Микросхемы фирмы Linear Technology для импульсных стабилизаторов напряжения питания

Импульсные стабилизаторы по сравнению с обычными линейными стабилизаторами имеют ряд достоинств, которые обеспечиваются ключевым режимом работы регулирующего элемента (биполярного или полевого транзистора). В этой связи за стабилизаторами такого типа закрепилось английское название Switching Regulators (дословный перевод — стабилизаторы с переключением). В настоящей статье представлен обзор микросхем для импульсных стабилизаторов производства Linear Technology.

Впоследние 15–20 лет импульсные стабилизаторы напряжения нашли широчайшее применение в электронной аппаратуре различного назначения: от измерительной и коммуникационной техники, автоматики, ПК и сотовых телефонов до телевизоров и бытовой техники, включая даже пылесосы. Импульсные стабилизаторы зачастую являются основой узлов, которые принято называть DC/DC-преобразователями. Они имеют высокий КПД и намного меньшие потери на нагрев регулирующего элемента (РЭ), чем обычные линейные стабилизаторы. Это происходит потому, что РЭ импульсных стабилизаторов работает в ключевом режиме, а значит, имеет меньшую площадь поверхности и размеры радиатора, на котором устанавливается микросхема или внешний РЭ стабилизатора. Маломощные импульсные стабилизаторы могут не иметь радиатора вообще.

Основные разновидности импульсных стабилизаторов

Регулирующий элемент импульсного стабилизатора представляет собой ключевой каскад на биполярном или полевом транзисторе. Выходное напряжение стабилизатора формируется на накопительном конденсаторе и будет тем больше, чем больше времени в течение каждого периода управляющих импульсов этот конденсатор заряжается. Дроссель в большинстве схем импульсных стабилизаторов обеспечивает возврат (рекуперацию) энергии по питанию, обеспечивая высокий КПД схемы. В зависимости от того, какие требования предъявляются к импульсному стабилизатору, его РЭ (выходной ключ) может быть включен по-разному [1, 2]. Отечественные специалисты (включая автора этих строк) начали свое знакомство с импульсными стабилизаторами с устройства, которое принято называть понижающим импульсным стабилизатором. Он применялся в блоках питания ряда отечественных малогабаритных чернобелых телевизоров. Упрощенная схема такого стабилизатора показана на рис. 1. В англоязычной технической литературе подобные стабилизаторы называют импульсными стабилизаторами типа Buck или Step-Down.

Когда выходной ключ S1 замкнут, накопительный конденсатор C1 заряжается через дроссель L1. При этом ток заряда C1 ограничивается ЭДС самоиндукции, которая возникает в дросселе L1 и имеет знаки «+» — слева, «–» — справа. По мере роста тока заряда C1 ЭДС самоиндукции в дросселе L1 уменьшается. При запирании выходного ключа S1 ЭДС самоиндукции в дросселе L1, стараясь поддержать ток, меняет полярность («+» — справа, «–»— слева). Эта ЭДС обеспечивает дополнительный подзаряд C1 через диод D1. Напряжение на C1 зависит от входного напряжения и будет тем больше, чем больше длительность импульса открывающего ключ S1 и меньше пауза между импульсами. Отношение периода повторения импульсов (T) к длительности импульса (t_И) называется скважностью (q). Скважность можно определить по формуле: q = T/t_И. Отсюда формула для вычисления выходного напряжения для схемы рис. 1 будет выглядеть так:

В зарубежной литературе вместо скважности используется обратная ей величина — коэффициент заполнения (Duty Cycle), который сокращенно обозначается как DC и измеряется, как правило, в процентах (DC = 100%/q). Именно DC (Duty Cycle) нормируется для микросхем импульсных стабилизаторов и преобразователей фирмы Linear Technology. Используя этот параметр и особенности зарубежной символики, перепишем формулу (1) в виде:

Ключом S1 управляет устройство управления (см. рис. 1), которое представляет собой широтно-импульсный модулятор (ШИМ). Процесс стабилизации выходного напряжения осуществляется следующим образом. Предположим, что U_Вых по какой-либо причине увеличивается. Это приведет к уменьшению длительности и увеличению скважности управляющих импульсов от ШИМ. Из формул (1) и (2) следует, что выходное напряжение U_Вых уменьшится до прежнего значения. В случае уменьшения выходного напряжения стабилизатора U_Вых схема сработает аналогично, но «с точностью до наоборот».

