Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания. Учебное пособие.pdf
Основным недостатком ИОН на стабилитронах является значитель-
ный собственный шум. Этот шум связан с поверхностными эффектами,
и применение стабилитронной структуры с так называемым захоронен-
ным (скрытым) или подповерхностным слоем может сильно улучшить
стабильность стабилитрона и существенно уменьшить его шум. В настоя-
щее время в составе интегральных ИОН практически всегда используются
стабилитроны с захороненным слоем.
«Стабилитронные» ИОН обычно представляют собой, как правило,
двухвыводные устройства, очень похожие на стабилитроны, но на самом
деле довольно сложные по схемотехнике, содержащие, помимо собствен-
но стабилитрона, целый ряд активных компонентов, служащих для улуч-
шения характеристик. В качестве примера приведем «стабилитронную»
интегральную схему типа LM129A с величиной ТКН = 6·10–6/ºС. Главный
недостаток подобных ИОН – большой собственный шум [3, 5].
Температурно-стабилизированные ИОН, помимо «стабилитронной»
схемы, содержат еще и стабилизатор температуры кристалла, позволяю-
щий сильно уменьшить зависимость ТКН от температуры. Например, тем-
пературно-стабилизированный ИОН LM199 [3, 5] имеет ТКН = 2·10–7/°С.
Основной недостаток температурно-стабилизированных ИОН – большое
время выхода на рабочий режим (около 3 с) и значительное энергопотреб-
ление (до 4 Вт в момент включения и около 250 мВт при работе).
Высококачественные параметры были получены от схемы ИОН, ча-
сто называемой bandgap.
На русском языке эта схема имеет много названий: «стабилитрон
с напряжением запрещенной зоны», «источник опорного напряжения,
равного ширине запрещенной зоны», «ИОН с использованием напряжения
ширины запрещенной зоны» и еще некоторые другие.
В основе схемы лежит идея генерации напряжения с температурным
коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине от-
рицательному температурному коэффициенту напряжения UБЭ. При сло-
51
жении этого напряжения с U
получается напряжение с нулевым темпе-
БЭ
ратурным коэффициентом.
Такая схема показана на рис. 31 [3]. Напряжение на резисторе R2,
имеющее положительный температурный коэффициент, складывается
с напряжением UБЭ транзистора VТ3. Подбирая величину R2, можно полу-
чить нулевой результирующий температурный коэффициент. Оказывает-
ся, что температурный коэффициент будет нулевым, если суммарное
напряжение равно напряжению запрещенной зоны кремния (при темпера-
туре абсолютного нуля), т. е. примерно 1,22 В. Часть схемы, обведенная
пунктиром, является стабилитроном. С помощью делителя напряжения,
подключённого к инвертирующему входу операционного усилителя,
устанавливается величина выходного напряжения ИОН.
Рис. 31. Классическая схема источника опорного напряжения
с напряжением запрещенной зоны полупроводника
Кроме представленной на рис. 31 схемы, существуют и другие вари-
анты реализации bandgap ИОН, использующие свойства согласованной
пары биполярных транзисторов [2, 3].
Типовая величина ТКН bandgap ИОН составляет примерно 1·10–6/°С.
Это, как правило, недорогие приборы, имеющие стандартную величину
выходного опорного напряжения 1,25; 2,5; 5,0; 7,5; 10,0 В (например
52
LM385, LT1029, REF19х, MAX610x и др.). Существуют очень удобные
Линейные
Импульсные
Нестабильность по выходному напряжению
0,02…0,05 %
0,05…0,1 %
Нестабильность по току нагрузки
0,02…0,1 %
0,1…1,0 %
Пульсация выходного напряжения
0,5…2 мВ
25…100 мВ
Рабочий диапазон входных напряжений
±10 %
±20 %
КПД
40…55 %
60…80 %
Средняя удельная мощность
30 Вт/дм3
140 Вт/дм3
Время восстановления
50 мкс
300 мкс
Время удержания
2 мс
32 мс
регулируемые bandgap ИОН, например TL431, выходное напряжение ко-
торого подстраивается в диапазоне от 3 до 36 В с помощью дополнитель-
ного третьего вывода.
1.6. ИМПУЛЬСНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ
Линейные источники питания имеют много полезных свойств: про-
стота реализации, малые пульсации выходного напряжения и шум, пре-
восходные значения нестабильности по напряжению и току и быстрое
время восстановления. Основным недостатком линейных ИВЭ является
невысокий КПД, составляющий величину 40…55 %.
Импульсные источники питания становятся популярными из-за вы-
сокой эффективности и высокой удельной мощности. Сравнительные ха-
рактеристики линейных и импульсных ИВЭ представлены в табл. 2 [5].
Таблица 2
Параметры ИВЭ
Параметр
ИВЭ
ИВЭ
При сравнении линейных и импульсных источников питания можно
сделать следующие выводы. Нестабильность по напряжению и току
обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок вели-
чины, но в импульсных источниках питания часто используются линей-
53
ные выходные стабилизаторы, улучшающие стабильность выходного нап-
ряжения.
Пиковые значения выходных пульсаций импульсных источников пи-
тания находятся в диапазоне 25...100 мВ (р-р), что значительно больше,
чем у линейных источников питания. Необходимо заметить, что для им-
пульсных источников питания значения пульсаций выходного напряже-
ния нормируются от пика до пика (р-р) (рис. 32), в то время как для ли-
нейных источников – в среднеквадратичных значениях (rms).
Рис. 32. Форма пульсаций выходного напряжения
импульсного источника питания
Импульсные источники питания также имеют большую длительность
переходных процессов, чем линейные, но имеют намного большее время
удержания, что является очень важным в компьютерных применениях.
Наконец, импульсные источники питания имеют более широкий диа-
пазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных ис-
точников питания обычно не превышает ±10 % от номинального значения,
что оказывает прямое влияние на КПД. У импульсных источников пита-
ния влияние диапазона входного напряжения на КПД очень незначитель-
ное или вообще отсутствует, и диапазон входных напряжений ±20 % и бо-
лее дает возможность работать при значительных изменениях входного
напряжения.
54
На сегодняшний день имеются пять типов электронных устройств,
использующихся в качестве источников питания [5]:
• преобразователь переменный ток / переменный ток (АС/АС-кон-
вертер);
• преобразователь переменный ток / постоянный ток (AC/DC-кон-
вертер);
• преобразователь постоянный ток / постоянный ток (DC/DC-кон-
вертер);
• преобразователь постоянный ток / переменный ток (DC/AC-кон-
вертер).
АС/АС-конвертеры
К таким устройствам относятся, например, так называемые электрон-
ные трансформаторы, преобразующие напряжение сети 50/60 Гц в неста-
билизированное низковольтное переменное напряжение для питания элек-
тролюминесцентных ламп. Как правило, они построены на базе недорогих
двухтактных автогенераторных преобразователей напряжения без схемы
управления.
AC/DC-конвертеры
АC/DC-конвертер лежит в основе сетевых импульсных источников
питания. Импульсные источники питания выпрямляют и фильтруют
напряжение сети переменного тока без использования силового транс-
форматора на 50/60 Гц. Полученный в результате этого постоянный ток
коммутируется мощным ключом, а затем преобразуется высокочастотным
трансформатором, наконец, выпрямляется и фильтруется снова.
Из-за высокой частоты переключения, которая составляет от 20 кГц
до 1 МГц, трансформатор и конденсаторы фильтров имеют намного
меньшие размеры, чем их эквиваленты для частоты 50/60 Гц. КПД им-
пульсных источников питания может достигать 98 %.
DC/DC-конвертеры
DC/DC-конвертеры применяются для того, чтобы преобразовать одно
напряжение постоянного тока в другое, обычно хорошо стабилизирован-
55
ное. Эти устройства обычно используются там, где электронное оборудо-
вание должно питаться от батареи или другого автономного источника
постоянного тока.
Типичные значения напряжения батареи обычно равны 1,5; 3,0; 3,6;
4,5; 6.3; 9; 12; 24; 48 В (DC), причем в процессе работы оно может изме-
няться в широких пределах. Например, напряжение двенадцативольтовой
аккумуляторной батареи транспортного средства может подниматься до
15 В и выше во время зарядки и опускаться до 6 В при пуске двигателя.
В таком случае для питания электронных схем требуется DC/DC-кон-
вертер, позволяющий получить из нестабильного входного напряжения
стабилизированное выходное напряжение.
Интегральные DC/DC-конвертеры широко используются для преоб-
разования и распределения постоянного напряжения питания (рис. 33) [5].
Рис. 33. Подключение потребителя к локальной шине питания
Это напряжение питания обычно поступает в систему от сетевого ис-
точника питания или батареи. Оно может иметь как стандартное значение
5, 12, 24, 48 В, так и быть любого другого номинала и полярности. Это
напряжение может быть нестабилизированным и иметь значительную
шумовую компоненту.
Поэтому каждая плата системы может иметь один или больше
DC/DC-преобразователей, использующих напряжение локальной шины
питания как входное и формирующих из него другие напряжения, необхо-
56
димые для питания локальных потребителей (на рис. 33 напряжение ±15 В
Импульсные преобразователи
Индуктивные преобразователи
Без гальванической
С гальванической
Резонансные
Понижающие
Повышающие
Однотактные
Двухтактные
может использоваться для питания схем на операционных усилителях,
ЦАП, АЦП и др.).
DC/AC-конвертеры
Предназначены для получения переменного питающего напряжения
из постоянного, в электротехнике называются инверторами (не путать
с инвертирующими DC/DC-преобразователями, которые преобразуют по-
ложительное входное напряжение в отрицательное выходное).
