Импульсные стабилизаторы на ШИМ-контроллере КР1114ЕУ4

В настоящее время на рынке широко представлены микросхемы (отечественные и импортные), которые реализуют различный набор функций ШИМ-управления для импульсных источников питания. Среди микросхем подобного типа КР1114ЕУ4 (производитель. ЗАО "Кремний-Маркетинг", Россия) достаточно популярна. Ее импортный аналог - TL494CN (Texas Instrument). Кроме того, она выпускается рядом фирм под разными наименованиями. Например, (Япония) выпускает микросхему IR3M02, (Корея) - КА7500, ф. Fujitsu (Япония)  МВ3759.

Микросхема КР1114ЕУ4 (TL494) представляет из себя ШИМ-контроллер импульсного источника питания, работающий на фиксированной частоте. Структура микросхемы приведена на рис.1.

На базе данной микросхемы можно разрабатывать схемы управления для двухтактных и однотактных импульсных источников питания. Микросхема реализует полный набор функций ШИМ-управления: формирование опорного напряжения, усиление сигнала ошибки, формирование пилообразного напряжения, ШИМ-модуляцию, формирование 2-тактного выхода, защиту от сквозных токов и пр. Выпускается в 16-выводном корпусе, цоколевка представлена на рис.2.

Встроенный генератор пилообразного напряжения требует для установки частоты только двух внешних компонентов - Rt и Ct.Частота генератора определяется по формуле:

Для дистанционного выключения генератора можно внешним ключом замкнуть вход RT (вывод 6) на выход ИОНа (вывод 14) или замкнуть вход СТ (вывод 5) на общий провод.

Микросхема имеет встроенный источник опорного напряжения (Uref=5,0 В), способный обеспечить вытекающий ток до 10 мА для смещения внешних компонентов схемы. Опорное напряжение имеет погрешность 5% в диапазоне рабочих температур от 0 до +70°С.

Структурная схема импульсного понижающего стабилизатора приведена на рис.3.

Регулирующий элемент РЭ преобразует входное постоянное напряжение UBX в последовательность импульсов определенной длительности и частоты, а сглаживающий фильтр (дроссель L1и конденсатор С1 преобразует их опять в выходное постоянное напряжение. Диод VD1 замыкает цепь тока через дроссель при выключении РЭ. С помощью обратной связи схема управления СУ управляет регулирующим элементом таким образом, что в итоге получается заданная стабильность выходного напряжения Uн.

Стабилизаторы, в зависимости от способа стабилизации, могут быть релейными, с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) и с широтноимпульсной модуляцией (ШИМ). В стабилизаторах с ШИМ частота импульсов (период) - величина постоянная, а их длительность обратно пропорциональна значению выходного напряжения. На рис.4 показаны импульсы с различным коэффициентом заполнения Кs.

Стабилизаторы с ШИМ по сравнению со стабилизаторами других типов имеют следующие преимущества:

частота преобразования оптимальна (с точки зрения КПД), определяется внутренним генератором схемы управления и не зависит от каких-либо других факторов; частота пульсации на нагрузке является величиной постоянной, что удобно для построения подавляющих фильтров; возможна синхронизация частот преобразования неограниченного количества стабилизаторов, что исключает возникновение биений при питании нескольких стабилизаторов от общего первичного источника постоянного тока.

Единственно, схемы с ШИМ отличаются сравнительно сложной схемой управления. Но разработка интегральных микросхем типа КР1114ЕУ4, содержащих внутри большую часть узлов СУ с ШИМ, позволяет значительно упростить импульсные стабилизаторы.

Схема импульсного понижающего стабилизатора на базе КР1114ЕУ4 приведена на рис.5.

Максимальное входное напряжение стабилизатора - 30 В, оно ограничено предельно допустимым напряжением сток-исток р-канального полевого транзистораVT1 (RFP60P03). Резистор R3 и конденсатор С5 задают частоту генератора пилообразного напряжения, которая определяется по формуле (1). С источника опорного напряжения (вывода 14) D1 через резистивный делитель R6-R7 на инвертирующий вход первого усилителя ошибки (вывод 2) подается часть образцового напряжения. Сигнал обратной связи через делитель R8-R9 подается на неинвертирующий вход первого усилителя ошибки (вывод 1) микросхемы. Выходное напряжение регулируется резистором R7.Резистор R5 и конденсатор С6 осуществляют частотную коррекцию первого усилителя.

Следует отметить, что независимые выходные формирователи микросхемы обеспечивают работу выходного каскада как в двухтактном, так и в однотактном режимах. В стабилизаторе выходной формирователь микросхемы включен в однотактном режиме. Для этого вывод 13 включен на общий провод. Два выходных транзистора (их коллекторы - выводы 8, 11, эмиттеры - выводы 9, 10) включены по схеме с общим эмиттером и работают параллельно. При этом выходная частота равна частоте генератора. Выходной каскад микросхемы через резистивный делитель

R1-R2 управляет регулирующим элементом стабилизатора - полевым транзистором VT1. Для более устойчивой работы стабилизатора по питанию микросхемы (вывод 12) включен LC-фильтр L1-C2-C3. Как видно из схемы, при применении КР1114ЕУ4 требуется сравнительное небольшое число внешних элементов. Уменьшить коммутационные потери и повысить КПД стабилизатора удалось благодаря использованию диода Шоттки (VD2) КД2998Б (Unp=0,54 В, Uобр=30 В, lпр=30 A, fmax=200кГц).

