Импульсный стабилизатор напряжения с повышенным КПД

В статье описан мощный импульсный стабилизатор с высоким КПД, выполненный на специализированной микросхеме UC3843. Устройство имеет защиту от перегрузки по току.

Проблема увеличения КПД источников питания особенно актуальна для преобразователей большой мощности с низким выходным напряжением (3...5В). Ее удалось решить применением современных зарубежных элементов: специализированной микросхемы управления; диодов с малым падением напряжения и временем восстановления; полевых транзисторов с низким сопротивлением в открытом состоянии.

На рисунке показана схема мощного импульсного стабилизатора напряжения с защитой от перегрузки по току.

Основные технические характеристики

Входное напряжение, В......8...16 Выходное напряжение, В.....5 Максимальный ток нагрузки, А....10 Амплитуда пульсаций выходного напряжения, мВ, не более 100 Нестабильность выходного напряжения при изменении входного напряжения, тока нагрузки и температуры окружающей среды, %, от номинального значения......2 Интервал рабочей температуры окружающей среды,°С......-10...+70 Частота преобразования, кГц......100 Среднее значение КПД при максимальном токе нагрузки во всем интервале изменения входного напряжения, %......90

В стабилизаторе применена управляющая микросхема UC3843 фирмы UNITRODE CORP (подробное ее описание см. в книге "Интегральные микросхемы: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение". - М.: ДОДЭКА. 1997). Здесь остановимся только на основных функциях ее узлов, участвующих в работе стабилизатора.

Микросхема UC3843 имеет в своем составе узел запуска, который при напряжении питания более 7,5.. .8 В (вывод 7) переводит все узлы из режима ожидания в рабочее состояние. При этом источник образцового напряжения (вывод 8) вырабатывает стабилизированное напряжение 5 В, а задающий генератор (вывод 4) - пилообразное напряжение, частоту и соотношение времени нарастания и спада которого определяют номиналы элементов R3 и С10. Выходной мощный буферный усилитель (вывод 6) формирует управляющее напряжение прямоугольной формы амплитудой, чуть меньшей напряжения питания микросхемы. Его частота, длительность импульса и паузы совпадают с аналогичными параметрами пилообразного напряжения задающего генератора.

Микросхема управления реализует широтно-импульсный способ стабилизации выходного напряжения. Для этого в ее состав включен узел сравнения на ОУ. на один вход подают часть образцового напряжения (2.5 В), а на другой - часть выходного с резистивного делителя напряжения R1R4. Элементы R2C8 - корректирующая цепь этого усилителя. Во время регулирования длительность выходного импульса начинает уменьшаться по сравнению с исходной, как только напряжение на выводе 2 микросхемы превысит значение 2,5 В. Частота же импульсов остается постоянной.

Для защиты стабилизатора от перегрузки по току в микросхеме предусмотрен быстродействующий компаратор. На один из его входов подано образцовое напряжение 1 В от встроенного источника, а на другой (вывод 3) - напряжение, пропорциональное току, протекающему через открытый транзистор VT2. Это напряжение формирует трансформатор тока Т1, первичная обмотка которого включена последовательно с транзистором VT2. Когда он находится в открытом состоянии. через вторичную обмотку трансформатора, диод VD1 и резистор R5 протекает ток, меньший тока первичной обмотки в к раз, где к = wп/w1 - коэффициент трансформации Т1. Таким образом, на резисторе R5 формируется напряжение, точно повторяющее форму тока транзистора VT2. мгновенное значение которого в каждый момент времени определяется из выражения: Ur5 = lvT2·R5/k.

В начале каждого периода управляющее выходное напряжение микросхемы открывает транзистор VT2, а при достижении напряжения на выводе 3 значения 1 В происходит его принудительное закрывание. Во время перегрузки стабилизатора этот процесс происходит каждый период, препятствуя тем самым увеличению тока через транзистор VT2. а значит, и через нагрузку.

IRF4905 - р-канальный полевой транзистор фирмы INTERNATIONAL RECTIFIER. Его сопротивление в открытом состоянии - около 20 мОм. а задержка при открывании и закрывании - менее 0,1 мкс. Такие характеристики он приобретает только при управлении от мощного импульсного усилителя, обеспечивающего большой (в несколько А) ток перезарядки емкости затвор-исток и затвор-сток. В рассматриваемом стабилизаторе напряжения этот усилитель выполнен на транзисторах VT1.1, VT1.2 микросборки. Кроме того, он инвертирует управляющий сигнал, вырабатываемый микросхемой.