На рис. 2 представлена упрощенная схема импульсного стабилизатора с повышением выходного напряжения (стабилизатор типа Boost или Step-Up).

Как работает эта схема? Когда ключ S1 открыт, через дроссель L1 протекает нарастающий ток и в сердечнике дросселя накапливается энергия в виде разворачивающегося магнитного поля. При запирании ключа S1 магнитное поле в сердечнике дросселя будет сворачиваться и в дросселе возникнет ЭДС самоиндукции («+» — слева, «–» — справа), которая складывается со входным напряжением U_Вх. Этим суммарным повышенным напряжением через диод D1 будет заряжаться накопительный конденсатор C1. Выходное напряжение этого стабилизатора определятся по формуле:

или, если DC выражен в процентах, то:

Из формул (3) и (4) следует, что выходное напряжение обратно пропорционально скважности (q) управляющих импульсов и пропорционально коэффициенту заполнения (DC). Выходное напряжение такого стабилизатора будет тем больше, чем больше времени будет заряжаться накопительный конденсатор, то есть чем дольше будет заперт ключ S1. Применяя последовательность рассуждения, подобную той, которую мы использовали, рассматривая предыдущую схему, несложно сообразить, как происходит стабилизация выходного напряжения в этой схеме.

Широкое распространение нашли также инвертирующие импульсные стабилизаторы (стабилизаторы типа Buck-Boost или Inverting), которые преобразуют положительное напряжение на входе в отрицательное на выходе или наоборот. Упрощенная схема инвертирующего импульсного стабилизатора, преобразующего положительное входное напряжение в отрицательное выходное, показана на рис. 3.

Когда ключ S1 открыт, через дроссель L1 протекает нарастающий ток и в сердечнике дросселя накапливается энергия в виде разворачивающегося магнитного поля. При запирании ключа S1 магнитное поле в сердечнике дросселя будет сворачиваться и в дросселе возникнет ЭДС самоиндукции («–» — вверху, «+» — внизу), которая через диод D1 будет заряжать накопительный конденсатор C1. Полярность напряжения на этом конденсаторе, а значит и выходного напряжения, отрицательная. Величину выходного напряжения инвертирующего импульсного стабилизатора можно определить по формуле:

или, если DC выражен в процентах, то:

Теоретически инвертирующий импульсный стабилизатор, преобразующий входное отрицательное напряжение в положительное выходное, отличается от последнего рассмотренного (рис. 3) только полярностью диода и, конечно, полярностью входного и выходного напряжений.

Представленные выше схемы построения импульсных стабилизаторов — это базовые схемы, но встречаются схемы с иным включением выходного ключа. Рассмотрим вкратце основные из них.

На рис. 4 изображена упрощенная схема стабилизатора, который является разновидностью повышающего импульсного стабилизатора, но с той особенностью, что ток переключения выходного ключа будет несколько меньше выходного тока.

Такой стабилизатор называют стабилизатором типа Currrent-Boosted Boost. Он оптимально работает в том случае, если выходное напряжение незначительно превышает входное. При значительной разнице этих напряжений выходной ключ может выйти из строя потому, что на этом ключе, когда он закрыт, будет очень большое напряжение. Оно равно сумме входного напряжения (U_Вх) и ЭДС на всей индуктивности L1, а напряжение на аноде диода равно сумме входного (U_Вх) и ЭДС, наведенной только на верхней части дросселя L1.

Стабилизатор типа Currrent-Boosted Buck, упрощенная схема которого изображена на рис. 5, является разновидностью понижающего импульсного стабилизатора. Выходной ток этого импульсного стабилизатора больше тока переключения выходного ключа. Это достигается с помощью трансформатора T1.

