Регулятор напряжения на интегральных схемах: Регуляторы напряжения — CoderLessons.com

Характеристики

IC доступны с множеством функций.

• Несколько выходов или каналов

• Внутренняя цепь для контроля количества вырабатываемого тока

• Флаг ошибки для контроля выходов, которые падают ниже номинального значения.

• Защита от обратного напряжения предотвращает повреждение в приложениях, где пользователи могут случайно изменить полярность батареи.

• Защита от теплового отключения отключает регуляторы напряжения IC, когда температура превышает заданный предел.

• Выводы отключения (запрета) используются для отключения выходов регулятора.

Упаковка

IC доступны в различных типах корпусов IC. Двухрядные корпуса (DIP) могут быть изготовлены из керамики (CIP) или пластика (PDIP). Квадратные плоские корпуса (QFP) содержат большое количество тонких гибких выводов в форме крыла чайки.SC-70, один из самых маленьких доступных корпусов ИС, хорошо подходит для приложений, где пространство чрезвычайно ограничено. Пакеты с малым контуром (SO) доступны с 8, 14 или 20 контактами.

Пакеты с контуром транзистора (TO) широко доступны. ТО-92 — это одинарный рядный корпус, используемый для маломощных устройств. TO-220 подходит для продуктов большой мощности, среднего тока и с быстрым переключением. TO-263 — это версия корпуса TO-220 для поверхностного монтажа. Другие пакеты IC для регуляторов напряжения IC включают в себя термоусадочный корпус с малым контуром (SSOP), интегральную схему с малым контуром (SOIC), корпус с малым контуром (SOP), J-вывод с малым контуром (SOJ), дискретный корпус (DPAK) и блок питания ( ППАК).

Стандарты

для регуляторов напряжения IC можно найти в магазине стандартов IHS.

CECC — Спецификация гармонизированной системы оценки качества электронных компонентов.

MIL — M — 38510/107 — Спецификация для микросхем, линейных, положительных, стабилизаторов напряжения и монолитного кремния.

QPL-23761 — Перечень квалифицированных продуктов для продуктов в соответствии со спецификацией MIL-R-23761 Регуляторы, напряжения и панели управления для самолетов.

Список литературы

Кредит изображения:

M.S. Kennedy Corp. | Circuitstoday.com | ROHM Semiconductor USA LLC

IC Регуляторы напряжения

Рис. 2.3.1 Типовые блоки серии LM78xx

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Распознавать часто используемые I.C. Регуляторы напряжения.
• По отношению к регуляторам напряжения серии 78xx:
• • Выберите соответствующие компоненты развязки.
• • Поймите термин «отсев».
• • Узнайте о возможных причинах отказа ИС и их предотвращении.
• • Изучите методы производства положительных, отрицательных и двойных расходных материалов.

Линейка интегральных схем (ИС) LM78Xxx

Наличие схем регулятора в I.C. form значительно упростила конструкцию источников питания, и с момента их появления разнообразие конструкций, их мощность и надежность постоянно улучшались. Стабилизаторы на интегральных схемах доступны с различными номинальными значениями тока и напряжения для шунтирующих или последовательных приложений, а также для полных типов с переключением режимов. В настоящее время довольно редко можно найти регуляторы в действительно дискретных формах, описанных в модулях блока питания с 2.1 по 2.3, но популярные типы регуляторов 78Xxx (где X указывает подтип, а xx представляет собой выходное напряжение) используют почти те же принципы с улучшенной схемой. , в интегрированном виде.

Существуют различные диапазоны, в нескольких типах корпусов, доступных от многих производителей компонентов, некоторые из которых показаны на рис. 2.4.1. Выбор пакета зависит от требований к пространству и производительности. Типичные диапазоны приведены в таблице 1.

Падение напряжения

Одна из важных частей данных, опубликованных в технических паспортах линейных I.C. регуляторами напряжения отключения устройства. В любом линейном регуляторе, построенном из дискретных компонентов или интегрированном, таком как серия 78, выходное напряжение поддерживается стабильным для различных протеканий тока за счет изменения сопротивления регулятора (фактически, путем изменения проводимости транзистора, как описано в модуле источников питания. 2.2).

По этой причине должны выполняться две вещи:

1.Выходное напряжение всегда должно быть ниже входного.

2. Чем больше разница между входным и выходным напряжениями (при одинаковом токе), тем больше мощности должно рассеиваться в цепи регулятора, поэтому тем сильнее она становится.

Падение напряжения для любого регулятора указывает минимально допустимую разницу между выходным и входным напряжениями, если выходное напряжение должно поддерживаться на правильном уровне. Например, если регулятор LM7805 должен обеспечивать на выходе 5 В, входное напряжение должно быть не ниже 5 В +2.5 В = 7,5 В.

Однако падение напряжения не является абсолютным значением, оно может варьироваться примерно на 1 В в зависимости от тока, потребляемого на выходе, и температуры, при которой работает регулятор. Поэтому кажется разумным оставить комфортный запас между минимально возможным входным напряжением и минимально допустимым напряжением (выходное напряжение + падение напряжения).

Максимальное входное напряжение, указанное в таблице 1, показывает, что существует значительная допустимая разница между максимальным и минимальным входным напряжением, однако следует помнить, что чем выше входное напряжение для данного выхода, тем больше мощности необходимо рассеять через регулятор.Слишком высокое входное напряжение и потери мощности плохо сказываются на сроке службы батарей в портативном оборудовании и плохо для надежности мощного оборудования, поскольку большее нагревание означает большую вероятность неисправностей.

Например, LM7805, подающий на нагрузку 1 А при 5 В, означает, что нагрузка потребляет 5 Вт. Если входное напряжение составляет 8 В, ток через регулятор по-прежнему составляет 1 А, что составляет 8 Вт; поэтому регулятор рассеивает 8 Вт — 5 Вт = 3 Вт. Однако, если входное напряжение составляет, например, 20 В, то избыточная мощность, которая должна рассеиваться регулятором, теперь составляет 20 В x 1 А = 20 Вт минус 5 Вт, потребляемые нагрузкой = 15 Вт.

В современном линейном I.C. Однако регуляторы, а также защита от перегрузки по току и защита от перенапряжения, как описано в модуле 2.3 блока питания, существуют дополнительные схемы термического отключения для предотвращения сбоя из-за перегрева, так что если мощность слишком велика, вместо того, чтобы разрушать ИС, выход будет упадет до 0 В, пока ИС не остынет.

Даже при более разумных входных напряжениях стабилизатор I.Cs. действительно выделяют значительное количество тепла, поэтому важно, чтобы избыточное тепло эффективно рассеивалось за счет использования соответствующих радиаторов.Критерии использования радиаторов такие же, как и для силовых транзисторов, обсуждаемые в Модуле 5.1 усилителей.

Дополняет серию 78xx серия 79, которая предлагает I.Cs. для обычно используемых отрицательных напряжений питания в том же диапазоне характеристик, что и серия 78, но с отрицательным выходным напряжением.

Рис. 2.3.2 Базовая схема блока питания с использованием линейного регулятора 7805 I.C.

Уменьшение пульсаций переменного тока

На рис. 2.3.2 показан регулятор серии I.C. и его связи.Обратите внимание, что C1 и C2 намного меньше, чем в источниках питания с дискретными компонентами. Большой накопительный конденсатор не требуется, так как регулирующее действие I.C. уменьшит амплитуду пульсаций переменного тока (в пределах максимального диапазона входного напряжения) до нескольких милливольт на выходе.

Обеспечение стабильности

C2 больше не является традиционным фильтрующим конденсатором, но предназначен для улучшения переходной характеристики, защиты от внезапных изменений в сети или условиях нагрузки e.г. скачки. Использование этих конденсаторов с указанными значениями будет поляризованного танталового типа и, хотя это не является строго обязательным для всех схем, рекомендуется для обеспечения максимальной стабильности, предотвращая любую тенденцию к ИС. колебаться. Они должны быть установлены как можно ближе к регулятору, а I.C. заземляющее соединение должно быть подключено к 0 В как можно физически ближе к заземлению нагрузки. Эти проблемы лучше всего решить, если регулятор I.C. используется в качестве регулятора «точки нагрузки», а не (или как) главный регулятор для всей системы электропитания.

Надежность

Применение линейного регулятора I.Cs. значительно повысил надежность источников питания, но поскольку эти ИС часто располагаются на подключаемых субпанелях с системой, существует опасность повреждения ИС регулятора. (а также к другим компонентам), если панели вставляются или удаляются, пока основной источник питания все еще находится под напряжением. Это может быть связано либо с тем, что система все еще подключена к электросети, либо потому, что конденсаторы основного источника питания не полностью разряжены.

Причина в том, что при отсоединении или подключении многоходовых разъемов нет гарантии, в каком порядке отдельные контакты подключаются или отключаются, и это может привести к неожиданному короткому замыканию или разомкнутой цепи, возникающим на мгновение во время процесса подключения или отключения.

Рис. 2.3.3 Защитный диод, используемый с 7805 и большими конденсаторами

Чтобы предотвратить такую ​​возможность, можно разработать несколько дополнительных мер безопасности вокруг схемы регулятора для защиты I.С.

В некоторых схемах электролитические конденсаторы могут использоваться для C1 и C2 в качестве альтернативы использованию танталовых или полиэфирных конденсаторов, но в этом случае использование емкости будет значительно больше, 25 мкФ или более. Однако в схемах, где C2 составляет 100 мкФ или более, существует вероятность того, что, если вход закорочен на землю, временно (или постоянно из-за неисправности) заряд на C2 вызовет протекание большого тока обратно в I.C. выходной терминал, повредив I.C. Чтобы предотвратить это, диод, такой как 1N4002, может быть подключен через I.C. как показано на рис. 2.3.3, так что, если в любой момент времени на входной клемме будет более низкий потенциал, чем на выходе, диод проведет любой заряд на выходной клемме на землю, вместо того, чтобы позволить току течь через I.C.

Рис. 2.3.4 Влияние разомкнутой цепи заземления на 7812 IC

Если коммутационная панель отключена, когда питание находится под напряжением, возможно, что заземление заземлено на I.C. может быть отключен на мгновение перед вводом, как показано на рис. 2.3.4. В таком случае выходная клемма может подняться до уровня напряжения нерегулируемого входа, что может вызвать повреждение компонентов, питаемых от регулятора. Также, если панель подключена к уже имеющемуся питанию, такая же ситуация с мгновенным размыканием цепи заземления, а затем повреждение I.C. похоже.

Поскольку регуляторы напряжения обычно питаются от основного источника питания, они могут быть восприимчивы к любым скачкам сетевого напряжения, а также к обратному току.м.ф. скачки напряжения от других частей схемы. Любые положительные всплески напряжения, превышающие максимально допустимое входное напряжение (около 35 В или 40 В), или любые отрицательные всплески выше -0,8 В, которые обладают достаточной энергией, чтобы вызвать протекание значительных токов, могут повредить ИС. Некоторая защита может быть обеспечена за счет использования конденсатора большой емкости на входной клемме и / или обеспечения минимизации вероятных причин переходных процессов за счет использования ограничителей переходных процессов на входе сети и предотвращения обратного тока.m.fs. как описано в модуле 3.2 теории переменного тока.

Двойные и отрицательные расходные материалы

I.C. могут также использоваться для обеспечения регулируемого отрицательного напряжения с помощью регуляторов серии LM79xx, доступных в том же диапазоне напряжений, что и серии 78xx, но с отрицательными выходами. Их можно использовать для регулирования шин отрицательного или двойного питания.

Назад к основам: ИС регуляторов напряжения, часть 1

Среди регуляторов самая простая схема — это стабилизатор напряжения с малым падением напряжения (LDO), топология которого показана на рис.1 . Как линейный регулятор напряжения, его основными компонентами являются проходной транзистор, усилитель ошибки, опорное напряжение и выходной МОП-транзистор. Один вход усилителя ошибки, установленный резисторами R1 и R2, контролирует процентное значение выходного напряжения. Другой вход — это стабильное опорное напряжение (VREF). Если выходное напряжение увеличивается относительно VREF, усилитель ошибки изменяет выход проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

Рис.1. Низкое падение напряжения и низкий ток покоя LDO делает его подходящим для портативных и беспроводных приложений.

Низкое падение напряжения относится к разнице между входным и выходным напряжениями, которая позволяет ИС регулировать выходное напряжение. То есть LDO регулирует выходное напряжение до тех пор, пока его вход и выход не сблизятся друг с другом при падении напряжения. В идеале падение напряжения должно быть как можно более низким, чтобы свести к минимуму рассеивание мощности и максимизировать эффективность.

Основным преимуществом LDO IC является ее относительно «тихая» работа, поскольку она не требует переключения. Напротив, импульсный регулятор обычно работает в диапазоне от 50 кГц до 1 МГц, что может создавать электромагнитные помехи, влияющие на аналоговые или радиочастотные цепи. LDO с внутренним силовым MOSFET или биполярным транзистором могут обеспечивать выходные сигналы в диапазоне от 50 до 500 мА. Низкое падение напряжения и низкий ток покоя LDO делает его подходящим для портативных и беспроводных приложений.

Падение напряжения стабилизатора LDO определяет наименьшее используемое входное напряжение питания.То есть, хотя спецификации могут указывать на широкий диапазон входного напряжения, входное напряжение должно быть больше, чем напряжение падения плюс выходное напряжение. Для LDO с выпадением 200 мВ входное напряжение должно быть выше 3,5 В, чтобы на выходе было 3,3 В.

При использовании LDO разница между входным и выходным напряжением может быть небольшой, а выходное напряжение должно строго регулироваться. Кроме того, переходная характеристика должна быть достаточно быстрой, чтобы выдерживать нагрузки, которые могут достигать значений от нуля до десятков ампер за наносекунды.Кроме того, выходное напряжение может изменяться из-за изменений входного напряжения, выходного тока нагрузки и температуры. В первую очередь, эти колебания выходного сигнала вызваны влиянием температуры на опорное напряжение LDO, усилитель ошибки и его резисторы выборки (R1 и R2).

Во многих приложениях линейные источники питания были заменены импульсными источниками. Показанный в Рис. 2 — типичный изолированный импульсный источник питания.

