Семейство импульсных стабилизаторов напряжения Simple Switcher LM315x
Общее описание
Итак, серия микросхем LM315x включает в себя 10 ШИМконтроллеров 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.
Контроллер | Выходное напряжение, В |
Входное напряжение, В |
Частота коммутации, кГц |
---|---|---|---|
LM3150 | Регулируемое от 0,6 |
42 | Регулируемая до 1 МГц |
LM31512.5 | 2,5 | 42 | 250 |
LM31513.3 | 3,3 | 42 | 250 |
LM31515.0 | 5 | 42 | 250 |
LM31522.5 | 2,5 | 33 | 500 |
LM31523.3 | 3,3 | 37 | 500 |
LM31525.0 | 5 | 42 | 500 |
LM31532.5 | 2,5 | 16 | 750 |
LM31533.3 | 3,3 | 22 | 750 |
LM31535.0 | 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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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 ШИМконтроллер без интегрированных ключевых элементов, система сама подберет из своей базы необходимые MOSFETтранзисторы и предоставит несколько вариантов, облегчив тем самым разработчику порой достаточно сложную задачу по правильному подбору ключевых элементов (рис. 9).

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, Gerberфайл, файл разводки печатной платы, схему и сопутствующую документацию, которые можно сразу загрузить с сайта компании National Semiconductor. Там же можно сразу оформить online 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.