Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №12

Семейство импульсных стабилизаторов напряжения Simple Switcher LM315x

Махлин Александр  
Денисов Максим  

Компания National Semiconductor хорошо известна многим разработчикам электронных устройств. В частности, в области производства компонентов для импульсных источников питания она уверенно занимает лидирующие позиции. В статье представлено описание ее новой разработки — серии микросхем LM315x, принадлежащих семейству Simple Switcher, а также специально созданной для подбора компонентов и расчета схемы импульсного стабилизатора напряжения программной среды New Power Webench.

Общее описание

Итак, серия микросхем LM315x включает в себя 10 ШИМ–контроллеров понижающих импульсных стабилизаторов, работающих при входном напряжении от 4,5 до 42 В. Максимальный рабочий ток для этого типа контроллеров — 12 А, а частота коммутации — до 1 МГц. Список контроллеров, входящих в состав серии LM315x, приведен в таблице.

Таблица. Характеристики микросхем серии LM315x
Контроллер Выходное
напряжение, В
Входное
напряжение, В
Частота
коммутации, кГц
LM3150 Регулируемое
от 0,6
42 Регулируемая
до 1 МГц
LM3151–2.5 2,5 42 250
LM3151–3.3 3,3 42 250
LM3151–5.0 5 42 250
LM3152–2.5 2,5 33 500
LM3152–3.3 3,3 37 500
LM3152–5.0 5 42 500
LM3153–2.5 2,5 16 750
LM3153–3.3 3,3 22 750
LM3153–5.0 5 33 750

Их основное отличие от других подобных разработок — это архитектура Constant OnTime и запатентованный фирмой National Semiconductor режим Emulated Ripple Mode control. Благодаря этим особенностям для микросхем серии LM315x необходимо минимальное количество внешних компонентов для построения полноценного источника питания. Необходимо добавить только 2 мощных транзистора MOSFET, индуктивность и конденсаторы в цепях питания. Схема такого устройства приведена на рис. 1. В случае использования настраиваемого контроллера LM3150 понадобится еще 3 резистора. Применение внешних транзисторов позволяет достичь бóльших токов нагрузки, чем при использовании стабилизаторов со встроенным транзистором, и большей эффективности, благодаря возможностям оптимизации схемы средствами New Power Webench.

Рис. 1. Схема контроллера LM315x
Рис. 1. Схема контроллера LM315x

Архитектура Constant On Time

Для того чтобы разобраться в особенностях этой архитектуры, рассмотрим сначала работу обычного понижающего импульсного стабилизатора напряжения на гистерезисном компараторе. Его схема изображена на рис. 2.

Рис. 2. Схема обычного понижающего импульсного стабилизатора напряжения на гистерезисном компараторе
Рис. 2. Схема обычного понижающего импульсного стабилизатора
напряжения на гистерезисном компараторе

Устройство представляет собой автоколебательную схему, выходной сигнал которой имеет 3 временных параметра: время Ton, когда транзистор открыт; время Toff, когда транзистор закрыт, и частоту коммутации f. Все эти три параметра являются функциями входного Vin и выходного Vout напряжений, величины индуктивности, эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсатора, гистерезиса компаратора, задержки распространения и коэффициента обратной связи. При этом для надежной работы компаратора необходимо высокое ESR конденсатора. Допустим, выходное напряжение, гистерезис, задержка распространения и коэффициент обратной связи являются величинами постоянными. В этом случае необходимая частота коммутации будет обеспечена выбором номинала L индуктивности и ESR конденсатора с учетом предполагаемого входного напряжения. Таким образом, Vin остается единственной переменной величиной, которая может влиять на частоту коммутации, что заставляет ограничивать диапазон допустимых входных напряжений.

Стабилизатор с архитектурой Constant OnTime имеет схему, изображенную на рис. 3.

Рис. 3. Схема стабилизатора с архитектурой Constant On-Time
Рис. 3. Схема стабилизатора с архитектурой Constant On–Time

Данная схема отличается от предыдущей наличием ждущего мультивибратора в цепи управления затвором транзистора. Фронт импульса от компаратора запускает ждущий мультивибратор, и транзистор открывается. Через время Ton мультивибратор закрывает транзистор независимо от состояния компаратора в этот момент. Время задержки мультивибратора обратно пропорционально величине входного напряжения и не зависит от других параметров. Следовательно, при постоянном входном напряжении время Ton является постоянным и также не зависит от других параметров. Эта особенность и дала архитектуре название "Constant On–Time". Время задержки ждущего мультивибратора Ton может быть изменено подбором номинала внешнего резистора Ron. Он является одним из основных частотозадающих элементов в автоколебательной схеме стабилизатора, поэтому частота коммутации можно рассчитать согласно следующей формуле:

Fsw = Vout/(K×Ron).

В этой формуле все величины постоянные, поэтому архитектура Constant On–Time позволяет достичь относительной стабильности частоты коммутации в широком диапазоне входных напряжений. График, иллюстрирующий эту зависимость, показан на рис. 4.

