Как выбрать стабилизатор напряжения
Самостоятельный выбор стабилизатора напряжения потребует не только знания основ электротехники, но и изучение предложений рынка импортного и отечественного оборудования. Те, кто далёк от этого, могут полагаться только на рекомендации сведущих знакомых или на техническую грамотность продавцов (и, что не менее важно, сервисных инженеров) данного оборудования.
Наши рекомендации ориентированы на выбор электронного стабилизатора напряжения, как наиболее совершенного устройства, обладающего такими неоспоримыми достоинствами, как: широкий диапазон входного напряжения, быстродействие и высокая точность стабилизации, отсутствие искажения формы тока на выходе, высокое значение КПД, оптимальное соотношение цена/качество. Данный обзор позволит вам познакомиться с основными характеристиками и функциями этих устройств и быть готовыми к более детальному обсуждению с нашими специалистами вопросов подбора стабилизатора напряжения и подключения его в существующую сеть.
- стабилизаторы напряжения 220 В для дома;
- стабилизаторы напряжения для дома 5 кВт;
- стабилизаторы напряжения 220 В для дома 10 кВт;
- трёхфазные стабилизаторы напряжения 15 кВт.
Вступление
Прежде чем приступить к выбору, учтите, что стабилизатор обеспечивают нагрузку электропитанием только в том случае, если сетевое напряжение находится в определённых пределах. Если же оно выйдет за эти пределы (значительные превышения, глубокие провалы или полное отсутствие), стабилизатор отключит питаемые им электроприборы.
Если очень низкое напряжение в сети или его даже кратковременное пропадание критично для вашего электрооборудования, или вы никоим образом не хотите, чтобы освещение в вашем помещении неожиданно гасло, а телевизор, охранная сигнализация, музыкальный центр или компьютер отключались в самый неподходящий момент, то не следует выбирать стабилизатор напряжения — лучше обратить внимание на генератор (электростанцию), ИБП или комплексные системы защиты.
Стабилизаторы напряжения
Бытовой
Универсальный
Промышленный
Что касается выбора по сфере применения, то на самом деле не бывает каких-либо специальных промышленных или бытовых стабилизаторов, т.к. на уровне их технического устройства, принципов работы и условия эксплуатации такого однозначного деления просто нет. Правильно подобранное устройство будет одинаково хорошо работать и в частном доме, и на производстве.
Количество фаз
- при наличии хотя бы одного 3-х фазного электроприбора нужно выбрать трёхфазный стабилизатор напряжения (либо один на всех потребителей, либо только на трёхфазную нагрузку);
- т.к. в большинстве конструкций трёхфазные стабилизаторы напряжения состоят из трёх однофазных, включенных по схеме «звезда», необходимо стремиться к равномерной нагрузке всех фаз, однако, при наличии однофазных потребителей различного назначения не всегда удается этого достичь. Поэтому иногда рациональнее поставить на каждую фазу стабилизатор той мощности, которая и будет транслироваться подключенным потребителям данной фазы. Но при этом мощность соседних фаз не должна отличаться в разы.
Стабилизаторы напряжения
Однофазный 220 В
Трёхфазный 380 В
Выходная мощность
Определяется суммированием полных мощностей в ВА (вольт-амперы) всех электрических приборов, которые будут подключены к стабилизатору напряжения; при этом необходимо учесть и электроприборы, которые вы планируете приобрести и подключить в будущем. Если вам известна только активная мощность в ваттах (Вт), то разделите её на коэффициент 0.6-0.7, чтобы получить значение в ВА.
Для нагрузок с электродвигателями (например: погружной насос, холодильник, стиральная машина и т.п.) нужно выбрать стабилизатор напряжения с 3-4 кратным запасом по мощности на пусковые токи (т.е. номинальную мощность двигателя умножить на 3 или 4). Это обязательно надо сделать, т.к. нельзя допускать его перегрузки выше заложенного в нём запаса по мощности, иначе он отключится или может просто выйти из строя в момент включения электродвигателя нагрузки.
После подсчёта полной суммарной мощности всех электрических нагрузок нужно учесть поправочный коэффициент одновременности их включения, в общем случае он равен 0,7. Если у вас практически никогда не будут одновременно использоваться все электроприборы, подключенные к стабилизатору напряжения, умножьте полную суммарную мощность электропотребления на этот коэффициент.
И в завершение всех расчётов, т.к. рекомендуется выбирать стабилизаторы напряжения с запасом, полную суммарную мощность всех нагрузок необходимо умножить на 1,2 — 1,25.
Более простой способ определения требуемой мощности стабилизатора — умножить значение вводного автомата в амперах на 220 (номинальное фазное напряжение сети), но в этом случае вы получите максимальное значение мощности, подводимой в дом (т.н. разрешённая мощность), которую вы, может быть, никогда полностью и не реализуете.
Диапазон входного напряжения
Выбираемый стабилизатор должен иметь диапазон входного напряжения не уже (особенно в нижней границе рабочего диапазона), чем отклонения в питающей сети. Для анализа входной электросети вам необходимо подключить вольтметр к любой розетке и в течение 2-3 недель записывать значения напряжения в различное время суток, или воспользоваться специальными приборами, которые записывают все основные параметры сети автоматически. (Кстати, такие приборы сдаются нашей фирмой в аренду на время проведения обследования). Учтите также, что отклонения в сети могут быть связаны и с сезонностью. Следует иметь в виду, что проведенные замеры действительны только при том конкретном подключении ваших электроприборов, при котором производятся замеры.
- рабочий — когда входное напряжение находится в пределах, при которых на выходе обеспечивается заявленная точность стабилизации, например 220 В ±5%:
- предельный — когда стабилизатор выдаёт напряжение в нагрузку, но оно отличается от номинального в большую или меньшую стороны до 15-18%). При напряжении на входе, выходящем за рамки предельного, он отключает электроприборы, при этом оставаясь подключенным к электросети для контроля с возможностью подключения нагрузок при возвращении питающей сети в рабочий (предельный) диапазон напряжений.
Точность стабилизации или диапазон выходного напряжения
Выбранный вами стабилизатор должен обеспечивать выходное напряжение с точностью не хуже, чем требование к параметрам электросети подключаемой к нему нагрузки, например: 220 В ±5%, указанного в сопроводительной документации или на её шильдике. Если требования к сети у электроприборов различные, то нужно брать за основу самый узкий диапазон питающего напряжения, или разделить потребителей на группы и подключить их к разным стабилизаторам с соответствующей точностью стабилизации.
Другие параметры стабилизатора, важные для выбора
Стабильность выходной мощности. Должна обеспечиваться во всём рабочем диапазоне входного напряжения. В противном случае при пониженном входном напряжении стабилизатор будет отдавать в нагрузку лишь 50-70% от полной мощности. Этим «грешат» все дешёвые импортные и отечественные модели.
Перегрузочная способность. Чем большую перегрузку может выдержать стабилизатор напряжения, тем меньший запас по мощности можно учитывать при определении суммарной мощности электроприборов, имеющих высокие пусковые токи (например, электродвигатель погружного насоса, холодильника и т.п.).
