6.2. Понижающий импульсный стабилизатор

6.2.1. Схема понижающего импульсного стабилизатора напряжения

На Рис. 6.2 показана схема понижающего импульсного стабилизатора на­пряжения (ИСН).

Транзистор КГ переключается из полностью открытого в полностью закры­тое состояние с частотой в десятки, сотни килогерц или даже единицы мега­герц. Когда транзистор открыт, ток от первичного источника энергии через дроссель поступает в нагрузку. При этом ток /_L растет и как следствие происхо­дит накопление энергии в дросселе. Когда транзистор закрыт, ток /_L протекает через диод VD, продолжая питать нагрузку При этом ток катушки уменьшается и энергия, накопленная в дросселе в предыдущем такте, расходуется на поддер­жание напряжения на нагрузке Vout. Соотношение открытого и закрытогогсо-стояний ключа определяет величину напряжения Vout

На Рис. 6.3 представлена блок-схема устройства управления стабилиза­тором напряжения.

Устройство управления осуществляет сравнение выходного напряжения с опорным; если выходное напряжение уменьшается по сравнению с опорным, то модулятор устройства управления увеличивает отношение времени открыто­го состояния транзистора topen к периоду импульсов стабилизатора Т, называе­мое относительной длительностью импульса

При увеличении (уменьшении) V_0VT от номинального значения модулятор уменьшает (увеличивает) значение у. В отечественной литературе этот параметр называют также коэффициентом заполнения, а в английском обозначают тер­мином duty cycle (относительный рабочий интервал).

Принцип действия модулятора определяется законом модуляции. В им­пульсных стабилизаторах наиболее часто применяют широтно-импульсную или частотно-импульсную модуляции. Если регулируется время открытого со­стояния, т. е. ширина импульсов, при постоянной частоте следования импуль­сов, то имеет место широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Если от­носительная длительность импульса у регулируется путем изменения частоты следования импульсов, то такая модуляция называется частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ).

Наиболее просто модулятор реализуется в виде релейного регулятора на основе компара­тора с гистерезисом. Схема понижающего ста­билизатора с релейным регулятором приведе­на на Рис. 6.4.

Частота импульсов в этом случае опреде­ляется свойствами элементов, входящих в контур регулирования, и может быть найдена по формуле

где Rэ_п ^— эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, V_G — ширина петли гистерезиса компаратора. Та­ким образом, частота переключения может быть задана выбором величины гис­терезиса. Ширина петли гистерезиса определяет также и амплитуду пульсаций выходного напряжения.

Сильная зависимость частоты коммутации ключа от входного напряжения, ограничивает применение релейных регуляторов в промышленных контролле­рах импульсных стабилизаторов. Тем не менее некоторые фирмы выпускают та­кие регуляторы. Так, например, Texas Instruments производит ИМС контролле­ров понижающих стабилизаторов TPS5210 и TPS5211, содержащие релейные регуляторы, ширина петли гистерезиса, в которых может быть установлена пользователем. Эти стабилизаторы предназначены для питания старших поко­лений процессоров типа Pentium-Ill. Их входное напряжение стабилизировано на уровне 12 В, поэтому частота коммутации меняется мало и устанавливается около 200 кГц.

Ток, потребляемый понижающим стабилизатором от первичного источника постоянного тока, имеет выраженный импульсный характер с большими ско­ростями нарастания и спада. Это может заметно влиять на работу других потре­бителей, питаемых от этого же источника. Поэтому на входе импульсного ста­билизатора обычно включают Г-образный LC-фильтр.

Примером понижающего импульсного стабилизатора с ШИМ может слу­жить ИМС МАХ758А фирмы Maxim, преобразующая нестабильное напряже­ние постоянного тока 6...16 В в постоянное напряжение 5 В при токе нагрузки до 750 мА. Кристалл размером 3.3x3 мм в 8-выводном корпусе содержит не только устройство управления, но и коммутирующий МОП-транзистор, имею­щий типичное сопротивление открытого канала 0.5 Ом. Диод, дроссель и кон­денсатор — внешние. КПД устройства при токе нагрузки в 100мА составляет 91%. Ток, потребляемый на холостом ходу, не более 1.7 мА. Способ регулирова­ния — ШИМ на частоте около 160 кГц. Устройство управления ограничивает выходной ток и контролирует напряжение первичного источника тока.

Более мощным стабилизатором является микросхема МАХ787, которая преобразует входное постоянное напряжение от 6 до 60 В в стабилизированное напряжение 5 В при токе нагрузки до 5 А. Способ регулирования — ШИМ на частоте 100 кГц.

Для построения стабилизаторов напряжения еще больших мощностей вы­пускаются микросхемы устройств управления (контроллеров), предназначен­ные для управления мошными МОП-ключами. Например, ИМС МАХ796 управляет импульсным стабилизатором на напряжение 5 В при токе нагрузки до 10 А. Способ регулирования — ШИМ на частоте 150 или 300 кГц.