Понижающий импульсный стабилизатор
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) V0VT 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 Rэп — эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора, VG — 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. Понижающие ИСН с синхронными выпрямителями
В последние годы имеет место устойчивая тенденция к снижению напряжения питания микросхем. Одновременно появляются модели ИМС, потребляющие ток все большей силы. В этом случае традиционное решение — последовательный ключ на МОП-транзисторе и диод Шоттки параллельно выходу — оказывается неэффективным, так как, хотя прямое напряжение на диоде Шоттки составляет примерно 0.4 В, что значительно ниже, чем на обычном кремниевом диоде, все же мощность потерь в нем достигнет 10 Вт, что потребует принудительного обдува либо радиатора больших размеров.
Лучшие результаты в импульсных стабилизаторах низкого напряжения дает применение синхронных выпрямителей, в которых диод заменяется или шунтируется параллельным ключом на МОП-транзисторе (Рис. 6.7).
Контроллер управляет транзисторами VT1 и VT2 противофазно, т. е. если первый транзистор открыт, то второй закрыт и наоборот. Когда открыт VT1 нагрузка преобразователя через дроссель подключена к входу схемы и наряду с питанием происходит накопление энергии в дросселе. Когда открыт VT2, дроссель включен параллельно нагрузке и отдает ей часть своей энергии. Потери мощности в МОП-транзисторе пропорциональны сопротивлению открытого канала. Выбрав транзистор с достаточно малым сопротивлением открытого канала или включив параллельно несколько МОП-транзисторов, можно снизить потери мощности до весьма малых величин. КПД некоторых из ИМС при питании нагрузки напряжением 1.6 В достигает 96%. Фирма International rectifier выпускает МОП-транзисторы, оптимизированные для применения в схемах низковольтных синхронных выпрямителей. Сборка IRF7901D1, предназначенная для построения синхронных выпрямителей на ток до 5 А, содержит два МОП-транзистора, включенных последовательно, причем транзистор, предназначенный для включения параллельно выходу, зашунтирован диодом Шоттки. Сопротивление открытого канала этого транзистора не превышает 0.023 Ом. Сборка также выполнена в корпусе SO-8. Применение синхронного выпрямителя позволяет наряду с повышением КПД устранить также режим прерывистого тока даже при малых нагрузках, что улучшает регулировочные свойства преобразователей. Это достигается за счет того, что при малых токах дросселя ток, достигнув нуля, не прекращается, как в схеме с диодом, а меняет направление. При этом он протекает по цепи сток—исток транзистора VT2 (см. Рис. 6.7).