Летняя практика / Преобразователи напряжения / Импульсные преобразователи

Компоненты и технологии, № 1’2005

Компоненты

KiT_45(1)_web.qxd 1/26/2005

10:39 AM

Page 51

Компоненты и технологии, № 1’2005

Компоненты

Импульсные ИСН обладают по сравнению

ски сравнивается с входным положительным.

с линейными рядом преимуществ. КПД их не-

Реальная величина выходного напряжения

сравненно выше, так как благодаря использо-

сложным образом зависит от частоты комму-

ванию ключевого режима работы регулирую-

тации, емкости и эквивалентного последова-

щего транзистора средняя рассеиваемая в нем

тельного сопротивления (ESR) конденсаторов,

мощность оказывается существенно меньше,

ненулевого сопротивления замкнутых ключей

чем в линейном стабилизаторе. Малые тепло-

и тока нагрузки и получается несколько мень-

вые потери позволяют во многих случаях отка-

ше входного напряжения.

заться от применения теплоотводов или суще-

Определенным недостатком импульсных

ственно уменьшить их габариты. Кроме того,

стабилизаторов по сравнению с линейными

наряду с обычным режимом понижения вход-

является наличие у них переменной составля-

ного напряжения (Step-Down), импульсные

Рис. 2. Структурная схема инвертирующего

ющей тока нагрузки, поэтому импульсные

ИСН могут работать в режиме его повышения

преобразователя напряжения на переключаемых

ИСН не применяют в аналоговых устройст-

(Step-Up) и инвертирования (Inverting).

конденсаторах

вах со слабыми сигналами, или же использу-

Рассмотрим коротко принцип действия по-

ют совместно с линейными стабилизаторами.

нижающего, повышающего и инвертирующе-

ратноходового преобразователя (Flyback

Практически все современные импульсные

го импульсных стабилизаторов напряжения,

Converter). Принцип работы такого преоб-

ИСН содержат регулирующий транзистор VT1

упрощенные структурные схемы силовой ча-

разователя рассмотрим по упрощенной струк-

(биполярный или МОП) и устройство управ-

сти которых изображены на рис. 1а, б и в со-

турной схеме, изображенной на рис. 1г.

ления, а диод, катушка и конденсаторы явля-

ответственно.

Обмотки трансформатора сфазированы та-

ются внешними элементами. Типовая струк-

Регулирующий транзистор VT1 переключа-

ким образом, что когда VT1 находится в состо-

турная схема устройства управления с ШИМ

ется с определенной частотой устройством уп-

янии насыщения и через первичную коллек-

изображена на рис. 3 и содержит такой же, как

равления (УУ) из состояния насыщения в со-

торную обмотку течет линейно нарастающий

и в линейном стабилизаторе, источник опор-

стояние отсечки. В узле накопления энергии,

ток, полярность напряжения на диоде обрат-

ного напряжения ИОН и усилитель сигнала

содержащем катушку индуктивности L1 и кон-

ная, и ток через вторичную обмотку не идет.

ошибки А1, выход которого подключен к од-

денсатор C2, импульсы преобразуются в по-

Происходит накопление энергии в трансфор-

ному из входов компаратора напряжения А2.

стоянное напряжение, величина которого за-

маторе. Когда VT1 переходит в состояние от-

На другой вход компаратора подается пило-

висит от скважности и частоты управляющих

сечки, полярность напряжения на вторич-

образное напряжение от специального гене-

импульсов, которые, в свою очередь, опреде-

ной обмотке изменяется, открывается диод,

ратора ГПИ, частота которого задается кон-

ляются разностью между опорным и факти-

и через нагрузку начинает течь ток, который

денсатором CT. В результате на выходе компа-

ческим выходным напряжением. Управляю-

поддерживается зарядом конденсатора C2.

ратора получаются импульсы переменной

щие импульсы переменной скважности (или

Нетрудно видеть, что работа обратноходово-

скважности, определяемой разностью между

частоты) формируются в УУ специальной схе-

го преобразователя аналогична работе инвер-

опорным напряжением и частью выходного

мой широтно-импульсной модуляции —

тирующего стабилизатора, изображенного

напряжения, подаваемого на усилитель А1

ШИМ (Power-Width Modulation — PWM) или

на рис. 1в. Импульсный трансформатор мо-

с резистивного делителя R1, R2. Эти импуль-

частотно-импульсной модуляции — ЧИМ

жет иметь несколько вторичных обмоток с со-

сы усиливаются буферным усилителем БУФ

(Pulse Frequency Modulation — PFM).