Рис.2. Импульсный источник питания включает и выключает входной постоянный ток, а затем выпрямляет его для получения выходного постоянного тока.

Один из широко используемых подходов использует время включения и выключения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления выходным напряжением переключателя мощности. Отношение времени включения к времени периода переключения — это рабочий цикл. Чем выше рабочий цикл, тем выше выходная мощность переключателя силового MOSFET. Фильтр нижних частот, подключенный к выходному трансформатору, обеспечивает напряжение, пропорциональное времени включения и выключения контроллера ШИМ.Во время работы часть выходного постоянного напряжения возвращается в усилитель ошибки, который заставляет компаратор управлять временем включения и выключения ШИМ. Если выходное напряжение изменяется, обратная связь регулирует рабочий цикл, чтобы поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне.

Для генерации сигнала ШИМ усилитель ошибки принимает входной сигнал обратной связи и стабильное опорное напряжение для создания выходного сигнала, соответствующего разнице двух входов. Компаратор сравнивает выходное напряжение усилителя ошибки с пилообразной характеристикой генератора, создавая модулированную ширину импульса.Выход компаратора подается на драйвер, выход которого идет на силовой полевой МОП-транзистор.

Выходной фильтр нижних частот индуктора-конденсатора преобразует коммутируемое напряжение переключающего трансформатора в постоянное напряжение. Фильтр не идеален, поэтому всегда есть некоторый остаточный выходной шум, называемый пульсацией. Величина пульсации зависит от эффективности фильтра нижних частот на частоте переключения. Частоты переключения источника питания могут находиться в диапазоне от 100 кГц до более 1 МГц. Более высокие частоты переключения позволяют использовать катушки индуктивности и конденсаторы меньшего номинала в выходном фильтре нижних частот.Однако более высокие частоты также могут увеличивать потери в силовых полупроводниках, что снижает эффективность источника питания.

Что касается рассеиваемой мощности, выключатель питания является ключевым компонентом импульсного источника питания. Переключатель обычно представляет собой силовой полевой МОП-транзистор, который работает только в двух состояниях — включенном и выключенном. В выключенном состоянии переключатель питания потребляет очень мало тока и рассеивает очень мало энергии. Во включенном состоянии переключатель питания потребляет максимальное количество тока, но его сопротивление во включенном состоянии невелико, поэтому в большинстве случаев его рассеиваемая мощность минимальна.При переходе из включенного состояния в выключенное и выключенного во включенное состояние переключатель питания проходит через свою линейную область, где он потребляет некоторую мощность. Таким образом, общие потери для переключателя мощности складываются из потерь во включенном и выключенном состояниях плюс потери при переходе через его линейную область.

ИС ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

ИС для импульсных источников питания бывают двух основных конфигураций: ИС преобразователя и ИС контроллера.

ИС преобразователя представляют собой полный преобразователь постоянного тока в постоянный в одном корпусе.Единственными необходимыми внешними компонентами обычно являются пассивные устройства. Переключатели питания могут быть либо биполярными, либо полевыми МОП-транзисторами, способными обрабатывать требуемый ток и мощность. Обычно силовой полупроводниковый переключатель включается и выключается с частотой от 100 кГц до 1 МГц, в зависимости от типа ИС. Большинство переключателей мощности используют широтно-импульсную модуляцию для управления выходным напряжением, поэтому рабочий цикл изменяется в соответствии с желаемым выходным напряжением.

Для ИС контроллера требуется внешний переключатель питания, либо биполярный транзистор, либо силовой полевой МОП-транзистор.Схема контроллера, в которой используется внешний переключатель питания, обычно имеет более высокий КПД, чем преобразователь со встроенным силовым полевым МОП-транзистором, поскольку интегрированные полевые МОП-транзисторы имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра.Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и меньшие значения компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной сигнал постоянного тока и вырабатывают постоянный ток на выходе. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу.Изолированный преобразователь ( Рис. 2 ) использует трансформатор для обеспечения изоляции между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи. Преимущество преобразователя на основе трансформатора заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких вторичных обмоток.

Первоначально в преобразователях с интегрированным переключателем мощности использовались биполярные переключатели питания, но практически во всех новых устройствах используются переключатели питания на полевых МОП-транзисторах, которые повышают эффективность.Еще одно повышение эффективности — использование интегрированных синхронных выпрямителей, состоящих из переключателей силовых полевых МОП-транзисторов, которые выпрямляют выход источника питания и обеспечивают выход постоянного тока.

Среди функций, имеющихся в ИС преобразователя и контроллера:

• Постоянное или регулируемое выходное напряжение

• Несимметричные или синхронные выходы

• Плавный пуск, обеспечивающий постепенное увеличение мощности

• Блокировка минимального напряжения

• Тепловое отключение

• Максимальная токовая защита

• Защита от перенапряжения

НАСОС НАСОС ICS

Зарядные насосы на самом деле представляют собой другую форму переключения питания.Они переключают конденсаторы, чтобы обеспечить преобразование постоянного напряжения, используя сеть переключателей для зарядки и разрядки одного или нескольких конденсаторов. Сеть переключателей переключает между состояниями заряда и разряда конденсаторов. Как показано в Рис. 3 , «летающий конденсатор» (C1) перемещает заряд, а «накопительный конденсатор» (C2) удерживает заряд и фильтрует выходное напряжение.

Рис. 3. Преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают с помощью индуктора или трансформатора.

В базовом насосе заряда отсутствует регулирование, которое обычно добавляется с использованием либо линейного регулирования, либо модуляции насоса заряда. Линейное регулирование обеспечивает наименьший выходной шум и, следовательно, лучшую производительность. Модуляция подкачки заряда обеспечивает больший выходной ток для данного размера (или стоимости) кристалла, потому что ИС регулятора не обязательно должна включать в себя транзистор с последовательным проходом.

Основным преимуществом зарядового насоса является устранение магнитных полей и электромагнитных помех, которые возникают с индуктором или трансформатором.Существует один возможный источник электромагнитных помех — высокий зарядный ток, который течет к «летающему конденсатору», когда он подключается к входному источнику или другому конденсатору с другим напряжением.

MOSFET, потому что интегрированные MOSFET имеют более высокое сопротивление в открытом состоянии (более высокие потери). Сопротивление во включенном состоянии внешнего силового MOSFET ниже, и MOST обычно имеет более высокую выходную мощность, чем IC со встроенным MOSFET.

И для преобразователя, и для ИС контроллера частота коммутации определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра.Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и меньшие значения компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

Преобразователи постоянного тока в постоянный принимают входной сигнал постоянного тока и вырабатывают постоянный ток на выходе. Они могут быть изолированными или неизолированными, в зависимости от того, есть ли прямой путь постоянного тока от входа к выходу.В изолированном преобразователе (рис. 2) используется трансформатор, обеспечивающий изоляцию между входным и выходным напряжением. В неизолированном преобразователе используется индукторно-конденсаторный фильтр, а оптопара обычно обеспечивает изоляцию между выходной обратной связью и входом. Для многих приложений подходят неизолированные преобразователи. Преимущество преобразователя на основе трансформатора заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений с использованием нескольких вторичных обмоток.

МНОГОКРАТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / РЕГУЛЯТОР ICS

ИС контроллеров с несколькими выходами состоят из двух или более регуляторов в одном корпусе.Это могут быть два импульсных преобразователя или два регулятора LDO.

Примером двойного импульсного регулятора является понижающий DC-DC преобразователь с двойным токовым режимом PWM с внутренними переключателями питания 2 А, эта ИС работает от входного напряжения от 3,6 В до 25 В, что позволяет регулировать широкий диапазон мощности. такие источники, как четырехэлементные батареи, логические шины 5 В, нерегулируемые настенные трансформаторы, свинцово-кислотные батареи и распределенные источники питания. Два регулятора имеют общую схему, включая источник входного сигнала, источник опорного напряжения и генератор, но в остальном они независимы.Их контур обратной связи контролирует пиковый ток в переключателе во время каждого цикла. Это управление в режиме тока улучшает динамику контура и обеспечивает ограничение тока от цикла к циклу.

Пример микросхемы стабилизатора напряжения с двумя выходами и малым падением напряжения имеет встроенные функции сброса, сброса при включении (POR) и стабилизации питания (PG). Дифференцированные функции, такие как точность, быстрая переходная характеристика, схема контроля (сброс при включении питания), вход ручного сброса и независимые функции включения, обеспечивают полное системное решение.Эти регуляторы напряжения имеют чрезвычайно низкий уровень шума на выходе без использования каких-либо дополнительных байпасных конденсаторов фильтра и разработаны для обеспечения быстрой переходной характеристики и обычно стабильны с конденсаторами с низким ESR.

Это семейство LDO также может иметь спящий режим; подача высокого сигнала на разрешающий вход отключает Регулятор 1 или Регулятор 2 соответственно. Перевод регуляторов в спящий режим снижает входной ток до TJ = 25 ° C. Каждый регулятор имеет внутренний разрядный транзистор для разрядки выходного конденсатора, когда регулятор выключен (отключен).

Микросхемы контроллеров с несколькими выходами также могут состоять из двух или более преобразователей накачки заряда в одном корпусе. Это могут быть контроллеры с внешними переключателями питания или регуляторы с внутренним переключателем питания. Одна из возможностей — это выход 5 В и выход 3,3 В для процессоров и логических приложений.

Например, типичные микросхемы контроллера накачки заряда с несколькими выходами могут понижать преобразователи постоянного тока в постоянный, которые производят два регулируемых регулируемых выхода из одного 2.Вход от 7 В до 5,5 В. В ИС используется дробное преобразование переключаемых конденсаторов для достижения типичного повышения эффективности на 50% по сравнению с линейным регулятором. Никаких индукторов не требуется.

ИС имеет два переключаемых насоса заряда конденсаторов для понижения VIN до двух регулируемых выходных напряжений. Два нагнетательных насоса работают со сдвигом по фазе на 180 °, чтобы уменьшить входную пульсацию. Регулирование достигается путем измерения каждого выходного напряжения через внешний резистивный делитель и модуляции выходного тока накачки заряда на основе сигнала ошибки.Двухфазный, неперекрывающийся тактовый сигнал активирует два зарядных насоса, запускающих их в противофазе друг от друга.

СИНХРОННАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ

КПД — важный критерий при разработке преобразователей постоянного тока, требующих малой мощности. Эти потери вызваны переключателем мощности, магнитными элементами и выходным выпрямителем. Для уменьшения потерь в переключателе мощности и магнитных потерь требуются компоненты, которые могут эффективно работать на высоких частотах переключения. Выходные выпрямители могут быть диодами Шоттки, но синхронное выпрямление ( рис.4 ), состоящие из силовых МОП-транзисторов, обеспечивают более высокий КПД.

Рис. 4. Синхронный выпрямитель более эффективен, чем выпрямитель на диоде Шоттки.

МОП-транзисторы демонстрируют более низкие потери прямой проводимости, чем диоды Шоттки. В отличие от обычных самокоммутирующихся диодов, полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются с помощью управляющего сигнала затвора, синхронизированного с работой преобразователя. Основным недостатком синхронного выпрямления является дополнительная сложность и стоимость, связанные с устройствами MOSFET и соответствующей управляющей электроникой.Однако при низких выходных напряжениях результирующее повышение эффективности более чем компенсирует недостаток стоимости в большинстве приложений.

ПРЕДСТОЯЩИЕ ТЕМЫ

Существуют и другие ключевые топологии регуляторов. В следующем месяце мы обсудим две основные топологии ИС, используемые в источниках питания постоянного тока: понижающий или понижающий преобразователь и повышающий или повышающий преобразователь. Топология Buck — это неизолированная конфигурация управления питанием, преимуществами которой являются простота и низкая стоимость. В повышающем преобразователе используется метод переключения, который вызывает нарастание тока в катушке индуктивности, а затем сохраняет полученное напряжение в выходном конденсаторе.Несколько циклов переключения создают напряжение выходного конденсатора, так что выходное напряжение выше входного.

Управление питанием, Глава 7: ИС регулятора напряжения

Практически во всех источниках питания используются полупроводники для обеспечения регулируемого выходного напряжения. Если источник питания имеет вход переменного тока, он выпрямляется до постоянного напряжения. ИС преобразователя мощности принимает входной сигнал постоянного тока и выдает выходной сигнал постоянного тока или управляет внешними полупроводниковыми переключателями выходной мощности для создания выходного постоянного тока.Это регулятор напряжения, когда его выходное напряжение возвращается в цепь, которая обеспечивает постоянство напряжения. Если выходное напряжение имеет тенденцию повышаться или понижаться, обратная связь заставляет выходное значение оставаться прежним.

Преобразователь мощности может работать как по импульсной, так и по линейной схеме. В линейной конфигурации управляющий транзистор всегда рассеивает мощность, которую можно минимизировать, используя стабилизаторы с малым падением напряжения (LDO), которые регулируют правильно даже при относительно низком перепаде напряжения между их входом и выходом.Микросхемы LDO имеют более простые схемы, чем их собратья с импульсным режимом, и производят меньше шума (без переключения), но ограничены своей способностью выдерживать ток и рассеивать мощность. Некоторые ИС LDO рассчитаны на ток около 200 мА, а другие могут выдерживать ток до 1 А.

КПД ИС LDO может составлять 40-60%, тогда как ИС в режиме переключения могут показывать КПД до 95%. Топологии с коммутационным режимом являются основным подходом для встроенных систем, но LDO также находят применение в некоторых приложениях.

Линейный регулятор с малым падением напряжения (LDO)

LDO обычно используются в системах, где требуется малошумящий источник питания вместо импульсного регулятора, который может нарушить работу системы.LDO также находят применение в приложениях, где регулятор должен поддерживать регулирование с небольшими различиями между входным напряжением питания и выходным напряжением нагрузки, например, в системах с батарейным питанием. Их низкое падение напряжения и низкий ток покоя делают их подходящими для портативных и беспроводных приложений. LDO со встроенным силовым полевым МОП-транзистором или биполярным транзистором обычно обеспечивают выходные сигналы в диапазоне от 50 до 500 мА.