Рис. 4. График зависимости входного напряжения от частоты коммутации
Рис. 4. График зависимости входного напряжения
от частоты коммутации

Режим Emulated Ripple Mode

Все стабилизаторы на гистерезисном компараторе имеют одну особенность: сама их архитектура требует наличия пульсаций выходного напряжения, для того чтобы компаратор мог уверенно определять верхний и нижний пороговые уровни напряжения. Пульсирующий ток на катушке индуктивности создает пульсирующее напряжение на ESR конденсатора, которое и поступает в цепь обратной связи. Эта особенность создает ограничения при использовании таких стабилизаторов в устройствах, критичных к форме питающего напряжения. Графики, иллюстрирующие работу схемы, показаны на рис. 5.

Рис. 5. Графики, иллюстрирующие работу схемы стабилизатора на гистерезисном компараторе
Рис. 5. Графики, иллюстрирующие работу схемы
стабилизатора на гистерезисном компараторе

Запатентованный компанией National Semiconductor режим Emulated Ripple Mode позволяет компаратору, входящему в состав контроллеров серии LM315x, стабильно переключаться при сверхнизком уровне пульсаций выходного напряжения. Это делает микросхемы серии LM315x пригодными для применения в устройствах, где предъявляются повышенные требования к форме питающего напряжения. Схема устройства показана на рис. 6.

Рис. 6. Схема устройства, работающего в режиме Emulated Ripple Mode
Рис. 6. Схема устройства, работающего в режиме Emulated Ripple Mode

Благодаря режиму Emulated Ripple Mode становится возможным применение конденсаторов с низким ESR. В результате этого, кроме уменьшения амплитуды пульсаций выходного напряжения, меняется и их форма — с треугольной на синусоидальную. Это синусоидальное напряжение Vo поступает на вход (+) компаратора. Для того чтобы его переключения происходили стабильно, пороговое напряжение, поступающее на вход (–), меняется в противофазе с Vo. Для этого опорное напряжение Vref суммируется с напряжением, снятым с внутреннего сопротивления открытого канала транзистора — Rj, которое находится в противофазе с напряжением Vo. При сравнении компаратором противофазных сигналов достигается большая надежность переключений при малом уровне пульсаций выходного напряжения. Графики пульсаций в обычном режиме и в режиме Emulated Ripple Mode показаны на рис. 7.

Рис. 7. Графики пульсаций: а) в обычном режиме; б) в режиме Emulated Ripple Mode
Рис. 7. Графики пульсаций:
а) в обычном режиме; б) в режиме Emulated Ripple Mode

Программное обеспечение New Power Webench

Кроме новой серии контроллеров семейства Simple Switcher компания National Semiconductor представила разработчикам Ton и обновленную версию своего программного продукта New Power Webench.

Данное программное обеспечение служит для разработки и комплексного проектирования импульсного источника питания. В программе New Power Webench реализованы все необходимые функции для построения источника питания, оптимизации его работы и подбора необходимых компонентов.

Рис. 8. Пошаговый интерфейс New Power Webench
Рис. 8. Пошаговый интерфейс New Power Webench

Программа выполнена в виде пошагового интерфейса (рис. 8). Сначала разработчику необходимо ввести исходные значения входных и выходных напряжений, токов нагрузки и теплового режима работы. Далее система сама предложит на выбор возможные к использованию контроллеры или регуляторы от National Semiconductor, выделяя рекомендуемые решения с максимально возможным КПД. Если в качестве основного элемента источника питания выбран ШИМ–контроллер без интегрированных ключевых элементов, система сама подберет из своей базы необходимые MOSFET–транзисторы и предоставит несколько вариантов, облегчив тем самым разработчику порой достаточно сложную задачу по правильному подбору ключевых элементов (рис. 9).

Рис. 9. Вариант подбора ключевых элементов
Рис. 9. Вариант подбора ключевых элементов

Также одной из интересных и полезных особенностей New Power Webench является возможность оптимизации полученной схемы с учетом требуемых размеров печатной платы и КПД источника, которая позволяет в наглядной форме вращением специального регулятора выбрать соотношение между КПД и требуемой площадью печатной платы. Здесь же можно посмотреть и сравнительные графики зависимостей КПД и рассеиваемой мощности от частоты коммутации, размеров платы и других параметров.

На следующем этапе можно смоделировать работу спроектированного источника питания и увидеть формы сигналов в разных точках схемы. Среда New Power Webench позволяет смоделировать и просчитать температуры в ключевых точках схемы, на транзисторах, диодах, индуктивности и т. д., а также просчитать температурные характеристики при обдуве схемы с разных направлений.

В завершение разработки New Power Webench составляет список компонентов, Gerber–файл, файл разводки печатной платы, схему и сопутствующую документацию, которые можно сразу загрузить с сайта компании National Semiconductor. Там же можно сразу оформить on–line заказ на производство прототипа спроектированного источника питания, оплатить его и оформить доставку.

Таким образом, National Semiconductor предоставляет разработчикам возможность достаточно быстро спроектировать импульсный источник питания, подобрать все необходимые компоненты, подготовить документацию и даже заказать прототип. Все это позволяет существенно сократить время разработки и ускорить выход готового изделия на рынок.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке