6.6.3. Регулируемые инверторы

Регулирование выходного напряжения инверторов, применяемых в схемах преобразователей постоянного напряжения, осуществляется в основном путем модуляции ширины выходных импульсов при постоянной частоте коммутации. Схемы управления регулируемых преобразователей значительно сложнее, чем нерегулируемых, поэтому именно такие схемы в первую очередь начали выпус­каться в интегральном исполнении.

Пионером в этой области микроэлектроники выступила фирма Silicon General (США), выпустившая в 1976 г. семейство SG1524/2524/3524 (отечест­венный аналог — 1114ЕУ1), разработанное Р. Маммансом. Двухтактный ШИМ-контроллер SG1524 помимо генератора тактовых импульсов, счетного триггера и выходных драйверов, присущих ИМС нерегулируемых инверторов, содержит также источник опорного напряжения (ИОН), компаратор, усили­тель ошибки и схему ограничения тока. Таким образом, эта ИМС представляет собой законченное устройство для управления ключами регулируемого инвер­тора.

Менее чем через год после начала производства ИМС SG1524 фирма Texas Instruments начала продавать микросхемы семейства TL493/494/495 (отечест­венные аналоги — 1114ЕУЗ/4/5), разработанные Б. Холлондом. По сравнению с SG1524 этот контроллер дополнен схемой формирования «мертвого» времени. Кроме того, схема ограничения тока заменена схемой стабилизации тока. Эта ИМС и в настоящее время пользуется популярностью у разработчиков. Она вы­пускается многими фирмами. Функциональная схема TL494 приведена на Рис. 6.30.

295

6.7. Сетевые источники питания 6.7.1. Общие сведения

Импульсные источники питания, получающие первичное напряжение от промышленной сети, обладают значительно лучшими массогабаритными пара­метрами, чем обычные сетевые источники питания той же мощности с низко­частотными силовыми трансформаторами. Этим объясняется их широкое при­менение в блоках питания телевизоров, компьютеров и даже в малогабаритных сварочных аппаратах. В то же время импульсные сетевые источники (ИСИ), как правило, дороже, менее надежны, создают в первичной сети, в нагрузке и в окружающем пространстве более интенсивные помехи и требуют от разработ­чика гораздо более высокой квалификации.

При проектировании ИСИ решаются следующие задачи:

• выбор силовой схемы, обеспечивающей наилучшее использование трансфор­матора и силового ключа при наименьшей их сложности и стоимости;

• защита силовых элементов от перегрузок;

• надежный плавный пуск преобразователя без перерегулирования по выход­ному напряжению;

• минимизация потерь и повышение коэффициента полезного действия по мощности;

• организация обратной связи по напряжению с гальванической развязкой входной и выходной цепей.

6.7.2. Импульсные сетевые источники на базе обратноходового преобразователя

Наиболее часто в качестве силовой схемы ИСИ мощностью до 100 Вт ис­пользуется обратноходовый преобразователь. Промышленность производит де­сятки типов ИМС контроллеров для управления такими преобразователями. Это семейства TDA4605, AS2208, LT1241, AN802x, ТЕА1504 и др.

Рассмотрим подробно работу типовой схемы обратноходового преобразова­теля с питанием от сетевого напряжения. В качестве контроллера используется уже упоминавшаяся ИМС UC3844, обеспечивающая управление МОП-транзи­стором с обратными связями по выходному напряжению и по току дросселя. Внутренняя структура этой ИМС представлена на Рис. 6.52.

Микросхема содержит помимо основных узлов, уже представленных на Рис. 6.36, еще и дополнительные элементы: цепь защиты контроллера от пере­напряжения (встроенный стабилитрон на 34 В) и компаратор для схемы UVLO, которая выключает контроллер при спаде напряжения питания ниже допусти­мого уровня. Типовая схема включения этой ИМС в составе обратноходового сетевого преобразователя представлена на Рис. 6.53.

Разберем подробнее работу этой схемы.

При включении источника в сеть конденсатор С₈, играющий роль фильтра, сглаживающего пульсации выпрямленного сетевого напряжения, заряжается через выпрямительный мост. Резистор R_n необходим для ограничения тока че­рез диоды моста в момент включения источника. Через резистор R$ начинает течь ток /_ь заряжая конденсатор С₄. Как только напряжение на выводе 7 микро­схемы достигнет верхнего порога схемы UVLO, составляющего 16 В, контрол­лер начинает генерировать импульсы, поступающие на затвор МОП-транзисто­ра. Для того чтобы контроллер запустился, достаточно, чтобы через резистор R₅ протекал ток не более 1 мА. Благодаря этому, сопротивление резистора R₅ мож­но выбрать достаточно большим, с тем, чтобы уменьшить рассеиваемую на нем

мощность. В то же время в рабочем режиме микросхема потребляет значитель­но больший ток — до 17 мА. Поэтому после запуска контроллер питается в ос­новном от дополнительной обмотки W_D.