Наличие защиты от перегрузки и короткого замыкания на выходе. В случае значительной перегрузки, когда потребляемая мощность на 5-50% превышает номинальную в течение продолжительного периода времени (от 0,1 сек. до 1 мин. или немного более), сработает система защиты (время её срабатывания зависит от величины перегрузки), которая отключит стабилизатор напряжения и тем самым предотвратит его выход из строя. Он может снова самостоятельно включиться через 10 сек. при наличии функции однократного повторного включения. Если перегрузка при повторном включении отсутствует, то устройство продолжает штатно работать. При отключении стабилизатора из-за короткого замыкания в нагрузке, перед его повторным включением необходимо обязательно предварительно выявить и устранить причину короткого замыкания.
Система контроля выходного напряжения. Если стабилизатор выйдет из строя или входное напряжение резко скачком увеличится, то такая система (выходной контактор) отключит от него электроприборы и предотвратит их выход из строя.
- электропитание приборов, рассчитанных на западные стандарты сети в 230 В;
- электропитание ламп накаливания «щадящим» напряжением в 210 В, что значительно продляет срок их службы, световой же поток останется в пределах, заявленных производителем.
Автоматическое включение. Т.к. стабилизатор автоматически отключает нагрузку в случае выхода входного напряжения за предельные значения, то он должен автоматически и подключать её, если напряжение на входе вернулось в рабочий диапазон, иначе вам придётся следить за восстановлением сети и включать его вручную.
Наличие на входе и выходе фильтров подавления импульсных помех. Это полезная функция в стабилизаторах напряжения, с её помощью он защитит электроприборы от помех в радиочастотном диапазоне.
Заключение
В заключение необходимо отметить, что проблемы с некачественным электропитанием могут возникать и по совершенно неожиданным причинам, например: неправильное соединение различных типов проводки (алюминий-медь), некачественная электропроводка, плохое качество контактов и многое другое.
При неправильной электропроводке внутри объекта (дома, офиса и т.д.) возникает взаимное влияние подключенных нагрузок различного класса друг на друга. Например, стабилизатор выдает заявленное стабилизированное напряжение, а глубинный насос, кондиционер, станок, электросварка и т.д. вызывают сильные силовые возмущения и наводки, вследствие чего чувствительные к качеству электропитания электроприборы перестают получать «чистое» синусоидальное напряжение. Для исключения таких случаев наши специалисты проведут анализ ситуации и предложат пути решения.
Поэтому для окончательного выбора стабилизатора напряжения мы настоятельно советуем вам проконсультироваться у профессионального электрика или специалистов нашей фирмы.
В общем случае для установки в тёплых помещениях можно рекомендовать инверторные стабилизаторы напряжения. Они самые совершенные по своим характеристикам и, в то же время, дешевле своих трансформаторных аналогов.
Двери настежь: DC/DC-преобразователи с широким входным диапазоном напряжений
Компания Texas Instruments является лидером производства интегральных DC/DC-преобразователей с широким входным диапазоном. Применение таких микросхем дает целый ряд преимуществ: упрощает схемы защиты от помех, уменьшает стоимость итогового изделия, делает возможным создание универсальных источников питания для различных питающих напряжений.
Рис. 1. Распределение рынка микросхем питания
Одним из направлений развития микросхем DC/DC-преобразователей является увеличение диапазона входных напряжений. В настоящее время рынок преобразователей можно разделить на три основных сегмента (рисунок 1):
- микросхемы с низким входным напряжением до 6 В и большими выходными токами;
- микросхемы среднего диапазона (до 20 В);
- микросхемы с высоким входным напряжением (более 20 В).
Согласно исследованиям, объем выпускаемых в настоящее время микросхем питания со входным напряжением 20…100 В составляет около 35% и постоянно растет.
Микросхемы питания с широким диапазоном могут использоваться практически во всех областях электроники. Однако наилучшим образом их преимущества раскрываются в жестких условиях эксплуатации в составе промышленных, автомобильных и коммуникационных устройств. Их особенности:
- высокие значения входных напряжений для микросхем питания;
- чрезвычайно высокий уровень помех;
- высокие требования к надежности.
Для того, чтобы создать надежный источник питания, отвечающий предъявляемым требованиям, на основе микросхемы со стандартным входным диапазоном до 36 В, приходится прилагать множество усилий. Необходимо предусматривать различные схемы защиты, создавать многокаскадные схемы с развязывающими трансформаторами. Кроме того, для каждого конкретного случая требуется индивидуальный подход, то есть каждый раз нужно проектировать источник питания заново. Все это неизбежно приводит к увеличению сложности, сроков разработки, стоимости и габаритов.
Использование DC/DC-преобразователей с широким входным диапазоном позволяет создавать малогабаритные, недорогие и универсальные ИП, отвечающие всем требованиям.
Приложения с высоким входным напряжением питания
Стоит отметить, что для большинства приложений питающее напряжение сети не является постоянной величиной. Диапазон его изменения зависит от конкретного приложения (рисунок 2).
Рис. 2. Требования ко входному напряжению микросхем питания
Примером устройств с высоким входным напряжением являются системы телекоммуникаций. Для большинства из них при стандартном напряжении шины 48 В требуется обеспечивать работоспособность в диапазоне напряжений 38…75 В и при этом выдерживать импульсы до 100 В.
Другой пример – напряжения бортовой сети грузового автомобиля. Допуск на напряжение бортовой сети определен в ГОСТ Р52230-2004 «Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия». Номинальное значение напряжения бортовой сети при выключенном двигателе составляет 24 В. Оно определяется напряжением аккумулятора. Если аккумулятор заряжен, напряжение сети максимально близко к номинальному. При разряде аккумулятора оно снижается.
С другой стороны, при работающем генераторе номинальное напряжение бортовой сети составляет 27 В.
Кроме того, согласно ГОСТ Р52230-2004, потребители электроэнергии, используемые при работающем двигателе, должны быть работоспособными при изменении подводимого напряжения от 90% до 125% номинального напряжения системы. Если пересчитать это в вольты – получим диапазон рабочих напряжений 21.6…30 В.
Очевидно, что такой диапазон покрывает огромное количество рядовых микросхем питания, но главная проблема заключается в расчете цепей защиты.
При проектировании автомобильной электроники с использованием обычных микросхем питания в обязательном порядке предусматриваются схемы защиты от перенапряжения. В самом простом случае это TVS-диоды и варисторы. И те, и другие не имеют идеальной прямоугольной ВАХ. Это приводит к тому, что величина перенапряжения помехи зависит от ее мощности. Чем мощнее помеха, тем выше амплитуда напряжения.
Например, TVS-диод SMCJ30A имеет напряжение начала пробоя 33.3 В. При приходе помехи напряжение ограничения составит 48.4 В при импульсном токе 32 А, а при токе 156 А – уже 64.3 В.
Таким образом, рабочий диапазон микросхемы преобразователя должен быть значительно выше, чем номинальное значение напряжения бортовой сети.