Одним из недостатков рассмотренных импульсных стабилизаторов является отсутствие гальванической развязки между входом и выходом приведенных схем. Этого недостатка лишены стабилизаторы, собранные на основе обратноходовых (Flyback) и прямоходовых (Forward) импульсных преобразователей, общие провода (шасси) первичных и вторичных цепей которых гальванически развязаны с помощью трансформатора. В некоторых схемах для обеспечения гальванической развязки цепей управления и обратной связи дополнительно используются оптроны (оптопары). Обратноходовые и прямоходовые импульсные стабилизаторы могут быть как понижающими, так и повышающими.

Обратноходовые импульсные преобразователи (Flyback Converters) достаточно разнообразны и настолько распространены, что их можно встретить практически в каждом современном телевизоре и видеомагнитофоне. Тем не менее вспомним, как включается электронный ключ в такой схеме (рис. 6).

Особенностью обратноходовых импульсных стабилизаторов и преобразователей является такая фазировка обмоток трансформатора, что во время прямого хода (когда выходной ключ S1 открыт) тока в цепях вторичных выпрямителей нет. В это время происходит накопление энергии в сердечнике трансформатора в виде разворачивающегося магнитного поля. При запирании ключа S1 (обратный ход) магнитное поле в сердечнике трансформатора будет сворачиваться, и во вторичной обмотке возникнет ЭДС («+» — вверху, «–» — внизу), заряжающая накопительный конденсатор через диод. Принципы стабилизации выходного напряжения аналогичны рассмотренным ранее. Обратноходовые стабилизаторы и преобразователи имеют один недостаток — в сердечнике трансформатора, при открывании выходного ключа, запасается много энергии в виде магнитного поля, для чего требуется большая площадь сечения этого сердечника. Поэтому трансформатор такого преобразователя будет иметь несколько увеличенные габариты.

Импульсные стабилизаторы на основе прямоходовых импульсных преобразователей (Forward Converters) используются несколько реже, но они имеют повышенный КПД и лишены указанного выше недостатка (схема, рис. 7).

Правда, для достижения этого в импульсный трансформатор добавили еще одну обмотку, а в схему ввели еще два диода и дроссель. Прямоходовой импульсный стабилизатор работает следующим образом. Во время прямого хода, когда выходной ключ S1 открыт, через первичную обмотку (I) трансформатора T1, протекает нарастающий ток, который наводит во вторичной обмотке (II) ЭДС («+» — вверху, «–» — внизу). Эта ЭДС через диод D1 и дроссель L1 заряжает конденсатор C1. При этом диоды D2 и D3 заперты. Тока в цепи дополнительной обмотки трансформатора T1 нет. Когда ключ S1 запирается (обратный ход), магнитное поле в сердечнике трансформатора сворачивается, и в обмотках трансформатора возникают ЭДС, «минусы» которых будут на выводах, обозначенных точкой. Диод D1 закрыт. Цепи первичной и вторичной обмоток разомкнуты, а ЭДС, наведенная в дополнительной обмотке, будет создавать ток через источник входного напряжения и диод D3, обеспечивая возврат энергии по питанию (рекуперацию). Кроме того, энергия, запасенная во время прямого хода в дросселе L1, во время обратного хода будет создавать в этом дросселе ЭДС самоиндукции («+» — справа, «–» — слева). Эта ЭДС обеспечивает дополнительный подзаряд C1 через диод D2.

Для питания ряда устройств, например в автомобиле, необходимо поддерживать стабильным напряжение питания в тех случаях, когда входное напряжение стабилизатора может быть как больше, так и меньше выходного. Для этих целей используются стабилизаторы типа SEPIC (single-ended primary inductance converter — одновыводной первичный преобразователь на индуктивности). Упрощенная схема импульсного стабилизатора типа SEPIC изображена на рис. 8. Он работает почти так же, как стабилизатор типа Boost. Нормальная работа этого стабилизатора как понижающего (Buck) при U_Вх > U_Вых обеспечивается конденсатором C2 и дросселем L2. Причем для нормальной работы оба дросселя схемы L1 и L2 должны иметь одинаковую индуктивность.