Выходной сглаживающий фильтр образуют конденсаторы С12 - С17. Их число (шесть) и выбор типа достаточны для качественной фильтрации выходного напряжения без дополнительного высокочастотного фильтра.

Входной П-образный фильтр необходим для подавления высокочастотных помех, возникающих из-за импульсного характера потребляемого стабилизатором тока.

Уменьшить коммутационные потери с одновременным повышением КПД стабилизатора стало возможным благодаря использованию в качестве VD2 диода Шоттки с малым падением напряжения и временем восстановления около 0,05 мкс.

Устройство выполнено на стандартных элементах, за исключением моточных. Дроссель L1 намотан на кольце К10х6х4.5 из пермаллоя МП 140 и содержит 5 витков в 6 проводов ПЭВ 0,5. уложенных равномерно по всему периметру кольца. Дроссель L2 выполнен на кольце К19Х11x4,8 из того же материала и содержит 12 витков в 10 проводов того же диаметра. Трансформатор Т1 намотан на кольце К1Ох6хЗ из феррита 2000НМ1. Вторичная обмотка w„ выполнена проводом ПЭВ 0.2 и содержит 200 витков, равномерно уложенных по всему периметру кольца. Первичная обмотка представляет собой провод, проходящий через отверстие кольца, концы которого соединяют соответственно плюсовой вывод конденсаторов С2- С7 и исток транзистора VT2. При подключении трансформатора необходимо тщательно соблюдать правильную фазировку обмоток.

Для качественной фильтрации высокочастотных помех применены безвыводные танталовые конденсаторы (С 1- С7, С12-С17) в корпусе D (конденсаторы для поверхностного монтажа) фирм NEC, NICHCON, TDK и др. Из отечественных подойдут оксидные конденсаторы К53-28, К53-25, К53-22. Правда, конденсаторы последних двух типов необходимо герметизировать после установки.

В налаживании стабилизатор не нуждается, конечно, если качественно выполнен его монтаж. К особенностям работы микросхемы DA1 относится тот факт, что она не "любит" работать при значениях скважности управляющих импульсов менее 2, т. е. низком напряжении питания. Это проявляется в том, что пары импульсов соседних периодов имеют разную, но постоянную при данном напряжении питания длительность. Фактически же это означает, что форма пульсаций выходного напряжения получит еще одну огибающую на частоте

вдвое ниже частоты работы задающего генератора. Такую особенность можно устранить подключением между выводами 3 и 4 микросхемы последовательной цепи из резистора сопротивлением 0,1...2 кОм и конденсатора емкостью 1000... 10000 пФ. Однако частота этих "паразитных" колебаний высока, практически не увеличивает амплитуду пульсаций выходного напряжения и никак не влияет на динамические свойства стабилизатора в целом.

Импульсный стабилизатор необходимо смонтировать на печатной плате с короткими и широкими проводниками. Чем меньше будет ее размер, тем меньше станут наведенные помехи, которые в большой степени определяют устойчивость работы устройства в целом. Транзистор VT2 и диод VD2 устанавливают на теплоотводе с эффективной площадью поверхности не менее 100 см2, причем для уменьшения наведенных помех указанные элементы следует установить через изолирующие прокладки, а сам теплоотвод электрически соединяют с минусовым выводом конденсаторов С2 - С7. Правый по схеме вывод дросселя 12 следует соединить с плюсовым выводом конденсатора С12, а правый по схеме вывод резистора R4 - с плюсовым выводом конденсатора С17. С него же подают выходное напряжение на нагрузку. Макет стабилизатора был изготовлен на двухсторонней печатной плате размерами 60x90 мм и толщиной 2 мм. С верхней стороны платы размещены "высокие" элементы: дроссели, трансформатор, микросхема, а с "нижней" - фильтрующие танталовые конденсаторы, транзисторная сборка VT1, транзистор VT2 и диод VD2 фланцами наружу. Через шесть отверстий, расположенных равномерно по периметру, плата привинчена к алюминиевой пластине-теплоотводу таких же, как и плата, размеров и толщиной 3 мм. Получилась плоская конструкция толщиной 18 мм. Для эффективного охлаждения стабили затор установлен вертикально.

Автор: А.Миронов, г.Люберцы Московской обл.

Источник: www.diagram.com.ua