Использование микросхем питания с широким входным диапазоном позволяет с запасом покрыть весь диапазон входных напряжений даже с учетом неэффективной работы внешних защитных элементов. Кроме того, в большинстве случаев необходимость в них отпадает вовсе, об этом будет сказано в разделе «Упрощение схем защиты от помех».
Аналогичные требования к допуску на номинальное значение входного напряжения предъявляются в телекоммуникационном и промышленном оборудовании.
Стандартные DC/DC-преобразователи для таких приложений потребуют многоступенчатого преобразования с возможным использованием трансформаторной развязки.
Если использовать микросхемы питания с широким диапазоном, то ИП можно сделать максимально простым, с минимумом внешних компонентов.
Уменьшение количества внешних компонентов приводит к тому, что такой источник питания занимает мало места на плате и имеет малую стоимость.
Решение проблемы высокого уровня помех
Требования к электромагнитной совместимости (ЭМС) приборов для всех трех вышеперечисленных областей являются очень жесткими. Это значит, что кроме высокого входного напряжения, устройства должны выдерживать воздействие мощных помех. Величина этих помех в различных приложениях отличается (рисунок 2).
В качестве примера вновь обратимся к автомобильной электронике.
При функционировании электрооборудования автомобиля в аварийных и рабочих ситуациях (рисунок 3), например, при холодном запуске двигателя, обрыве индуктивных нагрузок, шумах, запуске двигателя от аккумулятора другого автомобиля и т.д., могут возникать различные помехи. Величина возникающих импульсов напряжения может достигать от десятков до сотен вольт.
Рис. 3. Помехи в бортовой сети автомобиля
Согласно ГОСТ 28751-90 «Электрооборудование автомобилей. Электромагнитная совместимость. Кондуктивные помехи по цепям питания. Требования и методы испытания», устройства проходят испытания ЭМС при различных степенях жесткости воздействующих помех. Например, для бортовых сетей 24 В амплитуда положительной помехи может достигать 35…200 В в зависимости от требований к условиям эксплуатации.
Уровень помех в промышленных шинах питания также может быть высоким. Это связано с коммутационными процессами при управлении двигателями, коммутации электромагнитов и других мощных потребителей.
Использование микросхем питания с широким диапазоном во многих случаях сокращает или даже устраняет необходимость использования внешних элементов защиты (стабилитронов, схем защитного отключения на транзисторах и др.). Более подробно этот вопрос рассмотрен в разделе «Упрощение схем защиты от помех».
Дополнительные преимущества микросхем с широким входным диапазоном напряжений
Помимо выполнения вышеперечисленных требований, использование микросхем с широким входным диапазоном дает дополнительные преимущества:
- расширяется возможность повторного использования разработанных решений;
- появляется возможность построения сложных схем с отрицательными уровнями напряжения и широким входным диапазоном;
- происходит сокращение количества используемых внешних компонентов и упрощаются схемы защиты.
Рассмотрим каждое из описанных преимуществ отдельно.
Повторное использование разработанных решений ИП
Разработка источников питания является сложной многоступенчатой задачей. Процесс создания ИП состоит из ряда этапов: выбора элементной базы, разработки принципиальной схемы с учетом ЭМС, разработки топологии платы.
На каждом этапе можно допустить ошибку, которая приведет к тому, что весь процесс разработки придется начать заново. По этой причине каждый разработчик старается по максимуму использовать ранее созданные удачные блоки. В ряде случаев схема ИП и топология печатной платы просто переносятся в другой проект.
Рис. 4. Варианты повторного использования решений для ИП
Использование микросхем питания с широким входным диапазоном позволяет сделать разрабатываемые решения еще более универсальными за счет использования одной и той же схемы и топологии платы при различных напряжениях шины питания. Источник питания, разработанный для бортовой сети легкового автомобиля 12 В, может использоваться без значительных изменений для грузовых автомобилей (24 В), телекоммуникационных устройств (48…75 В) и промышленной автоматики (24 В) (рисунок 4а).
Возможность использования практически идентичных блоков идеально подходит для построения каскадных схем.
Если потребовалось построить каскадную схему – то в качестве ее различных ступеней могут быть использованы одинаковые блоки на основе микросхем с широким входным диапазоном (рисунок 4б). При этом, возможно не только последовательное соединение отдельных блоков, но и параллельное.
В случае последовательного соединения только первый блок взаимодействует с первичной шиной питания. При параллельном соединении все блоки подключены к первичной шине. Но главное то, что все блоки являются практически идентичными и отличаются лишь номиналами внешних регулировочных компонентов (частотозадающих резисторов, резисторов обратной связи и др.).
Использование одной и той же схемы для различных устройств дает множество преимуществ:
- сокращает время разработки – не нужно заново выбирать подходящий преобразователь, создавать схему, разводить плату;
- снижает потери денег, возникающие при неизбежных ошибках при перепроектировании;
- сокращает номенклатуру элементов, что позволяет снизить закупочную стоимость;
- упрощает организацию монтажа устройств. Если используются одни и те же микросхемы, то в большинстве случаев можно использовать проверенные температурные профили пайки, выверенные шаблоны трафаретов и т.д.
Построение инвертирующих схем с широким входным диапазоном
Некоторые понижающие DC/DC-преобразователи позволяют создавать ИП с отрицательным выходным напряжением. Для этого используется инвертирующая схема включения. Особенность схемы заключается в том, что разница между входным и выходным напряжением не должна превышать ширину входного диапазона микросхемы. Чем шире входной диапазон – тем больший запас надежности мы получим.
Например, при использовании DC/DC-преобразователя LM5006, предназначенного для работы со входными напряжениями до 75 В, в инвертирующей схеме с выходным напряжением – 15 В, входное напряжение может быть до 60 В. Т.е такое решение может быть использовано в большинстве промышленных и автомобильных применений.
В итоге одна и та же микросхема позволяет строить максимально унифицированные системы со многими уровнями выходных напряжений (рисунок 5).
Рис. 5. Построение сложных систем питания
Упрощение схем защиты от помех
Как было показано выше, при использовании обычных микросхем питания с входным диапазоном до 36 В необходимо реализовывать защитные схемы, чтобы предотвратить повреждение устройства от мощных помех, распространяющихся по линиям питания. Существует два основных способа защиты (таблица 1, рисунок 6):
- использование пассивных и активных защитных схем;
- использование активных защитных схем.
Использование микросхем с широким диапазоном позволяет решить эту проблему по-особому.
Рис. 6. Построение схем защиты микросхем питания
Схемы защиты на дискретных компонентах (пассивные схемы защиты) используют пассивные компоненты защиты:
- от перегрузки по входному току – плавкие и самовосстанавливающиеся предохранители, термисторы;
- от перегрузки по напряжению – варисторы, TVS-диоды и стабилитроны;
- от обратной полярности питания – выпрямительные диоды.
Главным достоинством таких схем являются: простота реализации и отсутствие выключений устройства при возникновении перенапряжений.