В табл. 3 [5] приведена условная классификация импульсных преоб-
разователей по схеме построения.
Таблица 3
Классификация импульсных преобразователей по схеме построения
Емкостные
преобразователи
развязки
(Buck)
(Boost)
(flyback)
Инвертирующие
Обратноходовые
развязкой
(forward)
Прямоходовые
Пушпульные
Полумостовые
Мостовые
В индуктивных преобразователях напряжения в качестве энергонако-
пительного элемента используется индуктор (дроссель или трансформатор).
Использование дросселя позволяет получить простые и недорогие
схемные решения при построении импульсного источника питания, но
при этом исключается гальваническая развязка выходной и входной це-
пей. При построении сетевых источников питания практически всегда
требуется гальваническая развязка, что требует применения трансформа-
торных схем.
Рассмотрим преобразователи напряжения с использованием дросселя.
57
Понижающий преобразователь (buck)
Упрощённая схема понижающего преобразователя представлена на
рис. 34, временные диаграммы работы приведены на рис. 35.
Рис. 34. Упрощенная схема понижающего преобразователя
Рис. 35. Временные диаграммы работы
понижающего преобразователя
Схема, приведённая на рис. 34, состоит из следующих обязательных
элементов:
• силового ключа S, осуществляющего высокочастотную коммута-
цию тока (обычно роль ключа выполняет мощный биполярный или поле-
вой транзистор);
• разрядного диода VD;
• сглаживающего фильтра LC;
Рабочий цикл схемы, как показано на рис. 35, включает два времен-
ных интервала: t
вкл
и t
выкл
.
58
В интервале времени t
( )
LL
U L dI / dt= ⋅
L eaвкл a выкл
11
I (U U )t U t
LL
∆= − =
вкл вкл
a e ee
вкл выкл
tt
U U U pU
tt T
= = =
+
ключ S замкнут и через дроссель L от ис-
вкл
точника питания Ue в нагрузку протекает ток IL = Ie. В это время происхо-
дит накопление энергии в дросселе, ток IL линейно нарастает. В это же
время происходит заряд конденсатора С.
Любой индуктивный элемент при скачкообразном изменении харак-
теристик цепи (будь то ее обрыв или замыкание на нагрузку с другим зна-
чением сопротивления) всегда стремится воспрепятствовать изменению
направления и величины тока, протекающего через его обмотку. Поэтому,
когда в начале временного интервала t
происходит размыкание ключа
выкл
S, ток IL, поддерживаемый индуктивным элементом, будет замыкаться че-
рез разрядный диод VD. Поскольку источник питания Ue отключен, энер-
гия, накопленная в дросселе, расходуется на поддержание тока в нагрузке,
поэтому в течение времени t
По окончании промежутка времени t
ток дросселя IL будет линейно убывать.
выкл
ключ вновь замыкается и процесс
выкл
повторяется.
Временная зависимость тока в обмотке дросселя подчиняется закону
электромагнитной индукции [2]:
. (33)
В течение времени t
, когда ключ замкнут, к дросселю приложено
вкл
напряжение UL = Ue – Ua, тогда как во время разомкнутого состояния
ключа t
напряжение UL = – Ua.
выкл
Отсюда, исходя из (33), находим изменение тока:
Это равенство позволяет рассчитать выходное напряжение:
где T = t
вкл
+ t
– период переключений; p = t
выкл
полнения (величина, обратная скважности).
59
. (34)
, (35)
/ T – коэффициент за-
вкл
Дополнив понижающий преобразователь (рис. 34) схемами управле-
ния ключом и обратной связи, можно получить импульсный понижающий
стабилизатор напряжения. В качестве примера рассмотрим импульсный
стабилизатор типа LM2678-5 фирмы National [2]. На его основе формиру-
ется схема, представленная на рис. 36. Из рисунка видно, что для работы
микросхемы требуется минимальное количество внешних навесных эле-
ментов.
Рис. 36. Схема понижающего стабилизатора напряжения на базе LM2678-5
Микросхема LM2678-5 содержит на кристалле все необходимые
компоненты, предназначенные для построения импульсного компенсаци-
онного стабилизатора напряжения: ИОН с величиной опорного напряже-
ния U
= 1,2 В, усилитель сигнала рассогласования, делитель напряже-
ref
ния, ключ (полевой транзистор Т), выполняющий функцию регулирующе-
го элемента, схему управления регулирующим элементом (компаратор
ШИМ и МОП-драйвер).
Управление ключом осуществляется по принципу широтно-
импульсной модуляции (ШИМ), когда частота переключений остаётся по-
стоянной (у LM2678-5 она равна 250 кГц, период T = 4 мкс), а выходное
напряжения регулируется за счёт изменения времени t
(35). Микросхе-
вкл
мы, использующие ШИМ для управления ключом, называют ШИМ-
контроллерами.
60