Стабилизатор напряжения LDO работает в линейной области с топологией, показанной на рис.7-1. В качестве базового регулятора напряжения его основными компонентами являются последовательно проходной транзистор (биполярный транзистор или MOSFET), усилитель дифференциальной ошибки и точный источник опорного напряжения.

7-1. В базовом LDO один вход усилителя дифференциальной ошибки, установленный резисторами R1 и R2, контролирует процентное значение выходного напряжения. Другой вход усилителя ошибки — это стабильный источник опорного напряжения (V _REF ). Если выходное напряжение увеличивается относительно VREF, усилитель дифференциальной ошибки изменяет выход проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения нагрузки (V _OUT ).

Ключевыми рабочими факторами LDO являются его падение напряжения, коэффициент отклонения источника питания (PSRR) и выходной шум. Низкое падение напряжения относится к разнице между входным и выходным напряжениями, которая позволяет ИС регулировать выходное напряжение нагрузки. То есть LDO может регулировать выходное напряжение нагрузки до тех пор, пока его вход и выход не приблизятся друг к другу при падении напряжения. В идеале падение напряжения должно быть как можно более низким, чтобы свести к минимуму рассеивание мощности и максимизировать эффективность.Обычно считается, что падение напряжения достигается, когда выходное напряжение упало до 100 мВ ниже номинального значения. Ток нагрузки и температура проходного транзистора влияют на падение напряжения.

Внутренний источник опорного напряжения LDO представляет собой потенциальный источник шума, обычно выражаемый в микровольтах RMS в определенной полосе частот, например, 30 мкВ RMS в диапазоне от 1 до 100 кГц. Этот низкий уровень шума вызывает меньше проблем, чем переходные процессы переключения и гармоники импульсного преобразователя. На рис. 7-1 LDO имеет штырек байпаса (опорного напряжения) для фильтрации шума опорного напряжения с конденсатором относительно земли.Добавление входных, выходных и байпасных конденсаторов, указанных в таблице, обычно приводит к беспроблемному уровню шума.

Среди их эксплуатационных соображений — тип и диапазон приложенного входного напряжения, требуемое выходное напряжение, максимальный ток нагрузки, минимальное падение напряжения, ток покоя, рассеиваемая мощность и ток отключения.

Управление контуром компенсации частоты LDO с включением нагрузочного конденсатора снижает чувствительность к ESR конденсатора (эквивалентное последовательное сопротивление), что обеспечивает стабильный LDO с конденсаторами хорошего качества любого типа.Кроме того, выходной конденсатор должен располагаться как можно ближе к выходному.

Дополнительные функции в некоторых LDO:

• Вход разрешения, позволяющий внешнее управлять включением и выключением LDO.

• Плавный пуск, который ограничивает пусковой ток и контролирует время нарастания выходного напряжения при включении питания.

• Контакт байпаса, который позволяет внешнему конденсатору снижать шум опорного напряжения.

• Выходной сигнал ошибки, указывающий, выходит ли выход из регулирования.

• Тепловое отключение, при котором LDO отключается, если его температура превышает заданное значение.

• Защита от перегрузки по току (OCP), которая ограничивает выходной ток LDO и рассеиваемую мощность.

LT3042

LT3042 от Linear Technology — это линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO), в котором используется уникальная архитектура для минимизации шумовых эффектов и оптимизации подавления пульсаций источника питания (PSRR).

PSRR описывает, насколько хорошо схема отклоняет пульсации, введенные на ее входе.Пульсации могут быть вызваны либо входным источником питания, например пульсациями питания 50/60 Гц, пульсациями переключения от преобразователя постоянного / постоянного тока, либо пульсациями из-за совместного использования входного питания с другими цепями.

Для LDO PSRR является функцией регулируемой пульсации выходного напряжения по сравнению с пульсацией входного напряжения в заданном частотном диапазоне (обычно от 10 Гц до 1 МГц), выраженной в децибелах (дБ). Это может быть важным фактором, когда LDO питает аналоговые схемы, потому что низкий PSRR может позволить пульсации на выходе влиять на другие схемы.

с низким ESR и дополнительные конденсаторы обхода опорного напряжения улучшают характеристики PSRR. В аккумуляторных системах должны использоваться LDO, которые поддерживают высокий PSRR при низком напряжении аккумуляторной батареи.

LT3042, показанный на упрощенной схеме на рис. 7-2, представляет собой LDO, который снижает шум и увеличивает PSRR. Вместо опорного напряжения, используемого в большинстве традиционных линейных регуляторов, LT3042 использует опорный ток, который работает с типичным уровнем шумового тока 20 пА / √Гц (6nARMS в полосе частот от 10 Гц до 100 кГц).

7-2. LT3042 — это LDO-стабилизатор, в котором используется уникальная архитектура для минимизации шумовых эффектов и оптимизации подавления пульсаций источника питания (PSRR).

Источник тока сопровождается высокопроизводительным буфером напряжения Rail-to-Rail, что позволяет легко подключать его параллельно для дальнейшего снижения шума, увеличения выходного тока и распределения тепла на печатной плате. Параллельное подключение нескольких LT3042 дополнительно снижает уровень шума в √N раз, где N — количество параллельных цепей.

LT3080

Linear Technology является уникальным, 1.1A LDO, который можно подключить параллельно для увеличения выходного тока или распределения тепла в платах для поверхностного монтажа (рис. 7-3). Эта ИС выводит коллектор проходного транзистора, чтобы обеспечить работу с малым падением напряжения — до 350 мВ — при использовании с несколькими источниками питания. Функции защиты включают защиту от короткого замыкания и безопасную рабочую зону, а также тепловое отключение.

7-3. LT3080 может программировать выходное напряжение на любой уровень от нуля до 36 В.

Ключевой особенностью LT3080 является способность обеспечивать широкий диапазон выходного напряжения.Используя опорный ток через единственный резистор, выходное напряжение программируется на любой уровень от нуля до 36 В. Он стабилен с емкостью на выходе 2,2 мкФ и может использовать небольшие керамические конденсаторы, которые не требуют дополнительного ESR, в отличие от других регуляторов.

LT3080 особенно хорошо подходит для приложений, требующих нескольких рельсов. Его архитектура регулируется до нуля с помощью одного резистора, который обслуживает современные низковольтные цифровые ИС, а также обеспечивает простую параллельную работу и управление температурой без радиаторов.Регулировка выхода на «ноль» позволяет отключить схему с питанием, а когда вход предварительно отрегулирован — например, входной источник 5 В или 3,3 В — внешние резисторы могут помочь распределить тепло.

Прецизионный «0» внутренний источник тока TC 10 мкА подключается к неинвертирующему входу его операционного усилителя мощности, который обеспечивает низкоомный буферизованный выход для напряжения на неинвертирующем входе. Один резистор между неинвертирующим входом и землей устанавливает выходное напряжение; установка этого резистора на ноль дает нулевой выходной сигнал.Любое выходное напряжение может быть получено от нуля до максимума, определяемого входным источником питания.

Использование источника истинного тока позволяет регулятору демонстрировать усиление и частотную характеристику независимо от положительного входного импеданса. Старые регулируемые регуляторы изменяют усиление контура в зависимости от выходного напряжения и изменяют полосу пропускания при обходе регулировочного штифта. Для LT3080 коэффициент усиления контура не изменяется при изменении выходного напряжения или обходе. Регулировка выхода не фиксируется в процентах от выходного напряжения, а составляет фиксированную долю милливольт.Использование источника истинного тока позволяет обеспечить стабилизацию всего коэффициента усиления буферного усилителя, и никакое усиление не требуется для повышения опорного напряжения до более высокого выходного напряжения.

ИС может работать в двух режимах. Один из них — это трехконтактный режим, который соединяет управляющий контакт с входным контактом питания, что ограничивает его падение до 1,35 В. В качестве альтернативы вы можете подключить вывод «control» к более высокому напряжению, а вывод питания IN к более низкому напряжению, что приведет к падению напряжения 350 мВ на выводе IN и минимизации рассеиваемой мощности.Это позволяет источнику питания 1,1 А регулировать от 2,5VIN до 1,8VOUT или от 1,8VIN до 1,2VOUT с низким уровнем рассеивания.

Импульсные ИС

На рис. 7-4 показан упрощенный ШИМ-контроллер, используемый с импульсным преобразователем. Во время работы часть выходного постоянного напряжения возвращается в усилитель ошибки, который заставляет компаратор управлять временем включения и выключения ШИМ. На рис. 7-4 показано, как изменяется ширина импульса ШИМ для разных процентов времени включения и выключения. Чем больше время включения, тем выше выпрямленное выходное напряжение постоянного тока.Регулировка выходного напряжения сохраняется, если выходной сигнал, отфильтрованный силовым полевым МОП-транзистором, имеет тенденцию к изменению, если это происходит, обратная связь регулирует рабочий цикл ШИМ, чтобы поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне.

7-4. Контроллер PWM генерирует прямоугольные волны разной ширины в зависимости от обратной связи по выходному напряжению.

Для генерации сигнала ШИМ усилитель ошибки принимает входной сигнал обратной связи и стабильное опорное напряжение для создания выходного сигнала, связанного с разностью двух входов.Компаратор сравнивает выходное напряжение усилителя ошибки с пилообразной характеристикой генератора, создавая модулированную ширину импульса. Выход компаратора применяется к логической схеме переключения, выход которой поступает на выходной драйвер для внешнего силового полевого МОП-транзистора. Логика переключения обеспечивает возможность включения или отключения сигнала ШИМ, подаваемого на силовой полевой МОП-транзистор.

Большинство микросхем ШИМ-контроллеров обеспечивают токоограничивающую защиту, измеряя выходной ток. Если вход считывания тока превышает определенный порог, он завершает текущий цикл (поцикловое ограничение тока).

Компоновка схемы имеет решающее значение при использовании резистора считывания тока, который должен быть типа с низкой индуктивностью. Расположите конденсатор фильтра считывания тока очень близко и подключите непосредственно к выводу PWM IC. Кроме того, все чувствительные к шуму соединения маломощного заземления должны быть соединены вместе рядом с GND IC, а одно соединение должно быть выполнено с заземлением питания (точка заземления сенсорного резистора).

В большинстве микросхем ШИМ-контроллеров частоту генератора задает один внешний резистор или конденсатор.Чтобы установить желаемую частоту генератора, используйте уравнение в таблице данных контроллера для расчета номинала резистора.

Некоторые преобразователи ШИМ включают возможность синхронизации генератора с внешними часами с частотой, которая либо выше, либо ниже частоты внутреннего генератора. Если нет необходимости в синхронизации, подключите вывод синхронизации к GND, чтобы предотвратить шумовые помехи.

Поскольку ИС ШИМ является частью цепи обратной связи, вход усилителя ошибки должен использовать схему частотной компенсации для обеспечения стабильности системы.

Типичный преобразователь мощности принимает входной сигнал постоянного тока, преобразует его в частоту переключения, а затем выпрямляет его для получения выходного постоянного тока. Часть его выхода постоянного тока сравнивается с опорным напряжением (V _REF ) и управляет ШИМ. Если выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению, напряжение, подаваемое обратно в схему ШИМ, снижает ее рабочий цикл, в результате чего ее выходное напряжение уменьшается и поддерживается надлежащее регулируемое напряжение. И наоборот, если выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, обратная связь приводит к увеличению рабочего цикла переключателя мощности, поддерживая регулируемый выход при надлежащем напряжении.

Обычно силовой полупроводниковый переключатель включается и выключается с частотой от 100 кГц до 1 МГц, в зависимости от типа ИС. Частота переключения определяет физический размер и стоимость катушек индуктивности, конденсаторов и трансформаторов фильтра. Чем выше частота переключения, тем меньше физический размер и стоимость компонентов. Чтобы оптимизировать эффективность, материал магнитопровода для индуктора и трансформатора должен соответствовать частоте переключения. То есть материал сердечника трансформатора / катушки индуктивности следует выбирать таким образом, чтобы он эффективно работал на частоте переключения.

На рис. 7-5 показана упрощенная схема импульсного регулятора напряжения. Для импульсных преобразователей постоянного и постоянного тока требуется средство для изменения выходного напряжения в ответ на изменения нагрузки. Один из подходов заключается в использовании широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая управляет входом в соответствующий переключатель питания. Сигнал ШИМ состоит из двух значений: ВКЛ и ВЫКЛ. Фильтр нижних частот, подключенный к выходу переключателя питания, обеспечивает напряжение, пропорциональное времени включения и выключения контроллера ШИМ.

7-5. Импульсный преобразователь использует широтно-импульсный модулятор для управления регулированием

Существует два типа импульсных преобразователей: изолированные и неизолированные, что зависит от наличия прямого пути постоянного тока от входа к выходу. В изолированном преобразователе используется трансформатор, обеспечивающий изоляцию между входным и выходным напряжением (рис. 7-6).

7-6. Изолированный импульсный преобразователь использует трансформатор для изоляции.

В неизолированном преобразователе обычно используется индуктор, и между входом и выходом нет развязки по напряжению (рис. 7-7). Для подавляющего большинства приложений подходят неизолированные преобразователи. Однако в некоторых приложениях требуется изоляция между входным и выходным напряжениями. Преимущество преобразователя на основе трансформатора заключается в том, что он может легко создавать несколько выходных напряжений, тогда как преобразователь на основе индуктора обеспечивает только один выход.

7-7.Неизолированный импульсный преобразователь.

Топологии цепей

В преобразователях питания постоянного тока используются две основные топологии ИС. Если выходное напряжение ниже входного напряжения, ИС называется понижающим преобразователем. Если выходное напряжение выше входного напряжения, ИС называется повышающим преобразователем.