Таблица 1. Сравнение схем защиты
| Характеристика | Схема защиты | ||
| Пассивная защита | Активная защита | Микросхемы с широким входным диапазоном | |
| Количество внешних компонентов | среднее | большое | малое |
| Сложность реализации | средняя | высокая | низкая |
| Стоимость | средняя | высокая | низкая |
| Занимаемая площадь | высокая | высокая | малая |
| Уровень защиты | зависит от типа компонентов | высокий | высокий |
| Длительность помехи | ограничена | не ограничена | не ограничена |
| Прерывание работы схемы на время помехи | не прерывается | прерывается | не прерывается |
В ситуации перенапряжения помеха ограничивается защитными элементами, в то время как сама микросхема питания и все устройство продолжают работать.
Как было сказано выше, дискретные компоненты не являются идеальными защитными элементами. Защитные диоды и варисторы не имеют прямоугольной ВАХ. Уровень напряжения ограничения для них зависит от мощности помехи. Время и мощность воздействующих помех ограничены допустимой рассеиваемой мощностью, а степень и уровень защиты зависят от используемых элементов. Плавкие и самовосстанавливающиеся предохранители имеют ограничения по быстродействию. Кроме того, к явным недостаткам пассивных схем можно отнести достаточно большую номенклатуру компонентов и сложность получения компактных решений.
Активные схемы защиты. В них используются дополнительные внешние транзисторы и микросхемы защиты. В случае возникновения перенапряжений, перегрузок по току и других помех транзисторы выключаются, защищая микросхемы питания.
Эти схемы позволяют выдерживать длительные перенапряжения и перегрузки. Степень защищенности микросхем питания для таких схем наиболее высокая.
К минусам такого решения следует отнести усложнение схемы, увеличение занимаемой площади, значительное увеличение стоимости.
В отличие от пассивных схем защиты при возникновении перенапряжений происходит выключение защитного транзистора, и устройство обесточивается. Если не предусмотрено дополнительного механизма автоматического включения, то может происходить полное выключение устройства.
Использование микросхем с широким входным диапазоном. Как было показано выше, широкий входной диапазон напряжений позволяет в ряде случаев отказаться от сложных схем защиты. Единственным защитным элементом станет диод, защищающий от выбросов отрицательного напряжения. Это позволяет:
- получить схемы с высоким уровнем защиты от мощных помех;
- сократить количество используемых элементов;
- уменьшить стоимость;
- создавать компактные решения.
Возникающие перенапряжения никак не сказываются на функционировании устройства, так как микросхема питания продолжает функционировать.
В случае необходимости дополнительного повышения уровня защиты используются комбинированные методы защиты.
Краткая характеристика DC/DC-преобразователей TI с широким входным диапазоном
Texas Instruments предлагает более 130 наименований микросхем DC/DC-преобразователей с широким входным диапазоном для источников питания различных топологий:
- понижающие преобразователи с входным напряжением до 100 В для промышленных, телекоммуникационных применений. Часть преобразователей имеет модификации, квалифицированные по AEC-Q100 для автомобильных приложений;
- повышающие преобразователи со входным напряжением до 75 В и выходным током до 4 А;
- повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи со входным напряжением до 40 В.
Широкий выбор DC/DC-преобразователей позволяет создавать ИП для самых разных областей электроники:
- промышленная электроника: счетчики и детекторы, промышленные компьютеры и контроллеры, системы ЧПУ, электроавтоматика станков, привода двигателей;
- автомобильная электроника: системы информирования (панели приборов, бортовые компьютеры), аннтипробуксовочная, антиблокировочная системы помощи водителю, блоки управления двигателем, автомобильные зарядные устройства;
- телекоммуникационные системы: базовые станции, повторители, мультиплексоры, серверное оборудование, GPRS;
- коммерческая электроника: кассовые системы, торговые аппараты и машины;
- системы охраны: базовые модули, системы управления исполнительными механизмами (автоматические ворота, электромагнитные клапаны).
Дадим более подробную характеристику каждой группе микросхем.
Понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
Портфолио понижающих DC/DC-преобразователей со входным напряжением, превышающим 40 В, включает более 120 наименований микросхем с различными характеристиками (таблица 2):
- со входным напряжением до 100 В;
- с выходным током до 5 А;
- классические и синхронные понижающие преобразователи;
- квалифицированные в соответствии с AEC-Q100 для автомобильных приложений;
- с фиксированной и подстраиваемой частотой преобразования;
- с возможностью внешней синхронизации.
Таблица 2. Понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
| Наименование | Выходной ток, А | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В | Рабочая частота, кГц | Синхронный преобразователь |
Квалификация по AEQ |
| LM(2)5005* | 2.5 | 7…42/75 | 1.23…37/70 | 50…500, Sync | – | – |
| LM(2)5007* | 0.5 | 9…75 | 2.5…37/73 | 50…800 | – | – |
| LM(2)5010A* | 1 | 6…42/75 | 2.5…37/70 | 50…1000 | – | есть |
| LM(2)5017/8/9* | 0.6/0.3/0.1 | 9…48/100 | 1.25…40/90 | 50…1000 | да | – |
| LM(2)5574/5/6* | 0.5/1.5/3 | 6…42/75 | 1.23…70 | 50…1000 | – | есть |
| LM25574/5/6 HV | 0.5/1.5/3 | 4…60 | 3.3…37 | 51…1000 | – | – |
| LM22670/3/6 | 3 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM22671/4 | 0.5 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM22672/5 | 1 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM43602/3* | 2/3 | 3.5…36 | 1…28 | 200…2200 | да | – |
| LM22680 | 2 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM25011 | 2 | 6…42 | 2.5…40 | до 2000 | – | есть |
| LM34919C | 0.6 | 4.5…50 | 2.5…45 | до 2600 | – | есть |
| LM46000/1/2 | 0.5/1/2 | 3.5…60 | 2…28 | 200…2200 | да | – |
| LM5006 | 0.65 | 6…75 | 2.5…75 | 50…800 | да | – |
| LM5008A/9A | 0.35/0.15 | 6…95 | 2.5…85 | 50…600 | – | – |
| LM5576 | 3 | 6…75 | 1.23…70 | 50…500 | – | есть |
| LMR14203/6 | 0.3/0.6 | 4.5…42 | 0.765…34 | 1250 | – | – |
| LMR24210/20 | 1/2 | 4.5…42 | 0.8…24 | до 1000 | да | – |
| TPS54062/1 | 0.05/0.2 | 4.7…60 | 0.8…58 | 50…1100, Sync | да | –/есть |
| TPS54140/60 A | 1.5 | 3.5…42/60 | 0.8…40/58 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54240/60 | 2.5 | 3.5…42/60 | 0.8…40/58 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54340/60 | 3.5 | 4.5…42/60 | 0.8…58.8 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54341 | 3.5 | 4.5…42 | 0.8…41 | 100…2500 | – | есть |
| TPS54361 | 3.5 | 4.5…60 | 0.8…59 | 100…2500 | – | есть |
| TPS54540/1 | 5 | 4.5…42 | 0.8…41 | 100…2500 | – | есть |
| TPS54540/60 | 5 | 4.5…42/60 | 0.8…58.8 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54560/1 | 5 | 4.5…60 | 0.8…59 | 100…2500 | – | есть |
* – имеются исполнения для более низких напряжений
Sync – возможность внешней синхронизации.