ответствующим образом включенными дио-

и подаются на базу (затвор) регулирующего

В частности, для понижающего стабилиза-

дами, и таким образом становится возмож-

транзистора. Для стабилизаторов с фиксиро-

тора (рис. 1а), когда VT1 находится в состоя-

ным получение двух и более (в том числе

ванным выходным напряжением резистив-

нии насыщения, диод VD1 закрыт, через ка-

и разнополярных) выходных напряжений.

ный делитель устанавливается внутри ИМС,

тушку L1 течет линейно нарастающий ток,

Значительный интерес представляют безын-

для стабилизаторов с регулируемым выход-

и в это время происходит накопление энергии

дуктивные импульсные преобразователи на-

ным напряжением применяют внешний де-

в катушке и заряд конденсатора C2. Когда VT1

пряжения, в которых в качестве накопителя

литель, сопротивления резисторов которого

переходит в состояние отсечки, ток через ка-

энергии используются только конденсаторы.

определяют величину выходного напряжения.

тушку начинает уменьшаться, полярность на-

Обычно они применяются как повышающие

Диод VD1 должен иметь малое прямое па-

пряжения на ней изменяется, открывается ди-

или инвертирующие. Структурная схема ин-

дение напряжения и минимальное время пе-

од, и катушка становится источником питания

вертирующего преобразователя такого типа

реключения, в связи с чем обычно использу-

нагрузки. Затем процесс повторяется. Анало-

приведена на рис. 2 (их часто называют пре-

ют диоды Шотки. Индуктивность катушки со-

гично работают повышающий и инвертиру-

образователями на переключаемых конденса-

ставляет десятки или сотни микрогенри,

ющий стабилизаторы, с той разницей, что бла-

торах — Switched Capacitor Converters).

для уменьшения помех применяют катушки

годаря другому порядку включения катушки,

В первой половине цикла работы электрон-

с тороидальным сердечником. Входной кон-

диода и транзистора в повышающем стабили-

ные ключи S1 и S3 замкнуты, а S2 и S4 — разо-

денсатор емкостью около сотни микрофарад

заторе выходное напряжение является суммой

мкнуты, конденсатор С1 заряжается от источ-

устанавливается для устранения самовозбуж-

входного напряжения и напряжения на катуш-

ника входного напряжения. Во второй полови-

дения и располагается как можно ближе

ке, а в инвертирующем — напряжение на ка-

не цикла S1 и S3 размыкаются, а S2 и S4 —

к ИСН. Выходной конденсатор имеет емкость

тушке, приложенное к выходу стабилизатора

замыкаются, происходит заряд конденсатора С2

десятки или тысячи микрофарад, его рабочее

через диод, получается отрицательным.

от конденсатора С1. В результате через некото-

напряжение должно быть больше 1,5JUвых при

Существуют также импульсные стабилиза-

рое количество циклов отрицательное выход-

минимальном значении эквивалентного по-

торы напряжения, в которых в качестве узла

ное напряжение на конденсаторе С2 практиче-

следовательного сопротивления ESR. Для рас-

накопления энергии используется импульсный

трансформатор. Достоинство таких стабили-

заторов, а точнее преобразователей напряже-

ния (они могут быть как повышающими, так

понижающими и инвертирующими) — галь-

ваническая развязка между источником вход-

ного напряжения и нагрузкой, и возможность

получения нескольких различных выходных

напряжений. Ряд ИСН National Semiconductor

специально предназначен для работы с им-

Рис. 3. Типовая структурная схема устройства управления с ШИМ импульсного стабилизатора напряжения

пульсным трансформатором в режиме об-

www.finestreet.ru

51

KiT_45(1)_web.qxd 1/26/2005

10:39 AM

Page 52

Компоненты и технологии, № 1’2005

Компоненты

Таблица. Основные параметры импульсных ИСН National Semiconductor

В серии ИСН LM2594-96 с выходным током

-

Диапазон

Выходной ток

Падение напряжения

Рабочая частота

Режим понижения

Режим повышения

Режим инвертирования

от 0,5 до 3 А используются силовые ключи

на биполярных транзисторах. Типовая схема

входных

Выходное

КПД

Режим Flyback

напряже?