В своей базовой схеме (рис. 7-8) понижающий стабилизатор принимает входной сигнал постоянного тока, преобразует его в частоту переключения ШИМ (широтно-импульсный модулятор), которая управляет выходным сигналом силового полевого МОП-транзистора (Q1).Внешний выпрямитель, катушка индуктивности и выходной конденсатор создают регулируемый выход постоянного тока. Стабилизатор IC сравнивает часть выпрямленного выходного напряжения постоянного тока с опорным напряжением (V _REF ) и изменяет рабочий цикл ШИМ для поддержания постоянного выходного напряжения постоянного тока. Если выходное напряжение имеет тенденцию к увеличению, ШИМ сокращает свой рабочий цикл, вызывая уменьшение выходного сигнала и поддержание регулируемого выходного сигнала при надлежащем напряжении. И наоборот, если выходное напряжение имеет тенденцию к снижению, обратная связь заставляет рабочий цикл ШИМ увеличиваться и поддерживать регулируемый выход.

7.8. Базовый понижающий преобразователь; индуктор всегда «противостоит» входному напряжению.

Топология понижающего или понижающего регулятора имеет преимущества простоты и низкой стоимости. Однако он имеет ограниченный диапазон мощности, и его прямой путь постоянного тока от входа к выходу может создать проблему, если есть закороченный переключатель питания.

LT8602

LT8602 от Linear Technology представляет собой монолитный понижающий импульсный стабилизатор постоянной частоты, работающий по току, с четырьмя выходными каналами (рис.7-9). Два канала — это каналы высокого напряжения с входом от 3 до 42 В, а два других — каналы низкого напряжения с входом от 2,6 до 5,5 В.

7-9. Четырехканальный понижающий преобразователь LT8602 имеет два канала высокого напряжения с входом от 3 до 42 В, а два других — каналы низкого напряжения с входом от 2,6 до 5,5 В.

В ИС используется один генератор, который генерирует два тактовых сигнала (CLK) на 180 градусов. не в фазе. Каналы 1 и 3 работают с CLK1, а каналы 2 и 4 работают с CLK2.Понижающий стабилизатор потребляет входной ток только во время верхнего цикла включения, поэтому многофазный режим снижает пиковый входной ток и удваивает частоту входного тока. Это снижает как пульсации входного тока, так и требуемую входную емкость.

Каждый канал высокого напряжения (HV) представляет собой синхронный понижающий стабилизатор, который работает от своего собственного вывода PVIN. Внутренний полевой МОП-транзистор с максимальной мощностью включается в начале каждого цикла генератора и выключается, когда ток, протекающий через верхний МОП-транзистор, достигает уровня, определяемого его усилителем ошибки.Усилитель ошибки измеряет выходное напряжение через внешний резистивный делитель, подключенный к выводу FB, для управления пиковым током в верхнем переключателе.

Пока верхний полевой МОП-транзистор выключен, нижний полевой МОП-транзистор включен на оставшуюся часть цикла генератора или до тех пор, пока ток в катушке индуктивности не начнет реверсировать. Если в результате перегрузки через нижний переключатель протекает ток более 2 А (канал 1) или 3,3 А (канал 2), следующий тактовый цикл будет отложен до тех пор, пока ток переключения не вернется к более низкому безопасному уровню.

Высоковольтные каналы имеют входы Track / Soft-Start (TRKSS1, TRKSS2). Когда на этом выводе ниже 1 В, преобразователь регулирует вывод FB на напряжение TRKSS вместо внутреннего опорного напряжения. Вывод TRKSS имеет подтягивающий ток 2,4 мкА. Вывод TRKSS также можно использовать, чтобы позволить выходу отслеживать другой регулятор, либо другой канал высокого напряжения, либо внешний регулятор.

Как показано на упрощенной схеме индуктивно-повышающего преобразователя постоянного тока (рис. 7-10), включение силового полевого МОП-транзистора вызывает нарастание тока через катушку индуктивности.При выключении силового МОП-транзистора ток через диод направляется к выходному конденсатору. Несколько циклов переключения создают напряжение выходного конденсатора из-за заряда, который он накапливает от тока катушки индуктивности. В результате выходное напряжение выше входного.

7-10. Базовый неизолированный импульсный индуктивно-повышающий преобразователь постоянного тока.

LTC3124

Типичная прикладная схема LTC3124 компании Linear Technology, показанная на рис. 7-11, использует внешний резистивный делитель напряжения от VOUT до FB и до SGND для программирования выхода из 2.От 5 до 15 В. При настройке на выход 12 В он может непрерывно выдавать до 1,5 А от входа 5 В. Ограничение по току 2,5 А на фазу, а также возможность программирования выходного напряжения до 15 В делают его пригодным для различных приложений.

7-11. В прикладной схеме LTC3124 используется внешний резистивный делитель напряжения от VOUT до FB и до SGND для программирования выхода от 2,5 до 15 В.

Использование двух фаз, расположенных на равном расстоянии 180 град. кроме того, удваивает частоту пульсаций на выходе и значительно снижает ток пульсаций выходного конденсатора.Хотя для этой архитектуры требуются две катушки индуктивности, а не одна, она имеет несколько важных преимуществ:

• Существенно более низкий пиковый ток индуктивности позволяет использовать индукторы меньшего размера и по более низкой цене.

• Значительно сниженный выходной ток пульсации сводит к минимуму требования к выходной емкости.

• Более высокочастотные пульсации на выходе легче отфильтровать для приложений с низким уровнем шума.

• Входной ток пульсации также снижен для снижения шума VIN.

При двухфазном режиме работы одна фаза всегда подает ток на нагрузку, если VIN больше половины VOUT (для рабочих циклов менее 50%).По мере дальнейшего уменьшения рабочего цикла, ток нагрузки между двумя фазами начинает перекрываться, происходя одновременно для растущей части каждой фазы по мере того, как рабочий цикл приближается к нулю. По сравнению с однофазным преобразователем, это значительно снижает как выходной ток пульсации, так и пиковый ток в каждой катушке индуктивности.

LTC3124 обеспечивает преимущество для систем с батарейным питанием, он может запускаться от входов с низким напряжением 1,8 В и продолжать работать от входов с низким уровнем напряжения 0.5 В при выходном напряжении более 2,5 В. Это увеличивает время работы за счет максимального увеличения количества энергии, извлекаемой из входного источника. Ограничивающими факторами для приложения являются способность источника питания обеспечивать достаточную мощность на выходе при низком входном напряжении и максимальный рабочий цикл, который ограничен 94%. При низких входных напряжениях небольшие падения напряжения из-за последовательного сопротивления становятся критическими и ограничивают подачу мощности преобразователем.

Даже если входное напряжение превышает выходное напряжение, ИС будет регулировать выход, обеспечивая совместимость с любым типом батарей.LTC3124 — идеальное решение для повышающих приложений, требующих выходного напряжения до 15 В, где определяющими факторами являются высокая эффективность, небольшие размеры и высокая надежность.

LTC3110

LTC3110 от Linear Technology представляет собой комбинацию понижающе-повышающего регулятора / зарядного устройства постоянного / постоянного тока на 2 А с выбираемыми контактами режимами работы для зарядки и резервного питания системы (рис. 7-12). Это двунаправленное зарядное устройство суперконденсатора с программируемым входным током и понижающим / повышающим током обеспечивает активную балансировку заряда для суперконденсаторов 1-й или 2-й серии.Его запатентованная топология понижающего-повышающего шума с низким уровнем шума выполняет работу двух отдельных импульсных регуляторов, экономя размер, стоимость и сложность.

7-12. LTC3110 представляет собой комбинацию понижающе-повышающего регулятора / зарядного устройства постоянного / постоянного тока на 2 А с выбираемыми контактами режимами работы для зарядки и резервного питания системы.

Двунаправленный относится к потоку постоянного тока, связанному с VSYS, выводом источника питания для резервного выходного напряжения системы и входного напряжения зарядного тока. В одном направлении LTC3110 работает как понижающий-повышающий стабилизатор, снимая ток с суперконденсатора и обеспечивая регулируемое напряжение на нагрузке на выводе VSYS.В другом направлении знак тока меняется на противоположный, и точно ограниченный ток течет от системной шины обратно, чтобы зарядить суперконденсатор. Если VSYS падает из-за потери мощности, он может автономно переключать направление для стабилизации напряжения системы, подавая ток от суперконденсатора в VSYS.

LTC3110 имеет диапазоны напряжения конденсатора / батареи от 0,1 до 5,5 В и резервного напряжения системы от 1,8 до 5,25 В, что делает его подходящим для широкого спектра приложений резервного копирования с использованием суперконденсаторов или батарей, например:

• Он объединяет все функции, необходимые для использования преимуществ суперконденсаторов, зарядки, балансировки и резервного копирования.

• Ограничение входного тока с точностью ± 2% исключает использование внешних компонентов, снижает IQ и позволяет использовать все возможности источника питания без превышения пределов безопасности.

• Распределение входной мощности позволяет LTC3110 и другим преобразователям постоянного / постоянного тока или нагрузкам использовать один и тот же источник питания с минимальным снижением номинальных характеристик / запасом.

• Активный балансировщик синхронно перемещает заряд между конденсаторами, устраняя внешние балластные резисторы и их потери мощности, что приводит к меньшему количеству циклов перезарядки и более быстрой зарядке.

• Он может автономно переходить из режима зарядки в резервный или переключать режимы на основе внешней команды.

На рис. 7-13 ШИМ-регулятор включает и выключает полевой МОП-транзистор. Без обратной связи рабочий цикл ШИМ определяет выходное напряжение, которое в два раза больше входного для 50% рабочего цикла. Увеличение напряжения в два раза приводит к тому, что входной ток в два раза превышает выходной ток. В реальной схеме с потерями входной ток немного выше.

7-13.Базовый прямой преобразователь может работать как повышающий или понижающий преобразователь. Теоретически он должен использовать «идеальный» трансформатор без потоков утечки, нулевого тока намагничивания и потерь.

Его преимущества — простота, низкая стоимость и возможность увеличения мощности без использования трансформатора. Недостатками являются ограниченный диапазон мощности и относительно высокая пульсация на выходе из-за нерабочего времени, исходящего от выходного конденсатора.

Выбор индуктора является важной частью этой схемы повышения, потому что значение индуктивности влияет на входные и выходные пульсации напряжения и токи.Индуктор с низким последовательным сопротивлением обеспечивает оптимальную эффективность преобразования энергии. Выберите номинальный ток насыщения катушки индуктивности так, чтобы он был выше установившегося пикового тока катушки индуктивности в приложении.

Для обеспечения стабильности для рабочих циклов выше 50% для индуктора требуется минимальное значение, определяемое минимальным входным напряжением и максимальным выходным напряжением. Это зависит от частоты переключения, рабочего цикла и сопротивления открытого МОП-транзистора.

Топология прямого преобразователя (рис.7-13) представляет собой изолированную версию понижающего преобразователя. Использование трансформатора позволяет прямому преобразователю быть либо повышающим, либо понижающим преобразователем, хотя наиболее распространенным применением является понижающий преобразователь. Основными преимуществами прямой топологии являются ее простота и гибкость.

Другая топология с трансформаторной изоляцией, упрощенный обратноходовой преобразователь (рис. 7-14), работает в режиме непрямого преобразования. Топология Flyback — одно из наиболее распространенных и экономичных средств для генерирования умеренного уровня изолированного питания в преобразователях переменного тока в постоянный.Он обладает большей гибкостью, поскольку может легко генерировать несколько выходных напряжений путем добавления дополнительных вторичных обмоток трансформатора. Недостатком является то, что регулирование и пульсации на выходе не так жестко контролируются, как в некоторых других топологиях, и нагрузки на выключатель питания выше.

7-14. Трансформатор базового обратноходового преобразователя обычно имеет воздушный зазор, что позволяет ему накапливать энергию во время работы и передавать энергию диоду во время простоя.

LT3798

Linear Technology представляет собой изолированный контроллер обратного хода с одноступенчатой ​​активной коррекцией коэффициента мощности (PFC). Эффективность более 86% может быть достигнута при уровне выходной мощности до 100 Вт. В зависимости от выбора внешних компонентов, он может работать в диапазоне входных напряжений от 90 до 277 В переменного тока и может легко увеличиваться или уменьшаться. Кроме того, LT3798 может использоваться в приложениях с высоким входным напряжением постоянного тока, что делает его пригодным для использования в промышленности, электромобилях и сверхвысоких напряжениях, в горнодобывающей промышленности и медицине.

На Рис. 7-15 показано типичное приложение для LT3798. Эта ИС представляет собой контроллер переключения режима тока, специально предназначенный для создания источника постоянного тока / постоянного напряжения с изолированной обратноходовой топологией. Для поддержания регулирования в этой топологии обычно используется обратная связь по выходному напряжению и току от изолированной вторичной обмотки выходного трансформатора до VIN. Обычно для этого требуется оптоизолятор. Вместо этого LT3798 использует пиковый ток внешнего полевого МОП-транзистора, полученный из считывающего резистора, для определения выходного тока обратноходового преобразователя без использования оптопары.

7-15. Контроллер обратного хода LT3798 с одноступенчатой ​​активной коррекцией коэффициента мощности (PFC).

Как показано на рис. 7-15, выходной трансформатор имеет три обмотки, включая выходную. Сток внешнего полевого МОП-транзистора подключается к одной из первичных обмоток. Третья обмотка трансформатора определяет выходное напряжение, а также подает питание для установившегося режима работы. Вывод VIN подает питание на внутренний LDO, который генерирует 10 В на выводе INTVCC. Схема внутреннего управления состоит из двух усилителей ошибок, схемы минимума, умножителя, передаточного затвора, компаратора тока, генератора низкого выходного тока и главной защелки.Кроме того, схема выборки и хранения контролирует выходное напряжение третьей обмотки. Компаратор обнаруживает режим прерывистой проводимости (DCM) с конденсатором и последовательным резистором, подключенными к третьей обмотке.

Во время типичного цикла драйвер затвора включает внешний полевой МОП-транзистор, так что ток течет в первичной обмотке. Этот ток увеличивается со скоростью, пропорциональной входному напряжению и обратно пропорциональной индуктивности намагничивания трансформатора. Контур управления определяет максимальный ток, и компаратор выключает переключатель, когда он достигает этого тока.Когда переключатель выключается, энергия трансформатора вытекает из вторичной обмотки через выходной диод D1. Этот ток уменьшается со скоростью, пропорциональной выходному напряжению. Когда ток уменьшается до нуля, выходной диод выключается, и напряжение на вторичной обмотке начинает колебаться в зависимости от паразитной емкости и намагничивающей индуктивности трансформатора.