Рассмотрим конкретные примеры понижающих преобразователей от Texas Instruments.
TPS54260 – понижающий преобразователь, способный работать с диапазоном входных напряжений 3.5…60 В. В микросхему интегрирован MOSFET-ключ 200 мОм, позволяющий работать с выходными токами до 2.5 А. Микросхема допускает подстройку частоты преобразования в диапазоне 100…2500 кГц при помощи одного внешнего резистора (рисунок 7).
Рис. 7. Типовая схема включения TPS54260
Среди особенностей микросхемы можно выделить:
- возможность подстройки длительности плавного запуска, которая регулируется емкостью дополнительного конденсатора;
- наличие вывода Power Good типа «открытый коллектор», позволяющего определять аварийную просадку напряжения питания (менее 2.5 В) или выход напряжения на входе VSENSE за границы 94…107%;
- наличие вывода EN, позволяющего переводить микросхему в спящий режим с потреблением 1.3 мкА;
- режим Eco-Mode, использующийся при малых выходных токах для повышения эффективности преобразователя;
- возможность использования внешнего синхросигнала для уменьшения суммарной помехи при работе нескольких преобразователей;
- малый собственный ток потребления 138 мкА;
- микросхема совместима по выводам с TPS54040, TPS54140, TPS54160, TPS54060, и TPS54260.
Областями применения микросхемы являются промышленные и коммерческие устройства, GSM, GPRS-модули, системы безопасности.
Еще большим входным диапазоном обладает LM5576.
LM5576 позволяет реализовать источники питания со входным напряжением 6…75 В и выходным током до 3 А. В микросхему интегрирован MOSFET с сопротивлением канала 175 мОм. Преобразователь построен с использованием режима управления по току с эмуляцией пиковых токов, что позволяет получить хороший отклик при изменении нагрузки без усложнения цепей компенсации.
Рис. 8. Типовая схема включения LM5576
LM5576 имеет функции подстройки частоты преобразования (50…500 кГц) и времени плавного запуска при помощи внешних компонентов (рисунок 8). Для улучшения соответствия требованиям ЭМС тактирование микросхемы может производиться от внешнего генератора. LM5576 имеет функции защиты от перегрузки по току и от перегрева. Существует вариант микросхемы для автомобильных приложений, аттестованный по AEC-Q100 grade 1.
Для получения максимальной эффективности используют синхронные преобразователи, например, LM46002.
LM46002 – микросхема синхронного понижающего преобразователя с диапазоном входных напряжений 3.5…60 В (рисунок 9).
Рис. 9. Типовая схема включения LM46002
Встроенные транзисторы помогают достичь большей эффективности и дополнительно уменьшить количество внешних элементов. Силовые ключи преобразователя способны обеспечивать выходной ток до 2 А за счет низкого сопротивления открытого канала: 210 мОм (ключ верхнего плеча) и 110 мОм (ключ нижнего плеча).
Малое собственное потребление 30 мкА позволяет отказаться от использования дополнительного LDO для систем требующих спящего режима.
Частота работы преобразователя 500 кГц по умолчанию может быть изменена либо резистором, подключенным к выводу Rt, либо определяться частотой внешнего генератора, подсоединенного к выводу SYNC. Диапазон изменений частоты 500…2200 кГц.
Микросхема имеет множество функций защиты: от просадки входного напряжения, от перенапряжений и просадки на выходе, от перегрузки по току, от перегрева.
Среди особенностей микросхемы стоит отметить функции: Power Good, подстройки длительности плавного запуска, подстройки частоты преобразования, синхронизации от внешнего источника, пропуска импульсов при малых нагрузках.
Дополнительный плюс преобразователя – наличие интегрированных цепей коррекции.
Микросхема может с успехом применяться в промышленных и телекоммуникационных устройствах.
Повышающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
Повышающие преобразователи производства компании TI с широким входным диапазоном обладают отличными характеристиками (таблица 3):
- потолок диапазона входных напряжений: 75 В;
- микросхемы с интегрированными и внешними силовыми ключами;
- синхронные и классические преобразователи;
- выходной ток: до 4 А для микросхем с интегрированными ключами и до 20 А для схем с внешними транзисторами;
- выходное напряжение: до 75 В.
Максимальный выходной ток микросхем преобразователей зависит от величины максимального коммутируемого тока интегрированных транзисторов:
Iвых = 0.65 × Isw(мин) × (Uвх/Uвых)
Преобразователь TPS55332 имеет модификацию, соответствующую AEC-Q100 для применения в автомобильной электронике.
Таблица 3. Повышающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
| Наименование | Выходной ток преобразователя, А | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В | Рабочая частота, кГц | Силовые ключи | Квалификация по AEQ |
| TPS55332 | 0.5 | 3.6…60 | 2.5…50 | 80…2200 | интегрированные | есть |
| LM5000/1/2 | 2/1/0.5 | 3.1…40/75 | 1.26…75 | до 1500 | интегрированные | – |
| LM2585/6/7/8* | 4/4/6.5/6.5 | 4…40 | 1.23…60 | 115/200 | интегрированные | – |
| TPS55340/EP | 5 | 2.9…32 | 3…38 | 1200 | интегрированные | есть |
| LM5121/22* | 20/15 | 3…65 | 3…100 | 1000 | внешние | есть |
| TPS43060/61 | 20 | 4.5…40 | 4.5…60 | 1000 | внешние | – |
| LM3478/88 | 1 | 2.95…40 | от 1.26 | 1000 | внешние | есть |
| LM3481* | 1 | 2.97…48 | от 1.275 | 1000 | внешние | есть |
| TPS40210/1* | 6 | 4.5…52 | от 5 | 1000 | внешние | есть |
| LM5020* | 1 | 13…100 | от 1.25 | 1000 | внешние | – |
| LM5021* | 1 | 8…30 | от 1.25 | 1000 | внешние | – |
| LM5022* | 1 | 6…60 | от 1.25 | 1000 | внешние | – |
* – SEPIC-преобразователи.
Важно отметить, что большая часть повышающих контроллеров способна работать в схеме повышающе-понижающих преобразователей (SEPIC).
Повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
Кроме SEPIC-контроллеров, TI выпускает и повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи. Они применяются в случаях, когда необходима гарантированная работа системы при возможных уровнях входного напряжения как больших, так и меньших выходного.
Такие регуляторы достаточно сложны и исполняются в виде схемы с четырьмя силовыми транзисторами. TI выпускает микросхемы с интегрированными и внешними силовыми ключами.
Диапазон входных напряжений существующих микросхем достигает 75 В (таблица 4).
Таблица 4. Повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
| Наименование | Выходной ток, А | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В | Рабочая частота, кГц | Силовые ключи | Квалификация по AEQ |
| TPS55065 | 0.5 | 1.5…40 | 5 | 440 | интегрированные | есть |
| TPIC74100/1 | 1 | 1.5…40 | 5 | 440/380 | интегрированные | есть |
| LM25118 | 4 | 3…42 | 1.23…38 | 500 | внешние | есть |
| LM5118 | 4 | 3…75 | 1.23…75 | 500 | внешние | есть |
Широкий входной диапазон и способность работать в режиме повышающего регулятора делает их идеальным выбором для электроники, применяемой в сети легковых автомобилей 12 В.