В последнее время вместо стабилизаторов типа SEPIC все чаще используются стабилизаторы типа Buck-Boost (рис. 9).

Главная особенность стабилизатора Buck-Boost заключается в том, что он имеет четыре ключа, которые по определенному алгоритму (см. табл. 1) переключаются устройством управления.

В случае, когда U_Вых < U_Вх, стабилизатор Buck-Boost работает как стабилизатор типа Buck (рис. 10а), а в случае, когда U_Вых > U_Вх, он работает как стабилизатор типа Boost (рис. 10б). Это обеспечивается за счет сравнения величин входного и выходного напряжений стабилизатора устройством управления, которое содержит компаратор и коммутирует ключи в соответствии с таблицей 1.

Если сравнить схемы стабилизаторов типа Buck на рис. 10а и рис. 1, то можно заметить, что главное их отличие в том, что ключ S_B (рис. 10а) установлен вместо D1 (рис. 1). Ана-логичное сравнение стабилизаторов типа Boost рис. 10б и рис. 2 показывает, что главное отличие этих схем в том, что ключ S_D (рис. 10б) установлен вместо D1 (рис. 2).

Что предлагает Linear Technology

Фирма Linear Technology выпускает микросхемы для импульсных стабилизаторов (Switching Regulators) много лет. В настоящее время Linear Technology производит 350 микросхем, которые представлены на сайте фирмы [3] как Switching Regulators. Особенности этих микросхем представлены в таблице 2 (сокращенный вариант).

Следует заметить, что в таблице 2 имеются микросхемы, которые можно отнести к импульсным стабилизаторам только условно — например микросхемы для создания электронных балластов люминесцентных ламп с холодными катодами (CCFL — cold cathode fluorescent lamp). В этой таблице приведены такие параметры микросхем, как минимальное и максимальное значения входного напряжения, ток переключения, указаны такие особенности, как наличие встроенного выходного ключа (обычно МДП-транзистора) и др. В седьмой колонке таблицы «Особенности построения и применения» приводятся типы стабилизаторов, которые можно изготовить на данной микросхеме, а также рекомендуемые области применения. В этой колонке для компактности используются следующие английские термины и сокращения:

• Boost — повышающий импульсный стабилизатор.
• Buck — понижающий импульсный стабилизатор.
• Buck-Boost — импульсный стабилизатор, входное и выходное напряжения которого обычно приблизительно равны, но могут и различаться. Причем входное напряжение может быть как больше, так и меньше выходного. Одно время стабилизатором Buck-Boost называли инвертирующий стабилизатор.
• CCFL — микросхемы драйверов электронных балластов люминесцентных ламп с холодными катодами.
• Charge Pump — импульсный стабилизатор без дросселя с цепью емкостной подкачки.
• DDR — для питания микросхем памяти DDR.
• Flyback — обратноходовой преобразователь.
• Forward — прямоходовой преобразователь.
• Full Bridge — с мостовым выходом.
• Inverting — инвертирующий стабилизатор (преобразует положительное напряжение в отрицательное или, наоборот, отрицательное в положительное).
• Optocoupler Driver — драйвер управления оптопарой (для импульсных источников питания).
• Push-Pull — с двухтактным выходом.
• Secondary Side Controller — контроллер вторичной части стабилизатора (преобразователя).
• Sepic — импульсный стабилизатор, выходное напряжение которого может быть как больше, так и меньше входного.
• VID Programmer — импульсный стабилизатор с программируемым значением выходного напряжения.

Особенностями и параметрами, приведенными в таблице 2, удобно пользоваться для предварительного выбора микросхем и схемных решений при разработке импульсных стабилизаторов и источников питания (полную версию таблицы 2 вы можете посмотреть на сайте: http://www.finestreet.ru/_pub/table_54_50.zip).

Литература

1. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. М.: Мир, 1982.
2. Nelson C. LT1070 Design Manual. Application Note 19 Linear Technology. June 1986.
3. www.linear.com