Напряжение на всех обмотках одинаковое, поэтому и третья обмотка звонит. Конденсатор, подключенный к выводу DCM, отключает компаратор, который служит детектором du / dt при возникновении звонка.Эта временная информация используется для расчета выходного тока. Детектор du / dt ожидает, пока сигнал вызывного сигнала достигнет своего минимального значения, а затем включается переключатель. Такое переключение аналогично переключению при нулевом напряжении и сводит к минимуму потери энергии при включении переключателя, повышая эффективность до 5%. Эта ИС работает на границе непрерывного и прерывистого режимов проводимости, что называется критическим режимом проводимости (или граничным режимом проводимости). Работа в режиме критической проводимости позволяет использовать трансформатор меньшего размера, чем конструкции, работающие в режиме постоянной проводимости.

SEPIC

Несимметричный преобразователь первичной индуктивности (SEPIC) представляет собой топологию преобразователя постоянного / постоянного тока, который обеспечивает положительное регулируемое выходное напряжение от входного напряжения, которое изменяется сверху вниз от выходного напряжения. В упрощенном преобразователе SEPIC, показанном на рис. 7-16, используются две катушки индуктивности, L1 и L2, которые могут быть намотаны на один и тот же сердечник, поскольку на протяжении всего цикла переключения к ним прикладываются одинаковые напряжения. Использование спаренного дросселя занимает меньше места на ПК. плата и, как правило, дешевле, чем два отдельных индуктора.Конденсатор C4 изолирует вход от выхода и обеспечивает защиту от короткого замыкания нагрузки.

7-16. Две катушки индуктивности в базовом преобразователе SEPIC могут быть намотаны на один и тот же сердечник, поскольку в течение всего цикла переключения к ним прикладываются одинаковые напряжения.

ИС регулирует выход с помощью ШИМ-управления в текущем режиме, которое включает силовой полевой МОП-транзистор Q1 в начале каждого цикла переключения. Входное напряжение подается на катушку индуктивности и сохраняет энергию по мере нарастания тока в катушке индуктивности.Во время этой части цикла переключения ток нагрузки обеспечивается выходным конденсатором. Когда ток катушки индуктивности повышается до порога, установленного выходом усилителя ошибки, выключатель питания выключается, и внешний диод Шоттки смещается в прямом направлении. Катушка индуктивности передает накопленную энергию для пополнения выходного конденсатора и подачи тока нагрузки. Эта операция повторяется в каждом цикле переключения. Рабочий цикл преобразователя определяется компаратором управления ШИМ, который сравнивает выходной сигнал усилителя ошибки и текущий сигнал.

К линейному нарастанию тока добавляется линейный сигнал генератора. Эта компенсация наклона предназначена для предотвращения субгармонических колебаний, которые присущи управлению режимом тока при скважности выше 50%. Контур обратной связи регулирует вывод FB до опорного напряжения через усилитель ошибки. Выход усилителя ошибки подключен к выводу COMP. К выводу COMP подключена внешняя RC-компенсационная цепь для оптимизации контура обратной связи для обеспечения стабильности и переходной характеристики.

TPS61170

TPS61170 — это монолитный высоковольтный импульсный стабилизатор от Texas Instruments со встроенным силовым полевым МОП-транзистором 1,2 А, 40 В. Устройство может быть сконфигурировано в нескольких стандартных топологиях регулятора, включая повышающий и SEPIC. На рис. 7-17 показана конфигурация SEPIC. Устройство имеет широкий диапазон входного напряжения для поддержки приложений с входным напряжением от батарей или регулируемых шин питания 5 В, 12 В.

7-17. TPS61170 сконфигурирован как преобразователь SEPIC.

В ИС встроен полевой транзистор нижнего уровня на 40 В для обеспечения выходного напряжения до 38 В. Устройство регулирует выход с помощью токового режима управления ШИМ (широтно-импульсной модуляцией). Частота переключения ШИМ составляет 1,2 МГц (типовая). Схема управления ШИМ включает переключатель в начале каждого цикла переключения. Входное напряжение подается на катушку индуктивности и сохраняет энергию по мере нарастания тока в катушке индуктивности. Во время этой части цикла переключения ток нагрузки обеспечивается выходным конденсатором.Когда ток катушки индуктивности повышается до порога, установленного выходом усилителя ошибки, выключатель питания выключается, и внешний диод Шоттки смещается в прямом направлении. Катушка индуктивности передает накопленную энергию для пополнения выходного конденсатора и подачи тока нагрузки. Эта операция повторяет каждый цикл переключения. Как показано на блок-схеме, рабочий цикл преобразователя определяется компаратором управления ШИМ, который сравнивает выходной сигнал усилителя ошибки и текущий сигнал.

TPS61170 работает на 1.Частота коммутации 2 МГц, что позволяет использовать низкопрофильные катушки индуктивности и недорогие керамические входные и выходные конденсаторы. Он имеет встроенную защиту, включая ограничение по току, плавный пуск и тепловое отключение.

Гистерезисный преобразователь

Базовый гистерезисный регулятор, показанный на рис. 7-18, представляет собой тип импульсного регулятора, в котором не используется ШИМ. Он состоит из компаратора с входным гистерезисом, который сравнивает выходное напряжение обратной связи с опорным напряжением. Когда напряжение обратной связи превышает опорное напряжение, выходной сигнал компаратора становится низким, отключая понижающий переключатель MOSFET.Переключатель остается выключенным до тех пор, пока напряжение обратной связи не упадет ниже опорного напряжения гистерезиса. Затем на выходе компаратора устанавливается высокий уровень, включается переключатель и снова повышается выходное напряжение.

7-18. Базовый гистерезисный регулятор представляет собой самый быстрый способ управления преобразователем постоянного тока.

Базовый гистерезисный преобразователь состоит из компаратора ошибок, управляющей логики и внутреннего задания. Выход обычно управляет синхронным выпрямителем, который может быть внутренним или внешним.Часть выходного напряжения возвращается в компаратор ошибок, который сравнивает его с опорным напряжением. Если выходное напряжение стремится к низкому уровню относительно опорного напряжения, выходной конденсатор заряжается до тех пор, пока не достигнет равновесия с опорным напряжением. Затем компаратор включает синхронный выпрямитель. Когда синхронный выпрямитель включен, выходное напряжение падает достаточно низко, чтобы преодолеть гистерезис компаратора, после чего синхронный выпрямитель отключается, начиная новый цикл.

В гистерезисном регуляторе нет усилителя ошибки напряжения, поэтому его реакция на любое изменение тока нагрузки или входного напряжения практически мгновенно. Следовательно, гистерезисный регулятор представляет собой самый быстрый способ управления преобразователем постоянного тока. Недостатком обычного гистерезисного регулятора является то, что его частота изменяется пропорционально ESR выходного конденсатора. Поскольку начальное значение часто плохо контролируется, а ESR электролитических конденсаторов также изменяется с температурой и возрастом, практические изменения ESR могут легко привести к изменениям частоты порядка одного-трех.Однако существует модификация гистерезисной топологии, которая устраняет зависимость рабочей частоты от ESR.

LM3475

LM3475 — это понижающий (понижающий) контроллер постоянного тока, в котором используется гистерезисная архитектура управления, которая обеспечивает регулирование с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) (рис. 7-19). Схема гистерезисного управления не использует внутренний генератор. Частота переключения зависит от внешних компонентов и условий эксплуатации. Рабочая частота снижается при малых нагрузках, что обеспечивает превосходную эффективность по сравнению с архитектурами с ШИМ.Поскольку переключение напрямую контролируется выходными условиями, гистерезисное управление обеспечивает исключительную переходную характеристику нагрузки.

7-19. LM3475 — это понижающий (понижающий) контроллер постоянного и переменного тока, использующий гистерезисную архитектуру управления, которая обеспечивает регулирование с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ).

LM3475 использует контур управления напряжением на основе компаратора. Напряжение на выводе обратной связи сравнивается с опорным напряжением 0,8 В с гистерезисом 21 мВ. Когда входное напряжение FB компаратора падает ниже опорного напряжения, выход компаратора становится низким.Это приводит к тому, что выходной сигнал драйвера PGATE переводит затвор PFET в низкий уровень и включает PFET.

При включенном PFET входной источник питания заряжает COUT и подает ток на нагрузку через PFET и катушку индуктивности. Ток через катушку индуктивности линейно нарастает, а выходное напряжение увеличивается. Когда напряжение FB достигает верхнего порога (опорное напряжение плюс гистерезис), выход компаратора становится высоким, и PGATE выключает PFET. Когда PFET выключается, загорается диод, и ток через катушку индуктивности падает.Когда выходное напряжение падает ниже опорного напряжения, цикл повторяется.

Преобразователь Cuk

Преобразователь Cuk — это преобразователь постоянного тока, величина выходного напряжения которого может быть больше или меньше входного напряжения. По сути, это повышающий преобразователь, за которым следует понижающий преобразователь с конденсатором для передачи энергии. Это инвертирующий преобразователь, поэтому выходное напряжение отрицательно по отношению к входному. Неизолированный преобразователь Cuk может иметь только противоположную полярность между входом и выходом.Он использует конденсатор в качестве основного элемента накопления энергии, в отличие от большинства других типов преобразователей, в которых используется катушка индуктивности.

Как и другие преобразователи (понижающий преобразователь, повышающий преобразователь, понижающий-повышающий преобразователь), преобразователь Cuk может работать в режиме непрерывного или прерывистого тока. Однако, в отличие от этих преобразователей, он также может работать в режиме прерывистого напряжения (напряжение на конденсаторе падает до нуля во время цикла коммутации).

LM2611 от Texas Instruments — это преобразователь Cuk, который состоит из контроллера режима тока со встроенным первичным переключателем и встроенной схемой измерения тока (рис.7-20). Обратная связь подключена к усилителю внутренней ошибки и использует внутреннюю компенсацию типа II / III. Генератор рампы обеспечивает некоторую компенсацию наклона системе. Вывод SHDN — это логический вход, предназначенный для отключения преобразователя.

7-20. LM2611 сконфигурирован как преобразователь Cuk

А, LM2611 имеет опорное напряжение -1,23 В, что делает его идеальным для использования в преобразователе Cuk. Преобразователь Cuk инвертирует вход и может повышать или понижать абсолютное значение.Используя катушки индуктивности как на входе, так и на выходе, преобразователь Cuk производит очень небольшие колебания входного и выходного тока. Это значительное преимущество по сравнению с другими инвертирующими топологиями, такими как повышенно-понижающий и обратный.

Многофазный преобразователь

По мере увеличения требований к току возрастает и потребность в увеличении количества фаз в преобразователе. Однофазные понижающие контроллеры подходят для низковольтных устройств с токами примерно до 25 А, однако рассеивание мощности и эффективность являются проблемой при более высоких токах.Одним из подходов к более высоким токовым нагрузкам является многофазный понижающий контроллер. Их производительность делает их идеальными для питания персональной электроники, портативных промышленных устройств, твердотельных накопителей, приложений с малыми ячейками, ПЛИС и микропроцессоров.

Двухфазная схема, показанная на рис. 7-21, имеет чередование фаз, что снижает токи пульсаций на входе и выходе. Это также уменьшает количество горячих точек на печатной плате или отдельном компоненте. Двухфазный понижающий преобразователь вдвое снижает рассеиваемую мощность тока RMS в полевых МОП-транзисторах и катушках индуктивности.Перемежение также снижает переходные потери.

7-21. Базовый многофазный преобразователь имеет две чередующиеся фазы, что снижает токи пульсаций на входе и выходе.

Многофазные элементы работают на общей частоте, но сдвинуты по фазе, так что переключение преобразования происходит через равные промежутки времени, управляемое общим управляющим чипом. Микросхема управления смещает время переключения каждого преобразователя таким образом, чтобы фазовый угол между переключениями преобразователя составлял 360 градусов./ n, где n — количество фаз преобразователя. Выходы преобразователей параллельны, так что эффективная частота пульсаций на выходе равна n × f, где f — рабочая частота каждого преобразователя. Это обеспечивает лучшие динамические характеристики и значительно меньшую развязывающую емкость по сравнению с однофазной системой.

Разделение тока между многофазными ячейками необходимо, чтобы не потреблять слишком много тока. В идеале каждая многофазная ячейка должна потреблять одинаковое количество тока.Чтобы добиться равного распределения тока, необходимо контролировать и контролировать выходной ток для каждой ячейки.

Многофазный подход также предлагает преимущества упаковки. Каждый преобразователь выдает 1 / n от общей выходной мощности, уменьшая физический размер и величину магнитных полей, используемых в каждой фазе. Кроме того, силовые полупроводники в каждой фазе должны обрабатывать только 1 / n общей мощности. Это распределяет внутреннее рассеивание мощности между несколькими силовыми устройствами, устраняя концентрированные источники тепла и, возможно, необходимость в радиаторе.Несмотря на то, что здесь используется больше компонентов, компромисс по стоимости может быть благоприятным.

имеют важные преимущества:

• Пониженный среднеквадратичный ток конденсатора входного фильтра, позволяет использовать меньшие и менее дорогие типы

• Распределенный отвод тепла, снижает температуру горячих точек, повышая надежность

• Повышенная общая мощность

• Повышенная эквивалентная частота без увеличения коммутационных потерь, что позволяет использовать меньшие эквивалентные индуктивности, сокращающие переходное время нагрузки.

• Пониженный ток пульсаций в выходном конденсаторе снижает пульсации напряжения на выходе и позволяет использовать меньшие и менее дорогие выходные конденсаторы

• Превосходная реакция на переходные процессы при нагрузке во всем диапазоне нагрузок

также имеют некоторые недостатки, которые следует учитывать при выборе количества фаз, например:

• Необходимость в большем количестве переключателей и выходных катушек индуктивности, чем в однофазной конструкции, что приводит к более высокой стоимости системы, чем однофазное решение, по крайней мере, ниже определенного уровня мощности

• Более сложное управление

• Возможность неравномерного распределения тока между фазами

• Добавлена ​​сложность топологии схемы

Синхронное выпрямление

КПД — важный критерий при проектировании преобразователей постоянного тока, что означает, что потери мощности должны быть минимизированы.Эти потери вызваны переключателем мощности, магнитными элементами и выходным выпрямителем. Для уменьшения потерь в переключателе мощности и магнитных потерь требуются компоненты, которые могут эффективно работать на высоких частотах переключения. В выходных выпрямителях могут использоваться диоды Шоттки, но синхронное выпрямление (рис. 7-22), состоящее из силовых полевых МОП-транзисторов, может обеспечить более высокий КПД.