напряжение

включения стабилизатора LM2594-5.0 приве-

Тип

ний

Примечание

дена на рис. 4а. Концепция фирмы «Простой

U in

I out

U drop

U out

Fo

h

ключевой» (Simple Switcher) позволяет обой-

В

мА

В

В

кГц

%

тись всего четырьмя внешними элементами

мин макс

макс

мин

тип

тип

макс

и полностью соответствует типовой схеме по-

LM2594

4,5

40

500

0,8

3,3; 5,0; 12; 1,23–37 рег.

150

90

Да

Нет

Да

Нет

Дежурный режим

нижающего стабилизатора вместе с устройст-

LM2595

4,5

40

1000

1,0

3,3; 5,0; 12; 1,23–37 рег.

150

90

Да

Нет

Да

Нет

Дежурный режим

вом управления (рис. 1а). Столь простая схе-

LM2596

4,5

40

3000

1,3

3,3; 5,0; 12; 1,23–37 рег.

150

90

Да

Нет

Да

Нет

Дежурный режим

ма включения данных ИСН позволяет эф-

LM2674

6,5

40

500

1,0

3,3; 5,0; 12; 1,21–37 рег.

260

96

Да

Нет

Нет

Нет

МОП, дежурный режим

фективно применять их вместо линейных

LM2675

6,5

40

1000

1,0

3,3; 5,0; 12; 1,21–37 рег.

260

96

Да

Нет

Нет

Нет

МОП, дежурный режим

стабилизаторов напряжения, а также совмест-

LM2676

8,0

40

3000

–

3,3; 5,0; 12; 1,21–37 рег.

260

92

Да

Нет

Нет

Нет

МОП, дежурный режим

но с ними. Все ИСН LM2594-96 выпускаются

LM2677

8,0

40

5000

–

3,3; 5,0; 12; 1,21–37 рег.

260

92

Да

Нет

Нет

Нет

МОП, вход синхронизации

на фиксированные выходные напряжения 3,3,

LM2678

8,0

40

5000

–

3,3; 5,0; 12; 1,23–37 рег.

260

92

Да

Нет

Нет

Нет

МОП, дежурный режим

5,0 и 12 В, а также в регулируемом варианте

LM2679

8,0

40

5000

–

3,3; 5,0; 12; 1,23–37 рег.

260

92

Да

Нет

Нет

Нет

МОП, установка предельного

от 1,2 до 37 В. Высоковольтная модификация

тока, плавный запуск

LM2594HV имеет расширенный до 60 В диа-

МОП, дежурный режим,

LM2651

4,0

14

1500

–

1,8; 2,5; 3,3; 1,23–12 рег.

300

97

Да

Нет

Нет

Нет

пазон входных напряжений и, соответствен-

плавный запуск

но, максимальное выходное напряжение в ре-

LM2653

4,0

14

1500

–

1,5–5 рег.

300

97

Да

Нет

Нет

Нет

То же + задержка включения,

гулируемом варианте 57 В. Переключение в де-

флаг ошибки

LM2586

4,0

40

3000

–

3,3; 5,0; 12; 1,23–60 рег. 100–200

93

Нет

Да

Нет

Да

Дежурный режим, установка

журный режим осуществляется подачей

частоты, синхронизация

на вывод ON/OFF напряжения от 1,3 до 25 В,

LM2660

1,5

5,5

100

–

Uin/2; 2Uin; –Uin

10–80

90

Да

Да

Да

–

На переключаемых конденса%

при этом ток потребления составляет 80 мкА.