Для защиты стабилизатора от перегрузки по току применен самовосстанавливающийся предохранитель FU1 MF-R400. Принцип работы подобных предохранителей основан на свойстве резко увеличивать свое сопротивление под воздействием определенного значения тока или температуры окружающей среды и автоматически восстанавливать свои свойства при устранения этих причин.

Стабилизатор имеет максимальный КПД (около 90%) на частоте 12 кГц, а КПД при выходной мощности до 10 Вт (Uвых=10 В) достигает 93%.

Детали и конструкция. Постоянные резисторы - типа С2-ЗЗН, переменные - СП5-3 или СП5-2ВА. Конденсаторы С1 С3, С5-К50-35; С4, С6, С7 -К10-17. Диод VD2 можно заменить любым другим диодом Шоттки с параметрами не хуже вышеуказанных, например, 20TQ045. Микросхема КР1114ЕУ4 заменяется на TL494LN или на TL494CN. Дроссель L1 - ДМ-0,1-80 (0,1 А, 80 мкГн). Дроссель L2 индуктивностью порядка 220 мкГн выполнен на двух сложенных вместе кольцевых магнитопроводах. МП-140 К24х13x6,5 и содержит 45 витков провода ПЭТВ-2 01,1 мм, уложенных равномерно в два слоя по всему периметру кольца. Между слоями проложены два слоя лакоткани. ЛШМС-105-0.06 ГОСТ 2214-78. Самовосстанавливающийся предохранитель типа MF-RXXX можно подобрать для каждого конкретного случая.

Стабилизатор выполнен на макетной плате размерами 55x55 мм. Транзистор устанавливается на радиаторе площадью не менее 110 см2. При монтаже целесообразно разделить общий провод силовой части и общий провод микросхемы, а также минимизировать длину проводников (особенно силовой части). В налаживании стабилизатор при правильном монтаже не нуждается.

Общая стоимость покупных радиоэлементов стабилизатора составила у меня порядка 10$, причем стоимость транзистора VT1 - 3...4$. Для снижения стоимости вместо транзистора RFP60P03 можно применить более дешевый RFP10P03, но, конечно, это несколько ухудшит технические характеристики стабилизатора.

Структурная схема импульсного параллельного стабилизатора повышающего типа приведена на рис.6.

В этом стабилизаторе регулирующий элемент РЭ, работающий в импульсном режиме, включен параллельно нагрузке Rh. Когда РЭ открыт, ток от входного источника (Ubx) протекает через дроссель L1, запасая в нем энергию. Диод VD1 при этом отсекает нагрузку и не позволяет конденсатору С1 разряжаться через открытый РЭ. Ток в нагрузку в этот промежуток времени поступает только от конденсатора С1 В следующий момент, когда РЭ закрыт, ЭДС самоиндукции дросселя L1 суммируется с входным напряжением, и энергия дросселя отдается в нагрузку. При этом выходное напряжение будет больше входного. В отличие от понижающего стабилизатора (рис.1), здесь дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, которая определяется индуктивностью дросселя L1 и скважностью импульсов регулирующего элемента РЭ.

Принципиальная схема импульсного повышающего стабилизатора показана на рис.7.

В нем применены, в основном, те же электронные компоненты, что и в схеме понижающего стабилизатора (рис.5).

Уменьшить пульсации можно за счет увеличения емкости выходного фильтра. Для более "мягкого" запуска между общим проводом и неинвертирующим входом первого усилителя ошибки (выводом 1) включен конденсатор С9.

Постоянные резисторы - С2-ЗЗН, переменные - СП5-3 или СП5-2ВА.

Конденсаторы С1 С3, С5, С6, С9 - К50-35; С4, С7, С8 - К10-17. Транзистор VT1 - IRF540 (n-канальный полевой транзистор с Uси=100 В, lc=28 A, Rси=0,077 Ом) - устанавливается на радиаторе с площадью эффективной поверхности не менее 100 см2. Дроссель L2 - такой же, как и в предыдущей схеме.

Первое включение стабилизатора лучше сделать при небольшой нагрузке (0,1...0,2 А) и минимальном выходном напряжении. Затем медленно увеличивать выходное напряжение и ток нагрузки до максимальных значений.

Если повышающий и понижающий стабилизаторы будут работать от одного входного напряжения Uin то их частоту преобразования можно засинхронизировать. Для этого (если понижающий стабилизатор будет ведущим, а повышающий ведомым) в повышающем стабилизаторе нужно удалить резистор R3 и конденсатор С7, замкнуть выводы 6 и 14 микросхемы D1, а вывод 5 D1 соединить с выводом 5 микросхемы D1 понижающего стабилизатора.

В стабилизаторе повышающего типа дроссель L2 не участвует в сглаживании пульсации выходного постоянного напряжения, поэтому для качественной фильтрации выходного напряжения необходимо применять фильтры с достаточно большими значениями L и С. Это, соответственно, приводит к увеличению массы и габаритов фильтра и устройства в целом. Поэтому удельная мощность понижающего стабилизатора больше, чем повышающего.

Автор: С.Шишкин, г.Саров Нижегородской обл.

Источник: www.diagram.com.ua