Источники питания на основе таких DC/DC-преобразователей устойчивы к перенапряжениям и просадкам сети при запуске двигателя.
Заключение
Одной из тенденций развития DC/DC-преобразователей является рост диапазона входных напряжений. Компания Texas Instruments предлагает микросхемы с широким входным диапазоном до 100 В. Среди них есть повышающие, понижающие и повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи с различными уровнями выходных токов и корпусных исполнений.
Использование таких регуляторов позволяет:
- работать с широким диапазоном входных напряжений;
- работать при высоком уровне помех;
- создавать системы питания с гигантским запасом надежности;
- создавать сложные системы питания, в том числе с отрицательными уровнями напряжения;
- сократить количество внешних защитных компонентов;
- уменьшить габариты итогового устройства;
- сократить стоимость изделия.
Все это делает их идеальным выбором для таких отраслей как промышленная, автомобильная, телекоммуникационная электроника.
Литература
- Wide VIN DC/DC Power Solutions For Industrial, Automotive, and Communications Applications. Texas Instruments, 2013.
- Vijay Choudhary. Texas Instruments Wide VIN power management ICs simplify design, reduce BOM cost, and enhance reliability. Texas Instruments, 2013.
- Mary Gannon, Jim MacDonald. Wide Vin DC/DC Converters: Reliable Power for Demanding Applications. Webinar Series. Design World. 2013.
- www.ti.com.
Диапазон входного напряжения шире
Диапазоны входных и выходных рабочих напряжений ОУ. Устраняем путаницу
Статья является частью руководства, посвященного практическим аспектам и особенностям проектирования электроники с использованием операционных усилителей (ОУ) – от выбора типа ОУ до тайных приемов опытного разработчика и хитростей отладки. Руководство написано Брюсом Трампом, инженером-разработчиком с почти тридцатилетним стажем, успевшим до Texas Instruments поработать в легендарной компании Burr-Brown. В настоящее время Трамп является ведущим блогером информационного ресурса Texas Instruments “E2E” по аналоговой тематике и готовит к печати книгу об операционных усилителях.
Мы будем публиковать перевод руководства Трампа на нашем сайте регулярно, дважды в месяц.
У разработчиков зачастую возникают вопросы по поводу допустимых значений питающих напряжений, диапазонов входных и выходных напряжений операционных усилителей (ОУ). Я попытаюсь прояснить ситуацию, чтобы устранить часто возникающую путаницу.
Во-первых, у обычного ОУ нет вывода земли. Стандартный операционный усилитель «не знает», какой потенциал считать нулевым. Таким образом, ОУ не различает, работает он с биполярным питанием (dual supply, ±) или с однополярным (single power supply). Схема будет прекрасно функционировать, пока значения питающих, а также входных и выходных напряжений будут находиться в рамках допустимых диапазонов.
Есть три наиболее важных диапазона рабочих напряжений:
- Диапазон питающих напряжений (supply-voltage range) определяется как полное напряжение между выводами питания. Например, при заявленном диапазоне ±15 В полный размах напряжения составит 30 В. Диапазон рабочих напряжений питания для ОУ может быть обозначен как 6…36 В. Тогда минимальный размах напряжений составляет ±3 или +6 В. Максимальный размах будет ±18 или +36 В. Диапазон напряжений питания может составлять и вовсе 6/+30 В. И – да, несимметричное питание также может использоваться, если учесть замечания следующих пунктов.
- Входное синфазное напряжение (common-mode voltage range, СМ) обычно указывается относительно значений рабочих напряжений питания, как показано на рисунке 1. В этом случае в документации используется формульная запись, например, для гипотетического ОУ с синфазным напряжением на 2 В больше отрицательного напряжения питания и на 2,5 В меньше положительного напряжения будет использована примерно такая запись: от (V-)+2 В до (V+)-2,5 В.
- Диапазон выходного напряжения (output-voltage range) или размах выходного напряжения (output-swing capability) так же, как и в предыдущем случае, указывается относительно значений питающих напряжений. В приведенном примере – от (V-)+1 В до (V+)-1,5 В.
На рисунках 1, 2 ,3 представлена буферная схема повторителя напряжения с коэффициентом усиления G = 1. Ключевая особенность схемы заключается в том, что выходное напряжение усилителя на рисунке 1 будет на 2 В больше, чем значение отрицательного напряжения питания, и на 2,5 В меньше, чем значение положительного напряжения питания. Так получается из-за ограниченного значения входного синфазного напряжения CM. Вам потребуется изменить коэффициент усиления, чтобы расширить диапазон выходных напряжений до максимума.
Схема на рисунке 1 является типовой для ОУ с биполярным питанием. Однако использовать однополярное питание также возможно, если не выходить за границы разрешенных диапазонов напряжений.
Рис. 1. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с биполярным питанием (dual supply)
На рисунке 2 представлен так называемый ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp). Для него допустимое синфазное напряжение может быть равно размаху напряжения питания, а зачастую даже выходит за его границы. Это позволяет использовать такой ОУ в широком перечне схем, которые работают с близкими к нулю потенциалами. ОУ, который не заявлен как усилитель с однополярным питанием, на самом деле также способен работать в однополярной конфигурации в некоторых схемах, однако реальный однополярный усилитель оказывается более универсальным.
Рис. 2. Диапазоны входных и выходных напряжений типового ОУ с однополярным питанием (single-supply op amp)
В буферной схеме с коэффициентом усиления G = 1 такой ОУ обеспечивает потенциал выхода на 0,5 В выше уровня отрицательного напряжения питания за счет ограничения выходного диапазона и на 2,2 В ниже значения положительного напряжения питания за счет ограничения входного синфазного напряжения.
На рисунке 3 показан rail-to-rail ОУ. Вход rail-to-rail способен работать со входными напряжениями, равными или даже превосходящими уровни питающих напряжений. Выход типа rail-to-rail подразумевает, что выходные напряжения ОУ максимально близки к значениям напряжений питания, и обычно отличаются от них всего на 10…100 мВ. Некоторые ОУ обозначают только как усилители с выходом типа «rail-to-rail» и не упоминают о входных характеристиках, показанных на рисунке 3. Технологию «Rail-to-rail» чаще всего применяют для ОУ с однополярным питанием 5 В и ниже, чтобы максимально эффективно использовать ограниченный диапазон питающих напряжений.
Рис. 3. Диапазоны входных и выходных напряжений типового rail-to-rail ОУ
Усилители rail-to-rail весьма привлекательны благодаря менее жестким ограничениям диапазонов используемых напряжений, однако они не всегда являются оптимальным выбором. Как правило, приходится искать компромиссы с учетом значений других параметров. Именно для этого и нужны разработчики аналоговых схем.