торах, установка частоты

Используя вход включения дежурного ре-

На переключаемых конденса%

LM2661

1,5

5,5

100

–

Uin/2; 2Uin; –Uin

80

90

Да

Да

Да

–

жима, можно получить временную задержку

торах, дежурный режим

LM2662

1,5

5,5

200

–

Uin/2; 2Uin; –Uin

20–150

90

Да

Да

Да

–

На переключаемых конденса%

включения стабилизатора. Возможно также

торах, установка частоты

использование ИСН LM2594-96 в качестве ин-

LM2663

1,5

5,5

200

–

Uin/2; 2Uin; –Uin

150

90

Да

Да

Да

–

На переключаемых конденса%

вертирующих. На рис. 4б приведена схема

торах, дежурный режим

включения микросхемы LM2595-5.0 в таком

чета параметров импульсных стабилизаторов

дополнительных функций, обеспечивающих

режиме. Задержка включения определяется

на сайте фирмы National Semiconductor доступ-

их безопасную работу и определенный режим

емкостью конденсатора С2, резистивный де-

но специальное программное обеспечение.

питаемых ими устройств. Это дистанционное

литель R1R2 ограничивает напряжение на уп-

В каталогах и технических описаниях приво-

включение и выключение — дежурный режим

равляющем входе ON/OFF. Максимальная ве-

дятся рекомендации, номограммы и таблицы

(Sleep Mode), установка предельного тока

личина тока нагрузки Iнмакс зависит от вели-

по выбору внешних элементов импульсных

(Adjustable Current Limit), задержка включения

чины входного напряжения Uвх , в частности,

ИСН, а также варианты конструкции стабили-

(Delay), плавный запуск (Soft Start), контроль

при Uвх = 20 В Iнмакс = 0,7 А.

заторов и чертежи печатных плат.

входного напряжения (Low Battery Detector),

Аналогичные параметры имеют ИСН серии

Рассмотрим основные параметры импульс-

выдача сигнала ошибки (Error Flag), когда вы-

LM2597-99 (в таблице не представлены), кото-

ных ИСН. Большая часть этих параметров сов-

ходное напряжение уменьшается на заданную

рые снабжены дополнительными выводами

падает с соответствующими параметрами ли-

величину, или обратного ему (Power Good), сви-

для обеспечения задержки включения (Delay),

нейных стабилизаторов [2]:

детельствующему о нормальном Uвых, и дру-

плавного запуска (Soft Start) и флага ошибки

• минимальное и максимальное входное на-

гие [3]. Реализация дополнительных функций

(Error Flag). Последним является вывод откры-

пряжение (InputMin Voltage & InputMax

в конкретных ИСН будет рассмотрена ниже.

того коллектора специального внутреннего

Voltage), при которых сохраняются точно-

Наибольший интерес в настоящее время

транзистора, который переходит в состояние

стные

параметры стабилизатора

Line

представляют импульсные ИСН с максималь-

насыщения, если выходное напряжение стаби-

Regulation и Load Regulation;

ным КПД, практически все последние разра-

лизатора составляет менее 95% номинального.

• максимальный выходной ток (Output Current);

ботки National Semiconductor имеют КПД 90%

Задержка включения устанавливается подклю-

• падение напряжения (Dropout Voltage) —

и более. Основные параметры ряда доступных

чением к выводу Delay конденсатора опреде-

минимальная величина Uвх – Uвых , при ко-

высокоэффективных стабилизаторов приве-

ленной емкости. Режим Soft Start позволяет по-

торой еще возможен режим стабилизации;

дены в таблице.

лучить нарастание выходного напряжения

• коэффициент нестабильности по напряже-

нию (Line Regulation), который характери-

зует изменение выходного напряжения при

изменении входного напряжения (измеря-

ется в процентах);

• коэффициент нестабильности по току (Load

Regulation), который характеризует измене-

ние выходного напряжения при изменении

тока нагрузки (измеряется в процентах).

Специфическими параметрами импульс-

ных ИСН являются:

• рабочая частота (Switching Frequency);

• коэффициент полезного действия КПД

(Efficiency), равный отношению мощности

в нагрузке стабилизатора к мощности,

отдаваемой источником входного напряже-

ния Uвх (измеряется в процентах).

Рис. 4. Схемы включения импульсных ИСН LM2594%6:

Отметим, что современные импульсные

а) понижающий стабилизатор; б) инвертирующий стабилизатор с задержкой включения

ИСН, так же как и линейные, выполняют ряд

52

www.finestreet.ru