7-22. Синхронный выпрямитель более эффективен, чем диодный выпрямитель.

имеют более низкие потери прямой проводимости, чем диоды Шоттки.В отличие от обычных самокоммутирующихся диодов, полевые МОП-транзисторы включаются и выключаются с помощью управляющего сигнала затвора, синхронизированного с работой преобразователя. Основным недостатком синхронного выпрямления является дополнительная сложность и стоимость, связанные с устройствами MOSFET и соответствующей управляющей электроникой. Однако при низких выходных напряжениях результирующее повышение эффективности более чем компенсирует недостаток стоимости во многих приложениях.

Компенсация регулятора напряжения

используют отрицательную обратную связь для регулирования своей выходной мощности до желаемого значения.Оптимальная система управления SMPS, использующая отрицательную обратную связь, должна обеспечивать скорость, точность и отклик без колебаний. Один из способов добиться этого — ограничить частотный диапазон, в котором реагирует SMPS. Чтобы быть стабильным, частотный диапазон или полоса пропускания должны соответствовать частоте, на которой тракт передачи с обратной связью от входа к выходу падает на 3 дБ (так называемая частота кроссовера). Обязательно ограничивайте полосу пропускания до того, что на самом деле требуется вашему приложению. Принятие слишком широкой полосы пропускания влияет на помехозащищенность системы, а слишком низкая пропускная способность приводит к плохой переходной характеристике.Вы можете ограничить полосу пропускания системы управления SMPS, сформировав ее кривую усиления контура (V _OUT / V _IN ) с помощью блока компенсатора G (s), показанного на рис. 7-23. Этот блок гарантирует, что после определенной частоты амплитуда усиления контура упадет и опустится ниже 1 или 0 дБ.

7-23. Типичная модель импульсного источника питания с отрицательной обратной связью использует блок компенсации G (s) и H (s), коэффициент усиления разомкнутого контура. VIN (s) — это вход, а VOUT (s) — это выход.

Кроме того, для получения отклика, сходящегося к стабильному состоянию, нам необходимо убедиться, что фаза, при которой величина усиления контура равна 1, меньше -180 градусов. Чтобы убедиться, что мы держимся подальше от -180 град. на частоте кроссовера компенсатор G (s) должен адаптировать отклик контура на выбранной частоте кроссовера для создания необходимого запаса по фазе. Соответствующий запас по фазе гарантирует, что, несмотря на внешние возмущения или неизбежные спреды добычи, изменения в усилении контура не поставят под угрозу стабильность системы.Запас по фазе также влияет на переходную характеристику системы. Следовательно, компенсатор G (s) должен обеспечивать желаемые характеристики усиления и фазы.

Используя анализатор цепей, вы можете определить запасы устойчивости, измерив коэффициент усиления и фазу контура управления, а затем просмотреть полученный график Боде (рис. 7-24), который представляет собой график зависимости коэффициента усиления и фазы от частоты источника питания. . 60 град. запас по фазе предпочтителен, но 45 град. обычно приемлемо. Обычно приемлемым считается коэффициент усиления –10 дБ.Коэффициент усиления и запас по фазе важны, потому что фактические значения компонентов могут изменяться в зависимости от температуры. Таким образом, значения компонентов могут отличаться от блока к блоку при производстве, что приводит к соответствующему изменению коэффициента усиления напряжения и фазы контура управления. Кроме того, значения компонентов могут изменяться со временем и вызывать нестабильность.

7-24. Типичный график Боде для импульсного стабилизатора напряжения IC показывает частоту кроссовера, усиление и запас по фазе.

Если значения компонентов приводят к обнулению фазы на частоте кроссовера, регулятор становится нестабильным и колеблется.Целью компенсации является обеспечение наилучшего запаса по усилению и фазе при максимально возможной частоте кроссовера. Высокая частота кроссовера обеспечивает быструю реакцию на изменения тока нагрузки, тогда как высокое усиление на низких частотах обеспечивает быстрое установление выходного напряжения. Значения компонентов и вариации V _OUT / V _IN могут привести к компромиссу между высокой частотой кроссовера и высоким запасом устойчивости.

7-25. LM21305 — это ИС импульсного регулятора, в котором используется один узел компенсации, для которого требуются компоненты компенсации RC и CC1, подключенные между контактом COMP и AGND.

Определение компенсации для источника питания не всегда легко, потому что оценка графика Боде невозможна, когда нет доступа к петле обратной связи к детали. В других случаях доступ к контуру обратной связи затруднен, потому что аппаратное обеспечение интегрировано или потребуется вырезать дорожку на печатной плате. В других случаях устройства либо содержат несколько контуров управления, и только один из них доступен, либо порядок контура управления выше второго порядка, и в этом случае график Боде является плохим предиктором относительной стабильности.Еще одна сложность заключается в том, что во многих портативных электронных устройствах, таких как сотовые телефоны и планшеты, схемы очень малы и густо заполнены, оставляя мало препятствий для доступа к элементам контура управления.

В вышеуказанных случаях единственный способ проверить стабильность — это оценка неинвазивного запаса стабильности (NISM). Он получен на основе легко доступных измерений выходного импеданса. Математическое соотношение, которое позволяет точно определять стабильность контура управления по данным выходного импеданса, было разработано Picotest и включено в программное обеспечение OMICRON Lab Bode 100 Vector Network Analyzer (VNA).На рис. 7-26 показана испытательная установка для этого измерения.

7-26. Недоступные измерения выходного импеданса (Пикотест).

Один из первых методов компенсации предусматривал использование регулятора напряжения с внешними узлами, чтобы разработчик мог вставлять компоненты компенсации. Определение значений компонентов компенсации включало анализ ИС регулятора и его внешних компонентов. После определения необходимой компенсации разработчик смоделировал или измерил схему регулятора с установленными компенсационными компонентами.Для получения желаемых результатов этот процесс обычно требовал нескольких итераций.

Для правильного внедрения компенсационной сети требуются инженеры со специальными инструментами, навыками и опытом. Если схема была смоделирована, а не измерена, разработчик должен был в конечном итоге вставить фактические компоненты компенсации для измерения характеристик источника питания. Моделирование было настолько хорошо, насколько хорошо дизайнер знал компоненты и паразиты. Модель могла быть неполной или отличаться от реальной схемы, поэтому компенсацию необходимо было проверить путем измерения реальной схемы.Неизменно требовалась доработка из-за возможных ошибок, связанных с заменой компонентов. Ремонтные работы также могут изменить характеристики источника питания и повредить цепи, питаемые от регулятора.

Некоторые поставщики ИС регуляторов включали компоненты внутренней компенсации, поэтому конструкция не нуждалась в дальнейшем анализе. Однако разработчику пришлось использовать внешние компоненты, указанные производителем.

Одиночный компенсационный узел был следующим этапом в этой эволюции. Примером этого является ИС импульсного регулятора LM21305 компании Texas Instruments, показанная на рис.7-25. LM21305 обычно требует только одного резистора и конденсатора для компенсации. Однако иногда требовался дополнительный конденсатор.

Автокомпенсация

Для устранения проблем, связанных с ручным определением компенсации источника питания, две компании разработали технологию автоматической компенсации. В результате были разработаны ИС регулятора смешанных сигналов с автоматической компенсацией. Это избавило проектировщика от необходимости в специальных инструментах, знаниях или опыте для оптимизации производительности.Автоматическая компенсация устанавливает выходные характеристики таким образом, чтобы изменения из-за допусков компонентов, старения, температуры, входного напряжения и других факторов не влияли на производительность.

CUI NDM2Z (рис. 7-27) включает автоматическую компенсацию с использованием ИС регулятора Intersil / Zilker ZL8101M. Автоматическая компенсация обходит традиционную практику создания маржи для учета вариаций компонентов, что может привести к более высоким затратам на компоненты и более длительным циклам проектирования.

7-27. В семействе источников питания CUI NDM2Z используется автоматическая компенсация, которая позволяет динамически устанавливать оптимальную стабильность и переходную характеристику.

Источники питания NDM2Z на 50 А обеспечивают КПД 91% при входном напряжении 12 В постоянного тока и выходном напряжении 1,0 В постоянного тока при нагрузке 50%. Все эти источники питания имеют входной диапазон от 4,5 до 14 В постоянного тока и программируемый выход от 0,6 до 5,0 В постоянного тока в версии 12 А и от 0,6 до 3,3 В постоянного тока в версиях на 25 и 50 А.

включают активное разделение тока, последовательность напряжения, отслеживание напряжения, синхронизацию и распределение фазы, программируемый плавный пуск и останов, а также множество возможностей мониторинга.Простой и легкий в использовании графический интерфейс пользователя CUI помогает в этих проектах.

ZL8101

В NMD2Z используется синхронный понижающий контроллер Intersil / Zilker ZL8101, работающий в режиме напряжения, с широтно-импульсным модулятором постоянной частоты (PWM). В этом цифровом контроллере третьего поколения используется специальный оптимизированный конечный автомат для генерации точных импульсов ШИМ и собственный микроконтроллер, используемый для настройки, обслуживания и оптимизации (рис. 7-28). Для этого требуются внешние драйверы, силовые полевые МОП-транзисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.Интегрированная подрегулировка позволяет работать от одного источника питания от 4,5 В до 14 В. Используя простые штыревые соединения или стандартные команды PMBus, вы можете настроить обширный набор функций управления питанием с помощью графического интерфейса Intersil PowerNavigator.

7-28. Блок-схема Intersil ZL8101 IC показывает выходы PWM (PWMH и PWML), которые взаимодействуют с внешним драйвером, таким как ZL1505.

Первоначально автоматическая компенсация ZL8101 измеряет характеристики силовой передачи и определяет требуемую компенсацию.ИС сохраняет значения компенсации и использует их для последующих входов. После включения ZL8101 готов к регулированию мощности и выполнению задач управления питанием без необходимости программирования. Расширенные параметры конфигурации и изменения конфигурации в реальном времени доступны через интерфейс I2C / SMBus. Встроенная энергонезависимая память (NVM) сохраняет данные конфигурации.

Вы должны выбирать полевые МОП-транзисторы с внешним питанием в первую очередь для RDS (ON) и во вторую очередь для полного заряда затвора. Фактический выходной ток преобразователя мощности зависит от характеристик драйверов и выходных полевых МОП-транзисторов.

Конфигурируемые функции защиты цепи непрерывно защищают ИС и нагрузку от повреждений из-за сбоев системы. ZL8101 непрерывно контролирует входное напряжение, выходное напряжение / ток, внутреннюю температуру и температуру внешнего термодиода. Вы также можете установить параметры мониторинга для определенных предупреждений о неисправности.

Петля с нелинейным откликом (NLR) улучшает время отклика и снижает переходные отклонения выходного сигнала нагрузки. Чтобы оптимизировать эффективность преобразователя мощности, ZL8101 отслеживает его рабочие условия и постоянно регулирует время включения и выключения полевых МОП-транзисторов высокого и низкого напряжения.Алгоритмы адаптивной оптимизации производительности, такие как управление мертвым временем, эмуляция диодов и адаптивная частота, обеспечивают большее повышение эффективности.

Сигнал Power-Good (PG) указывает, что выходное напряжение находится в пределах указанного допуска от целевого уровня, и условия неисправности отсутствуют. По умолчанию вывод PG определяет, находится ли выходное напряжение в пределах -10% / + 15% от целевого напряжения. Вы можете изменить эти пределы и полярность через интерфейс I2C / SMBus.

Внутренний контур фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) служит синхронизатором для внутренних схем.Вы можете управлять ФАПЧ от внешнего источника синхронизации, подключенного к выводу SYNC. Вы можете установить частоту переключения от 200 кГц до 1,33 МГц.

Графический интерфейс на базе Windows обеспечивает возможность полной настройки и мониторинга через интерфейс I2C / SMBus.

CUI — это модуль на 90 А, который имеет несколько функций, обеспечивающих высокую эффективность преобразования мощности. Адаптивные алгоритмы и управление зарядом от цикла к циклу сокращают время отклика и уменьшают отклонение выходного сигнала в результате переходных процессов нагрузки.

ZL8800

NDM3Z использует Intersil ZL8800 для автоматической компенсации. Это двойной или двухфазный цифровой контроллер постоянного / постоянного тока. Каждый выход может работать независимо или использоваться вместе в двухфазной конфигурации для сильноточных приложений. ZL8800 поддерживает широкий диапазон выходных напряжений (от 0,54 В до 5,5 В), работая от входных напряжений от 4,5 до 14 В. На рис. 7-29 показана двухфазная конфигурация, в которой используются внешние модули питания DRMOS.

7-29.Intersil ZL8800 сконфигурирован как двухфазный преобразователь

Благодаря полностью цифровому управлению ChargeMode Control, ZL8800 будет реагировать на скачок нагрузки в течение одного цикла переключения. Этот уникальный метод модуляции без компенсации позволяет конструкциям соответствовать требованиям к переходным процессам с минимальной выходной емкостью, что позволяет сэкономить средства и место на плате.

Intersil позволяет ZL8800 обмениваться данными между другими ИС Intersil.Используя DDC, ZL8800 выполняет сложные функции, такие как балансировка фазных токов между ИС, упорядочивание и устранение неисправностей, устраняя необходимость в сложных системах управления источниками питания с многочисленными внешними дискретными компонентами.

ZL8800 имеет пошаговую защиту от перегрузки по току на выходе. Входное и выходное напряжение, а также напряжение питания драйвера DrMOS / MOSFET защищены от повышенного и пониженного напряжения. Для контроля температуры доступны два внешних и один внутренний датчик температуры, один из которых используется для защиты от пониженной и повышенной температуры.Функция параметрического захвата моментальных снимков позволяет пользователям делать снимки рабочих данных и данных о неисправностях в нормальных условиях или в условиях сбоя.