Список опубликованных глав
Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ
Двери настежь: DC/DC-преобразователи с широким входным диапазоном напряжений
Компания Texas Instruments является лидером производства интегральных DC/DC-преобразователей с широким входным диапазоном. Применение таких микросхем дает целый ряд преимуществ: упрощает схемы защиты от помех, уменьшает стоимость итогового изделия, делает возможным создание универсальных источников питания для различных питающих напряжений.
Рис. 1. Распределение рынка микросхем питания
Одним из направлений развития микросхем DC/DC-преобразователей является увеличение диапазона входных напряжений. В настоящее время рынок преобразователей можно разделить на три основных сегмента (рисунок 1):
- микросхемы с низким входным напряжением до 6 В и большими выходными токами;
- микросхемы среднего диапазона (до 20 В);
- микросхемы с высоким входным напряжением (более 20 В).
Согласно исследованиям, объем выпускаемых в настоящее время микросхем питания со входным напряжением 20…100 В составляет около 35% и постоянно растет.
Микросхемы питания с широким диапазоном могут использоваться практически во всех областях электроники. Однако наилучшим образом их преимущества раскрываются в жестких условиях эксплуатации в составе промышленных, автомобильных и коммуникационных устройств. Их особенности:
- высокие значения входных напряжений для микросхем питания;
- чрезвычайно высокий уровень помех;
- высокие требования к надежности.
Для того, чтобы создать надежный источник питания, отвечающий предъявляемым требованиям, на основе микросхемы со стандартным входным диапазоном до 36 В, приходится прилагать множество усилий. Необходимо предусматривать различные схемы защиты, создавать многокаскадные схемы с развязывающими трансформаторами. Кроме того, для каждого конкретного случая требуется индивидуальный подход, то есть каждый раз нужно проектировать источник питания заново. Все это неизбежно приводит к увеличению сложности, сроков разработки, стоимости и габаритов.
Использование DC/DC-преобразователей с широким входным диапазоном позволяет создавать малогабаритные, недорогие и универсальные ИП, отвечающие всем требованиям.
Читайте также: Правила ряда напряжения активности металлов
Приложения с высоким входным напряжением питания
Стоит отметить, что для большинства приложений питающее напряжение сети не является постоянной величиной. Диапазон его изменения зависит от конкретного приложения (рисунок 2).
Рис. 2. Требования ко входному напряжению микросхем питания
Примером устройств с высоким входным напряжением являются системы телекоммуникаций. Для большинства из них при стандартном напряжении шины 48 В требуется обеспечивать работоспособность в диапазоне напряжений 38…75 В и при этом выдерживать импульсы до 100 В.
Другой пример – напряжения бортовой сети грузового автомобиля. Допуск на напряжение бортовой сети определен в ГОСТ Р52230-2004 «Электрооборудование автотракторное. Общие технические условия». Номинальное значение напряжения бортовой сети при выключенном двигателе составляет 24 В. Оно определяется напряжением аккумулятора. Если аккумулятор заряжен, напряжение сети максимально близко к номинальному. При разряде аккумулятора оно снижается.
С другой стороны, при работающем генераторе номинальное напряжение бортовой сети составляет 27 В.
Кроме того, согласно ГОСТ Р52230-2004, потребители электроэнергии, используемые при работающем двигателе, должны быть работоспособными при изменении подводимого напряжения от 90% до 125% номинального напряжения системы. Если пересчитать это в вольты – получим диапазон рабочих напряжений 21.6…30 В.
Очевидно, что такой диапазон покрывает огромное количество рядовых микросхем питания, но главная проблема заключается в расчете цепей защиты.
При проектировании автомобильной электроники с использованием обычных микросхем питания в обязательном порядке предусматриваются схемы защиты от перенапряжения. В самом простом случае это TVS-диоды и варисторы. И те, и другие не имеют идеальной прямоугольной ВАХ. Это приводит к тому, что величина перенапряжения помехи зависит от ее мощности. Чем мощнее помеха, тем выше амплитуда напряжения.
Например, TVS-диод SMCJ30A имеет напряжение начала пробоя 33.3 В. При приходе помехи напряжение ограничения составит 48.4 В при импульсном токе 32 А, а при токе 156 А – уже 64.3 В.
Таким образом, рабочий диапазон микросхемы преобразователя должен быть значительно выше, чем номинальное значение напряжения бортовой сети.
Использование микросхем питания с широким входным диапазоном позволяет с запасом покрыть весь диапазон входных напряжений даже с учетом неэффективной работы внешних защитных элементов. Кроме того, в большинстве случаев необходимость в них отпадает вовсе, об этом будет сказано в разделе «Упрощение схем защиты от помех».
Аналогичные требования к допуску на номинальное значение входного напряжения предъявляются в телекоммуникационном и промышленном оборудовании.
Стандартные DC/DC-преобразователи для таких приложений потребуют многоступенчатого преобразования с возможным использованием трансформаторной развязки.
Если использовать микросхемы питания с широким диапазоном, то ИП можно сделать максимально простым, с минимумом внешних компонентов.
Уменьшение количества внешних компонентов приводит к тому, что такой источник питания занимает мало места на плате и имеет малую стоимость.
Решение проблемы высокого уровня помех
Требования к электромагнитной совместимости (ЭМС) приборов для всех трех вышеперечисленных областей являются очень жесткими. Это значит, что кроме высокого входного напряжения, устройства должны выдерживать воздействие мощных помех. Величина этих помех в различных приложениях отличается (рисунок 2).
В качестве примера вновь обратимся к автомобильной электронике.
При функционировании электрооборудования автомобиля в аварийных и рабочих ситуациях (рисунок 3), например, при холодном запуске двигателя, обрыве индуктивных нагрузок, шумах, запуске двигателя от аккумулятора другого автомобиля и т.д., могут возникать различные помехи. Величина возникающих импульсов напряжения может достигать от десятков до сотен вольт.
Рис. 3. Помехи в бортовой сети автомобиля
Согласно ГОСТ 28751-90 «Электрооборудование автомобилей. Электромагнитная совместимость. Кондуктивные помехи по цепям питания. Требования и методы испытания», устройства проходят испытания ЭМС при различных степенях жесткости воздействующих помех. Например, для бортовых сетей 24 В амплитуда положительной помехи может достигать 35…200 В в зависимости от требований к условиям эксплуатации.
Уровень помех в промышленных шинах питания также может быть высоким. Это связано с коммутационными процессами при управлении двигателями, коммутации электромагнитов и других мощных потребителей.
Использование микросхем питания с широким диапазоном во многих случаях сокращает или даже устраняет необходимость использования внешних элементов защиты (стабилитронов, схем защитного отключения на транзисторах и др.). Более подробно этот вопрос рассмотрен в разделе «Упрощение схем защиты от помех».
Дополнительные преимущества микросхем с широким входным диапазоном напряжений
Помимо выполнения вышеперечисленных требований, использование микросхем с широким входным диапазоном дает дополнительные преимущества:
- расширяется возможность повторного использования разработанных решений;
- появляется возможность построения сложных схем с отрицательными уровнями напряжения и широким входным диапазоном;
- происходит сокращение количества используемых внешних компонентов и упрощаются схемы защиты.
Рассмотрим каждое из описанных преимуществ отдельно.