Поскольку этот контроллер может работать с дополнительной обратной связью по току дросселя (ДОСТД), сигнал этой связи снимается с резистора R_n, включенного в цепь истока силового транзистора. Для подавления короткой импульсной помехи, возникающей при отпирании транзистора за счет разряда его выходной емкости и межвитковой емкости обмотки дросселя, в цепь ДОСТД включается малоинерционный фильтр R₉C₇. Цепочка R^C^VDj защища­ет силовой транзистор от перенапряжения в момент его запирания.

Сигнал обратной связи по напряжению снимается в этой схеме с обмотки W_D. Это позволяет практически устранить возмущения, возникающие при из­менении напряжения питающей сети. Изменение тока нагрузки может вызвать заметные изменения выходного напряжения за счет падения на сопротивлении вторичной обмотки трансформатора, активном сопротивлении обмотки дрос­селя L\ и диоде VD₅, поэтому лучше снимать сигнал обратной связи непосредст­венно с нагрузки. Для этого в большинстве приложений желательно обеспечить гальваническую развязку в канале обратной связи.

Таким образом, ИМС семейства UCx84x весьма универсальны. В перечень их применений входят: однотактные понижающий, прямоходовый и обратноходовый стабилизаторы, а если их дополнить микросхемой двухканального драйвера UC3706, то и двухтактные схемы. Платой за такую универсальность является относительно сложная схема включения, содержащая много навесных элементов. Более просто сетевой источник можно выполнить на основе спе­циализированных ИМС, содержащих на кристалле силовой ключ и другие эле­менты, упрощающие построение сетевого обратноходового источника. Одним из наиболее интересных в этом классе микросхем является семейство трехвыводных преобразователей TOPSwitch фирмы Power Integrations, содержащее мо­дели PWR-TOP200/1/2/3/4 и другие. Эти ИМС, изготавливаемые в корпусе

ТО-220, могут служить основой для построения сетевых источников питания с входным переменным напряжением 100...230 В на мощности до 100 Вт. Блок-схема внутренней структуры преобразователя PWR-TOP20x представлена на Рис. 6.54.

Микросхема представляет собой линейный преобразователь входного тока в коэффициент заполнения у с автономным питанием и высоковольтным (до 700 В) МОП-транзистором с открытым стоком на выходе. ИМС имеет внутрен­ний ИОН, ШИМ-контроллер с встроенным генератором 100 кГц, высоковольт­ные пусковые цепи питания, параллельный стабилизатор (он же — усилитель ошибки) и схемы защиты.

Внутренние цепи защиты осуществляют поцикловое ограничение тока ключа, отключение его при перегреве, при перенапряжении на выходе, при по­ниженном напряжении сети. В качестве датчика для поциклового ограничения тока силового ключа используется сам ключ, имеющий практически линейное сопротивление канала в открытом состоянии. Для повторного запуска преобра­зователя после временного понижения питающего напряжения в состав микро­схемы входят цепи автоматического перезапуска, которые переводят преобра­зователь в режим генерации коротких пачек импульсов с примерно в 20 раз более длительной паузой (режим «икоты»).

Одна из типовых схем включения PWR-TOP20x приведена на Рис. 6.55. До­полнительная сигнальная обмотка, имеющая 35 витков, обеспечивает питание схеме управления и, кроме того, служит источником сигнала обратной связи по напряжению.

Для увеличения коэффициента усиления в контуре обратной связи число витков этой обмотки выбрано большим, чем это необходимо для обеспечения достаточного тока через управляющий вывод С, — примерно 3...5 мА. Большая часть напряжения этой обмотки падает на стабилитроне. Конденсаторы в цепи обратной связи сглаживают пульсации и обеспечивают необходимую частот­ную коррекцию. В этой схеме для ограничения выбросов перенапряжения на первичной обмотке дросселя при запирании ключа используется стабилитрон с напряжением стабилизации 100 В. Более подробно о работе этих микросхем можно прочитать в [6.12].

Семейство TOPSwitch-II (ТОР22х) второго поколения отличается лучшим соотношением цена/качество и имеет ряд улучшений по сравнению с семейст­вом первого поколения. В частности, максимальная мощность увеличена до 150 Вт. Часть моделей семейства мощностью до 30 Вт изготавливается в миниа­тюрных корпусах SMD-8, предназначенных для монтажа на поверхность.

Еще более мощные однокристальные сетевые источники, предназначенные для работы в квазирезонансном режиме, производит фирма Sanken. В частно­сти, модель STR-F6656 развивает мощность до 300 Вт.

В настоящее время однокристальные сетевые источники выпускаются многими фирмами. Очень интересную микросхему МС33363А разработали инженеры фирмы ON Semiconductor (подразделение фирмы Motorola). Эта ИМС включает полноценный усилитель ошибки с высоким коэффициентом усиления, чувствительный к напряжению, а не к току, как у предыдущей схе­мы. ИМС имеет защиту от перенапряжения на выходе и от перегрева. Встро­енный ключевой МОП-транзистор допускает напряжение на стоке до 700 В и ток стока до 1.5 А. Микросхема изготавливается в 16-выводных DIP и SOP корпусах.

В Табл. 6.4 приведены основные параметры некоторых моделей однокри­стальных сетевых источников.