позволяют ZL8800 работать от одного источника питания, устраняя необходимость в дополнительных линейных регуляторах. Выход LDO может использоваться для питания внешних драйверов или устройств DrMOS.

Благодаря полной совместимости с PMBus, ZL8800 способен измерять и сообщать входное напряжение, входной ток, выходное напряжение, выходной ток, а также внутреннюю температуру устройства, внешние температуры и вход вспомогательного напряжения.

Этот блок питания включает в себя широкий спектр настраиваемых функций управления питанием, которые легко реализовать с минимальным количеством внешних компонентов. Кроме того, источник питания имеет функции защиты, которые постоянно защищают нагрузку от повреждений из-за неожиданных сбоев системы.

Стандартная конфигурация источника питания подходит для работы в широком диапазоне значений входного напряжения, выходного напряжения и нагрузки. Конфигурация хранится во внутренней энергонезависимой памяти (NVM).Все функции управления питанием можно перенастроить с помощью интерфейса PMBus.

Автоматическая компенсация Powervation

Bellnix Co. Ltd. (Япония) использует цифровой контроллер ROHM PV3012 Powervation в своем низкопрофильном модуле постоянного / постоянного тока на 60 А. Цифровой модуль питания BDP12-0.6S60R0 представляет собой неизолированный понижающий преобразователь, совместимый с PMBus, который удовлетворяет потребности в конструкциях с малым форм-фактором, обеспечивая при этом высокую надежность и высокую производительность. ROHM PV3012 — это цифровой двухфазный контроллер (рис.7-30).

7-30. ИС PV3012 от Powervation — это ИС с автоматической компенсацией в реальном времени с одним выходом, двух- или однофазным цифровым синхронным понижающим контроллером для приложений POL.

Используется BDP на 60 А, и параллельная работа модуля BDP поддерживается через шину разделения тока DSS компании ROHM. Этот совместимый с PMBus модуль обеспечивает точные измерения и телеметрические отчеты, полную линейку программируемых функций защиты источника питания, хорошее энергопотребление и дополнительную функцию отслеживания — все в компактном 32.Дизайн корпуса SMD, соответствующий ROHS, 8 мм × 23,0 мм.

ROHM PV3012 Powervation также используется в сильноточных цифровых модулях POL серии iJB от TDK-Lambda. Продукты серии iJB поддерживают работу при низком напряжении и сильном токе, обеспечивая точность заданного значения ± 0,5% по линии, нагрузке и диапазону температур. В то время как функциональность модуля PMBus обеспечивает телеметрию напряжения, тока и температуры в реальном времени и обеспечивает полную программируемость преобразователя постоянного / постоянного тока, в продуктах серии iJB также используются контакты для настройки функций, что позволяет использовать их в приложениях, не связанных с PMBus. .

Используя интеллектуальную технологию автонастройки Powervation, Auto-Control, модули iJB POL обеспечивают лучшую динамическую производительность и стабильность системы для приложения. Auto-Control — это запатентованная технология адаптивной компенсации, которая оптимизирует динамические характеристики и стабильность системы в реальном времени, не требуя внесения шума или недостатков периодических методов. Это ключевое преимущество для модулей и других конструкций, которые управляют неизвестными или переменными нагрузками на выходе, и решает проблемы, связанные с дрейфом параметров нагрузки, который происходит с температурой и временем.

Еще одним пользователем цифрового контроллера PV3012 является модуль DC / DC OKLF-T / 25-W12N-C компании Murata Power Solutions. Это неизолированный преобразователь постоянного тока в постоянный, вырабатывающий максимум 25 А при выходном напряжении 1,2 В при работе при температуре до 70 ° C с потоком воздуха 200 LFM. Регулируемые выходы обеспечивают точное регулирование от 0,69 В до 3,63 В в широком диапазоне входных сигналов (от 6,5 В до 14 В).

Murata Power Solutions обеспечивает сверхбыструю реакцию на переходные процессы при нагрузке, исключительные характеристики снижения номинальных характеристик и типичный КПД> 90% в форм-факторе с высокой плотностью мощности.Модуль представляет собой полноценный автономный источник питания; Благодаря использованию ИС цифрового управления PV3012 он обеспечивает полный набор функций защиты и прецизионную точность уставки.

Этот преобразователь POL обеспечивает прецизионную точность уставки ± 0,5% по линии, нагрузке и диапазону температур — намного лучше, чем аналоговые варианты. Кроме того, это предложение повышает ценность за счет использования компактных приподнятых катушек индуктивности и функции автоматического управления Powervation.

PV3204

Одним из новых продуктов Powervation от ROHM, обеспечивающих автокомпенсацию, является PV3204, двухфазный цифровой синхронный понижающий контроллер с адаптивной компенсацией контура для приложений точки нагрузки (POL) (рис.7-31). Выход может подавать от 0,6 В до 5,5 В и может быть настроен и управляться через PMBus или посредством программирования, хранящегося в энергонезависимой памяти (NVM). Помимо интерфейса SMBus, PV3204 предоставляет 3-битный параллельный интерфейс VID с отображением от 0,85 В до 1,0 В с шагом 25 мВ и 1,05 В.

7-31. Powervation PV3204 — это двухфазный цифровой синхронный понижающий контроллер с адаптивной автоматической компенсацией контура для приложений точки нагрузки (POL).

PV3204

PV3204 использует фирменный адаптивный цифровой контур управления Powervation, Auto-Control, технологию адаптивной компенсации контура в реальном времени для переключаемых преобразователей мощности, которая автономно уравновешивает компромисс между динамическими характеристиками и стабильностью системы.Auto-Control избавляет от сложных вычислений и настройки оптимальной стабильности, используемой с традиционными методами компенсации. Auto-Control регулирует коэффициенты P, I и D в каждом цикле переключения для непрерывного достижения оптимальной стабильности в широком диапазоне помех. Автоматическое управление встроено в архитектуру управления цифровых устройств Powervation и не зависит от шума, вносимого периодическими калибровками. Непрерывный характер автоматического управления позволяет ему управлять изменениями в системе, которые происходят в режиме реального времени или медленно с течением времени при использовании источника питания.Эта самокомпенсация происходит от цикла к циклу, поэтому Auto-Control может непрерывно регулировать в соответствии с изменениями температуры, которые происходят во время использования источника питания, и учитывает другие факторы, такие как старение и дрейф.

Этот контроллер может использоваться в одно- или двухфазном режиме. При использовании в двухфазном режиме фазы могут добавляться или удаляться по мере изменения нагрузки, так что эффективность максимальна во всем диапазоне нагрузки. Кроме того, выходы фаз чередуются, так что эффективная частота переключения на выходе увеличивается вдвое.

Цифровые функции этого контроллера преобразователя мощности PMBus позволяют осуществлять системную телеметрию (удаленное измерение и составление отчетов) о токе, напряжении и температуре.

Кроме того, чтобы максимизировать производительность и надежность системы, ИС обеспечивает температурную коррекцию / компенсацию нескольких параметров.

IC Регулятор напряжения — Электронная почта

IC Регулятор напряжения

IC используются интегральные схемы для регулирования напряжения.Одним из преимуществ стабилизатора напряжения IC является то, что в устройство могут быть встроены такие свойства, как тепловая компенсация, защита от короткого замыкания и защита от перенапряжения. Большинство обычно используемых стабилизаторов напряжения IC представляют собой трехконтактные устройства.

Схематический символ трехконтактного стабилизатора напряжения на интегральной схеме

На рисунке ниже показан схематический символ трехконтактного стабилизатора напряжения IC.

Типы ИС регуляторов напряжения

Существует четыре основных типа регуляторов напряжения IC:

1. Регулятор постоянного положительного напряжения
2. Регулятор постоянного отрицательного напряжения
3. Регулятор напряжения
4. Стабилизатор напряжения с двойным слежением

Регулятор постоянного положительного напряжения

Этот IC-стабилизатор обеспечивает фиксированное положительное выходное напряжение.Хотя доступно множество типов регуляторов IC, наиболее популярными являются регуляторы серии 7800. Последние две цифры в номере детали указывают на постоянный ток. выходное напряжение. Например [см. Таблицу ниже], 7812 — регулятор + 12В, а 7805 — стабилизатор + 5В. Обратите внимание, что эта серия (серия 7800) обеспечивает фиксированные регулируемые напряжения от + 5 В до + 24 В.

Принципиальная схема стабилизатора постоянного положительного напряжения

На рисунке выше показана принципиальная схема стабилизатора постоянного положительного напряжения.Вы можете увидеть, как микросхема 7812 подключена для обеспечения постоянного постоянного тока. выход + 12В. Нерегулируемое входное напряжение Vi подключается к клемме IN IC, а клемма OUT IC обеспечивает +12 В. Конденсаторы, хотя и не всегда необходимы, иногда используются на входе и выходе. Выходной конденсатор (C2) в основном действует как сетевой фильтр для улучшения переходной характеристики. Входной конденсатор (C1) используется для предотвращения нежелательных колебаний.

Регулятор постоянного отрицательного напряжения

Этот IC-стабилизатор обеспечивает фиксированное отрицательное выходное напряжение.Для этой цели обычно используются регуляторы серии 7900 IC. Эта серия (7900) является аналогом серии 7800 с отрицательным напряжением [см. Таблицу ниже]. Обратите внимание, что серия 7900 обеспечивает фиксированное регулируемое напряжение от — 5 В до — 24 В.

Принципиальная схема стабилизатора постоянного отрицательного напряжения

Вы можете увидеть принципиальную схему фиксированного стабилизатора отрицательного напряжения ниже.

Вы можете увидеть, как 7912 IC подключается для обеспечения постоянного постоянного тока.на выходе — 12 В. Нерегулируемое отрицательное входное напряжение Vi подключено к клемме IN IC, а клемма OUT IC обеспечивает — 12 В. Конденсаторы, используемые в схеме, выполняют ту же функцию, что и в фиксированном положительном стабилизаторе.

Регулируемый регулятор напряжения

Регулируемый регулятор напряжения можно настроить на любой постоянный ток. выходное напряжение в двух указанных пределах. Самым популярным трехконтактным регулируемым стабилизатором напряжения является LM 317.

Принципиальная схема регулируемого регулятора напряжения

LM 317 — это трехконтактный регулируемый стабилизатор напряжения с положительной полярностью, который может питать 1 ток.5 А тока нагрузки в регулируемом диапазоне от 1,25 В до 37 В. На рисунке выше показан нерегулируемый источник питания, управляющий схемой LM 317. В техническом паспорте LM 317 приведена следующая формула выходного напряжения:

Эта формула действительна от 1,25 В до 37 В.

Двойной регулятор напряжения слежения

Стабилизатор с двойным трекингом обеспечивает равное положительное и отрицательное выходное напряжение. Этот регулятор используется, когда требуется разделенное напряжение питания.

Принципиальная схема двойного регулятора напряжения слежения

Микросхема RC 4195 обеспечивает постоянный ток. выходы + 15В и — 15В. Устройству требуется два нерегулируемых входных напряжения. Положительный вход может быть от + 18В до + 30В, а отрицательный — от -18В до -30В. Как показано, два выхода — ± 15 В. В технических данных RC 4195 указан максимальный выходной ток 150 мА для каждого источника питания и регулировка нагрузки 3 мВ. Также доступны регулируемые регуляторы двойного слежения. Эти регуляторы имеют выходы, которые можно изменять в двух номинальных пределах.

Вам могут понравиться следующие статьи

Sasmita

Привет! Я Сасмита. В ElectronicsPost.com я преследую свою любовь к преподаванию. Я магистр электроники и телекоммуникаций. И, если вы действительно хотите узнать обо мне больше, посетите мою страницу «О нас». Узнать больше

— инженерные знания

Здравствуйте, читатели ждем еще одного интересного поста.в этом посте мы подробно рассмотрим напряжение интегральной схемы , регуляторы. Ранее мы подробно обсуждали устройство регулятора напряжения. Существует множество линейных и импульсных регуляторов в виде микросхем. Обычно линейный регулятор имеет 3 клеммы, которые предлагают положительные или отрицательные выходы, которые имеют 2 фиксированные или переменные формы.

В этом посте мы рассмотрим схемы регуляторов напряжения на интегральных схемах, их работу и некоторые другие связанные с этим факторы.Итак, давайте начнем с интегральных стабилизаторов напряжения .

Что такое стабилизированный положительный линейный стабилизатор напряжения

• Хотя на рынке существует множество категорий регуляторов интегральных схем, но серия 78XX регуляторов IC состоит из трех оконечных модулей, которые предлагают положительное значение выхода.

• Клемма 3 называется вводом-выводом, а заземление показано на рисунке ниже.

• Последние 2 цифры в номере детали обозначают выходное напряжение.Например, 7805 — это тип регулятора. Для любого регулятора выходное напряжение будет номинальным.
• Таким образом, напряжение, обеспечиваемое 7805, может быть в диапазоне от 4,8 до 5,2 вольт, но имеет постоянное значение.
• Другие типы значений выходного напряжения можно увидеть на рисунке, обозначенном буквой b, а их пакеты показаны на рисунке, обозначенном буквой c.
• Конденсаторы не являются общими деталями, но в некоторых случаях используются на входе и выходе.
• Выходные конденсаторы обычно ведут себя как сетевой фильтр, улучшая переходную характеристику.
• Входной конденсатор фильтрует вход и обеспечивает защиту от нежелательных вибраций, когда регуляторы находятся на некотором расстоянии от фильтра источника питания, так что линия имеет достаточное значение индуктивности.
• Серия 78XX может генерировать выходной ток до одного ампера при использовании с достаточным теплоотводом.
• Входное напряжение должно быть почти на 2,5 В выше выходного напряжения для поддержания регулирования.
• Схема имеет внутреннюю тепловую защиту от перегрузки и ограничение тока короткого замыкания.
• Тепловая перегрузка возникает, когда внутреннее рассеивание мощности очень велико, а температура модуля превышает заданное значение.
• Для любого применения регуляторов необходимо устройство для защиты радиатора от тепловой перегрузки.

