысокие значения максимального выходного тока. Стабилизаторы на токи нагрузки от 1 А и выше в линейке низковольтных ИПСН компании STMicroelectronics отсутствовали. В дальнейшем этот пробел был ликвидирован: сначала появились стабилизаторы на 1,5 и 2 А ( и ), а в последние годы — на 3 и 4 А ( , и ). Кроме повышения выходного тока, увеличилась частота коммутации, снизилось значение сопротивления открытого канала, что положительно сказалось на потребительских свойствах конечных изделий. Отметим также появление микросхем ИПСН с фиксированным выходным напряжением ( и ) — в линейке STMicroelectronics таких изделий не очень много. Последняя новинка — со значением RDSON в 35 мОм — это один из лучших показателей в отрасли, что в сочетании с широкими функциональными возможностями обещает этому изделию хорошие перспективы.

Основная область применения изделий данного типа — мобильные устройства с батарейным питанием. Широкий диапазон входного напряжения обеспечивает устойчивую работу аппаратуры при различных уровнях заряда аккумуляторной батареи, а высокий КПД минимизирует преобразование входной энергии в тепло. Последнее обстоятельство определяет преимущества импульсных стабилизаторов по сравнению с линейными именно в этой области пользовательских приложений.

В целом, данная группа у компании STMicroelectronics развивается достаточно динамично — примерно половина всей линейки появилась на рынке в последние 3-4 года.

Импульсные понижающие стабилизаторы
с входным напряжением 10…28 В

Параметры преобразователей этой группы приведены в таблице 2.

Таблица 2. ИПСН со входным напряжением 10…28 В

Восемь лет назад данная группа была представлена только микросхемами , и с входным напряжением до 11 В. Диапазон от 16 до 28 В оставался не заполненным. Из всех перечисленных модификаций в настоящее время в линейке присутствует только , но параметры этого ИПСН современным требованиям соответствуют слабо. Можно считать, что за это время номенклатура рассматриваемой группы обновлена полностью.

В настоящее время база данной группы — микросхемы . Данная линейка рассчитана на весь диапазон токов нагрузки от 0,7 до 4 А, обеспечивает полный комплект специальных функций, частота коммутации регулируется в достаточно широких пределах, отсутствуют ограничения на значение коэффициента заполнения, значения КПД и сопротивления открытого канала отвечают современным требованиям. Существенных минусов в данной серии два. Во-первых, отсутствует встроенный разрядный диод (кроме микросхем с суффиксом D). Точность регулирования выходного напряжения достаточно высока (2%), но наличие трех и более внешних элементов в цепи компенсации обратной связи нельзя отнести к достоинствам. Микросхемы и отличаются от серии L598x только иным диапазоном входных напряжений, но схемотехника, а, следовательно, достоинства и недостатки аналогичны семейству L598x. В качестве примера на рисунке 5 представлена типовая схема включения трехамперной микросхемы . Присутствует и разрядный диод D, и элементы цепи компенсации R4, C4 и C5. Входы F SW и SYNCH остаются свободными, следовательно, преобразователь работает от внутреннего генератора с частотой F SW , заданной по умолчанию.