Регуляторы постоянного отрицательного линейного напряжения

• Серия 79xx представляет собой обычный тип 3-контактных интегрированных регуляторов, которые предлагают фиксированное отрицательное выходное значение.
• Это аналог серии 78xx с отрицательным напряжением и имеет аналогичные функции и характеристики с разными номерами контактов.
• На приведенном ниже рисунке обозначена стандартная компоновка, номера деталей и результирующее выходное напряжение.

Регулируемые регуляторы положительного линейного напряжения

• LM317 является типичным примером трехконтактных положительных регуляторов с переменной выходной мощностью.
• Базовая компоновка показана на рисунке ниже.

• Конденсатор используется для развязки и не влияет на работу постоянного тока.
• Обратите внимание, что есть ввод-вывод и переменный терминал.

• Внешнее фиксированное сопротивление и внешнее переменное сопротивление позволяют изменять или регулировать выходное напряжение.
• Значение VOut может быть изменено с 1,2 В до 37 В в зависимости от значения сопротивления.
• LM317 может обеспечивать на выходе выходной ток более 1,5 ампер.
• LM317 функционирует как плавающий регулятор, поскольку регулировочная клемма не связана с землей, а поддерживает значение напряжения относительно сопротивления R2.
• Он позволяет выходному напряжению быть больше, чем у стабилизатора постоянного напряжения.

Работа LM317

• На приведенном ниже рисунке постоянное опорное напряжение 1,25 В сохраняется с регулятором между выходной точкой и переменной точкой.
• Это постоянное опорное напряжение создает постоянный ток в сопротивлении R1 независимо от значения сопротивления R2.

IREF = VREF / R1 = 1,25 В / R1

VOUT = VR1 + VR2 = IREFR1 + IREFR2 + IADJR2

= IREF (R1 + R2) + IADJR

VREF / R1 (R1 + R2) + IADJR2

Регулируемые отрицательные линейные регуляторы напряжения

• LM337 является отрицательной выходной частью, противоположной LM317, и является лучшей категорией интегральных схем этой категории.

• Аналогично LM317 Lm337 требует 2 внешних сопротивления для регулирования выходного напряжения, как показано на рисунке ниже.
• Значение выходного напряжения может изменяться от -1,2 В до -37 В в зависимости от значения сопротивления.
• Конденсатор в этой схеме работает с развязкой и не влияет на работу постоянного тока.

Итак, друзья, которые подробно рассказывают о регуляторах напряжения на интегральных схемах, если у вас есть какие-либо дополнительные вопросы, спрашивайте в комментариях.Спасибо за чтение. Хорошего дня.

Автор: Генри

Я профессиональный инженер и закончил известный инженерный университет, а также имею опыт работы инженером в различных известных отраслях. Я также пишу технический контент, мое хобби — изучать новые вещи и делиться ими с миром. Через эту платформу я также делюсь своими профессиональными и техническими знаниями со студентами инженерных специальностей.

Сообщение навигации

Электронные устройства: РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ [часть 2]

продолжение.из части 1

5. ВСТРОЕННЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ ЦЕПИ

В предыдущих разделах были рассмотрены основные конфигурации регуляторов напряжения. представлен.

Доступны несколько типов линейных и импульсных регуляторов. форма интегральной схемы (ИС). Обычно линейные регуляторы бывают трехполюсными. устройства с положительным или отрицательным выходным напряжением, которые могут быть фиксированным или регулируемым. В этом разделе типовые линейные и коммутационные Представлены регуляторы IC.

После заполнения этого раздела вы сможете:

— Обсудить стабилизаторы напряжения на интегральных схемах

— Обсудить фиксированные положительные линейные регуляторы напряжения

— Описание регуляторов 78XX

— Объясните тепловую перегрузку

— Обсудить линейные стабилизаторы постоянного отрицательного напряжения

— Описание регуляторов 79XX

— Обсудить регулируемые положительные линейные регуляторы напряжения

— Описание регулятора LM317

— Определить выходное напряжение

— Обсудить регулируемые отрицательные линейные регуляторы напряжения

— Описание регулятора LM337

— Обсудить импульсные регуляторы напряжения

— Описание регулятора 78S40

Регуляторы постоянного положительного линейного напряжения

Хотя доступно множество типов регуляторов IC, серия 78XX Регуляторы IC представляют собой трехконтактные устройства, обеспечивающие фиксированное положительное выходное напряжение.Три терминала — это вход, выход, и заземление, как указано в стандартной конфигурации с фиксированным напряжением в ИНЖИР. 26 (а). Последние две цифры в номере детали обозначают выход Напряжение.

Например, 7805 — это стабилизатор +5,0 В. Для любого данного регулятора выходное напряжение может составлять до 4% от номинального выхода. Таким образом, 7805 может иметь выходной сигнал от 4,8 В до 5,2 В, но будет оставаться постоянным в этот диапазон. Другие доступные выходные напряжения приведены на фиг.26 (б) и общие пакеты показаны в части (c).

РИС. 26 Трехконтактные стабилизаторы постоянного положительного напряжения серии 78XX.

Конденсаторы хотя и не всегда необходимы, но иногда используются на входе и вывод, как показано на фиг. 26 (а). Выходной конденсатор действует в основном как сетевой фильтр для улучшения переходной характеристики. Входные конденсаторные фильтры вход и предотвращает нежелательные колебания, когда регулятор немного расстояние от фильтра источника питания, чтобы линия имела значительную индуктивность.

Серия 78XX может генерировать выходные токи до более 1 А, когда используется с подходящим радиатором. Входное напряжение должно быть примерно На 2,5 В выше выходного напряжения для поддержания регулирования. Схемы имеют внутреннюю тепловую защиту от перегрузки и ограничение тока короткого замыкания Особенности. Тепловая перегрузка возникает, когда внутренняя рассеиваемая мощность становится равной. чрезмерно и температура устройства превышает определенное значение. Почти все применения регуляторов требуют, чтобы устройство было закреплено радиатор для предотвращения тепловой перегрузки.

Фиксированные отрицательные линейные регуляторы напряжения

Серия 79XX представляет собой типичные трехконтактные регуляторы IC, обеспечивающие фиксированное отрицательное выходное напряжение. Эта серия является аналогом с отрицательным напряжением. серии 78XX и имеет большинство тех же функций и характеристик за исключением того, что номера контактов отличаются от положительных регуляторов. ИНЖИР. 27 обозначает стандартную конфигурацию и номера деталей с соответствующими доступные выходные напряжения.

РИС. 27 Трехконтактные стабилизаторы постоянного отрицательного напряжения серии 79XX.

Регулируемые регуляторы положительного линейного напряжения

LM317 является примером трехконтактного положительного регулятора с регулируемое выходное напряжение. Стандартная конфигурация показана на фиг. 28. Конденсаторы предназначены для развязки и не влияют на работу постоянного тока. Обратите внимание, что есть вход, выход и регулировочный терминал.В внешний постоянный резистор R1 и внешний переменный резистор R2 обеспечивают регулировка выходного напряжения. VOUT может изменяться от 1,2 В до 37 В в зависимости от от номиналов резистора. LM317 может обеспечить выходной ток более 1,5 А. к нагрузке.

РИС. 28 Трехконтактный регулируемый стабилизатор положительного напряжения LM317.

LM317 работает как «плавающий» регулятор, поскольку клемма регулировки не подключена к массе, но плавает к чему бы то ни было напряжение на R2.Это позволяет выходному напряжению быть намного выше. чем у стабилизатора постоянного напряжения.

Основные операции

Как показано на фиг. 29, постоянное опорное напряжение 1,25 В (VREF) равно поддерживается регулятором между выходным зажимом и регулировкой Терминал. Это постоянное опорное напряжение дает постоянный ток (IREF). через R1, независимо от значения R2. IREF также через R2.

R2.

[IREF = VREF R1 = 1.25 В R1]

РИС. 29 Работа регулируемого стабилизатора положительного напряжения LM317.

На клемме настройки присутствует очень небольшой постоянный ток примерно Вызвано 50 мкА через IADJ. Формула для выходного напряжения: развивалась следующим образом.

EQN. 9

Как видите, выходное напряжение является функцией как R1, так и R2. Один раз значение R1 устанавливается, выходное напряжение регулируется изменением R2.

Регулируемые отрицательные линейные регуляторы напряжения

LM337 является аналогом LM317 с отрицательным выходом и является хорошим пример такого типа регулятора IC. Как и LM317, LM337 требует два внешних резистора для регулировки выходного напряжения, как показано на фиг. 31. Выходное напряжение можно регулировать от -37 В до -1,2 В в зависимости от номиналы внешнего резистора. Конденсаторы предназначены для развязки и не влияют на работу постоянного тока.

РИС. 31 Трехконтактный регулируемый стабилизатор отрицательного напряжения LM337.

Импульсные регуляторы напряжения

Доступно множество импульсных регуляторов на интегральных схемах. В два из них, используемые в качестве типичных примеров, — это повышающий (повышающий) регулятор ADP1612 / ADP1613. и понижающий регулятор ADP2300 / ADP2301. Основная операция было объяснено ранее в Блоке.

Повышающий импульсный регулятор

Показана конфигурация повышающего регулятора с использованием ADP1612 / ADP1613. на фиг.32 (а). ADP1612 и ADP1613 по сути одинаковы, за исключением для их частоты переключения, которая используется в широтно-импульсной модуляции (ШИМ) работа.

РИС. 32 Повышающая конфигурация и график зависимости КПД от тока.

Этот регулятор работает с ШИМ и демонстрирует КПД до 94%. при более высокой частоте переключения, в зависимости от выходного тока и напряжения, как показано графиками на фиг. 32 (б). Обратите внимание, что по мере увеличения тока нагрузки КПД увеличивается.Выходное напряжение оказывает гораздо меньшее влияние. Рабочую частоту ШИМ можно выбрать по выводам: 650 кГц или 1,3. МГц. Чем ниже частота, тем выше эффективность, а выше частота. позволяет использовать внешние компоненты меньшего размера. Для работы 650 кГц, контакт 7 (FREQ) подключен к земле или оставлен открытым (по умолчанию плавающий). Для работы на частоте 1,3 МГц контакт 7 подключен к VIN (контакт 6). Вход диапазон напряжения составляет от 1,8 В до 5,5 В, а выходное напряжение может достигать 20 В.

Это устройство имеет защиту от теплового отключения (TSD) при превышении температуры превышает 150 ° C и снова включается, когда температура падает до 130 ° C. Также, функция блокировки при пониженном напряжении (UVLO) предотвращает нестабильное выходное напряжение если входное напряжение падает ниже минимального значения.

Конденсатор, подключенный к выводу 8 (плавный пуск), предотвращает большой бросок тока. тока при первом включении устройства. Вход EN (контакт 3) превращается регулятор включен или выключен.Для входа COMP (контакт 1) требуется последовательная RC-цепь. для компенсации. Вход FB (контакт 2) подключен к делителю напряжения. для обеспечения обратной связи для контроля выходного напряжения. Катушка индуктивности подключена от входа к SW (коммутационный выход, контакт 5), а выпрямительный диод подключен от SW к выходному напряжению. Обратите внимание на диод в этом случае представляет собой диод Шоттки для более быстрого переключения.

Понижающий импульсный регулятор

Показана конфигурация понижающего регулятора с использованием ADP2300 / ADP2301. на фиг.33 (а). ADP2300 и ADP2301 по сути одинаковы, за исключением для их частоты переключения. В отличие от ADP1612 / ADP1613, это устройство не имеет частот, выбираемых выводом. Вместо этого у каждого есть фиксированная внутренняя генератора с частотой 700 кГц для ADP2300 и 1,4 МГц для ADP2301.

РИС. 33 Понижающая конфигурация и график зависимости КПД от тока.

Это устройство имеет защиту от перегрева (TSP) при превышении температуры корпуса. превышает 140 ° C и снова включается, когда температура падает до 150 ° C.Также, он имеет функцию блокировки при пониженном напряжении (UVLO) и защиту от короткого замыкания.

Этот регулятор работает с ШИМ и демонстрирует КПД до 91%, в зависимости от выходного тока, как показано графиками на фиг. 33 (б) для каждая частота. Обратите внимание, что по мере увеличения тока нагрузки выше примерно 0,2 A, эффективность остается относительно постоянной (от примерно 91% до примерно 88%) и немного падает при увеличении выходного тока. В таком случае, выходное напряжение постоянно на уровне 5 В.Диапазон входного напряжения от 3 В до 20 В, а выходное напряжение может достигать 20 В. Выходное напряжение составляет от 0,8 x VIN до 0,85 x VIN.

Единственный вход, которого нет на повышающем устройстве, — это BST (boot-strap). Конденсатор должен быть подключен от BST (вывод 1) к SW (вывод 6). Регулятор генерирует напряжение для схемы управления затвором полевого МОП-транзистора путем измерения регулирующего разность напряжений между выводами BST и SW.

РАЗДЕЛ 5 ПРОВЕРКА

1.Каковы три вывода стабилизатора постоянного напряжения?

2. Какое выходное напряжение у 7809? Из 7915?

3. Каковы три вывода регулируемого регулятора напряжения?

4. Какие внешние компоненты требуются для базовой конфигурации LM317?

6. КОНФИГУРАЦИЯ РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ВСТРОЕННОЙ ЦЕПИ

В последнем разделе вы видели несколько устройств, представляющих общие типы регуляторов напряжения IC.Теперь несколько разных способов эти устройства могут быть модифицированы внешней схемой для улучшения или изменения исследуются их характеристики.

После заполнения этого раздела вы сможете:

— Описание применения регуляторов напряжения IC

— Объясните назначение транзистора внешнего прохода

— Рассчитайте номинал необходимого внешнего резистора

— Объясните, как можно реализовать ограничение тока

— Опишите, как использовать трехконтактный регулятор в качестве регулятора тока

— Описание конфигураций импульсных регуляторов с использованием 78S40

— Опишите понижающую конфигурацию

— Опишите повышающую конфигурацию

Внешний Проход Транзистор