Повторное использование разработанных решений ИП
Разработка источников питания является сложной многоступенчатой задачей. Процесс создания ИП состоит из ряда этапов: выбора элементной базы, разработки принципиальной схемы с учетом ЭМС, разработки топологии платы.
На каждом этапе можно допустить ошибку, которая приведет к тому, что весь процесс разработки придется начать заново. По этой причине каждый разработчик старается по максимуму использовать ранее созданные удачные блоки. В ряде случаев схема ИП и топология печатной платы просто переносятся в другой проект.
Рис. 4. Варианты повторного использования решений для ИП
Использование микросхем питания с широким входным диапазоном позволяет сделать разрабатываемые решения еще более универсальными за счет использования одной и той же схемы и топологии платы при различных напряжениях шины питания. Источник питания, разработанный для бортовой сети легкового автомобиля 12 В, может использоваться без значительных изменений для грузовых автомобилей (24 В), телекоммуникационных устройств (48…75 В) и промышленной автоматики (24 В) (рисунок 4а).
Возможность использования практически идентичных блоков идеально подходит для построения каскадных схем.
Если потребовалось построить каскадную схему – то в качестве ее различных ступеней могут быть использованы одинаковые блоки на основе микросхем с широким входным диапазоном (рисунок 4б). При этом, возможно не только последовательное соединение отдельных блоков, но и параллельное.
В случае последовательного соединения только первый блок взаимодействует с первичной шиной питания. При параллельном соединении все блоки подключены к первичной шине. Но главное то, что все блоки являются практически идентичными и отличаются лишь номиналами внешних регулировочных компонентов (частотозадающих резисторов, резисторов обратной связи и др.).
Использование одной и той же схемы для различных устройств дает множество преимуществ:
- сокращает время разработки – не нужно заново выбирать подходящий преобразователь, создавать схему, разводить плату;
- снижает потери денег, возникающие при неизбежных ошибках при перепроектировании;
- сокращает номенклатуру элементов, что позволяет снизить закупочную стоимость;
- упрощает организацию монтажа устройств. Если используются одни и те же микросхемы, то в большинстве случаев можно использовать проверенные температурные профили пайки, выверенные шаблоны трафаретов и т.д.
Читайте также: Как преодолеть напряжение в теле
Построение инвертирующих схем с широким входным диапазоном
Некоторые понижающие DC/DC-преобразователи позволяют создавать ИП с отрицательным выходным напряжением. Для этого используется инвертирующая схема включения. Особенность схемы заключается в том, что разница между входным и выходным напряжением не должна превышать ширину входного диапазона микросхемы. Чем шире входной диапазон – тем больший запас надежности мы получим.
Например, при использовании DC/DC-преобразователя LM5006, предназначенного для работы со входными напряжениями до 75 В, в инвертирующей схеме с выходным напряжением – 15 В, входное напряжение может быть до 60 В. Т.е такое решение может быть использовано в большинстве промышленных и автомобильных применений.
В итоге одна и та же микросхема позволяет строить максимально унифицированные системы со многими уровнями выходных напряжений (рисунок 5).
Рис. 5. Построение сложных систем питания
Упрощение схем защиты от помех
Как было показано выше, при использовании обычных микросхем питания с входным диапазоном до 36 В необходимо реализовывать защитные схемы, чтобы предотвратить повреждение устройства от мощных помех, распространяющихся по линиям питания. Существует два основных способа защиты (таблица 1, рисунок 6):
- использование пассивных и активных защитных схем;
- использование активных защитных схем.
Использование микросхем с широким диапазоном позволяет решить эту проблему по-особому.
Рис. 6. Построение схем защиты микросхем питания
Схемы защиты на дискретных компонентах (пассивные схемы защиты) используют пассивные компоненты защиты:
- от перегрузки по входному току – плавкие и самовосстанавливающиеся предохранители, термисторы;
- от перегрузки по напряжению – варисторы, TVS-диоды и стабилитроны;
- от обратной полярности питания – выпрямительные диоды.
Главным достоинством таких схем являются: простота реализации и отсутствие выключений устройства при возникновении перенапряжений.
Таблица 1. Сравнение схем защиты
| Характеристика | Схема защиты | ||
| Пассивная защита | Активная защита | Микросхемы с широким входным диапазоном | |
| Количество внешних компонентов | среднее | большое | малое |
| Сложность реализации | средняя | высокая | низкая |
| Стоимость | средняя | высокая | низкая |
| Занимаемая площадь | высокая | высокая | малая |
| Уровень защиты | зависит от типа компонентов | высокий | высокий |
| Длительность помехи | ограничена | не ограничена | не ограничена |
| Прерывание работы схемы на время помехи | не прерывается | прерывается | не прерывается |
В ситуации перенапряжения помеха ограничивается защитными элементами, в то время как сама микросхема питания и все устройство продолжают работать.
Как было сказано выше, дискретные компоненты не являются идеальными защитными элементами. Защитные диоды и варисторы не имеют прямоугольной ВАХ. Уровень напряжения ограничения для них зависит от мощности помехи. Время и мощность воздействующих помех ограничены допустимой рассеиваемой мощностью, а степень и уровень защиты зависят от используемых элементов. Плавкие и самовосстанавливающиеся предохранители имеют ограничения по быстродействию. Кроме того, к явным недостаткам пассивных схем можно отнести достаточно большую номенклатуру компонентов и сложность получения компактных решений.
Активные схемы защиты. В них используются дополнительные внешние транзисторы и микросхемы защиты. В случае возникновения перенапряжений, перегрузок по току и других помех транзисторы выключаются, защищая микросхемы питания.
Эти схемы позволяют выдерживать длительные перенапряжения и перегрузки. Степень защищенности микросхем питания для таких схем наиболее высокая.
К минусам такого решения следует отнести усложнение схемы, увеличение занимаемой площади, значительное увеличение стоимости.
В отличие от пассивных схем защиты при возникновении перенапряжений происходит выключение защитного транзистора, и устройство обесточивается. Если не предусмотрено дополнительного механизма автоматического включения, то может происходить полное выключение устройства.
Использование микросхем с широким входным диапазоном. Как было показано выше, широкий входной диапазон напряжений позволяет в ряде случаев отказаться от сложных схем защиты. Единственным защитным элементом станет диод, защищающий от выбросов отрицательного напряжения. Это позволяет:
- получить схемы с высоким уровнем защиты от мощных помех;
- сократить количество используемых элементов;
- уменьшить стоимость;
- создавать компактные решения.
Возникающие перенапряжения никак не сказываются на функционировании устройства, так как микросхема питания продолжает функционировать.
В случае необходимости дополнительного повышения уровня защиты используются комбинированные методы защиты.
Краткая характеристика DC/DC-преобразователей TI с широким входным диапазоном
Texas Instruments предлагает более 130 наименований микросхем DC/DC-преобразователей с широким входным диапазоном для источников питания различных топологий:
- понижающие преобразователи с входным напряжением до 100 В для промышленных, телекоммуникационных применений. Часть преобразователей имеет модификации, квалифицированные по AEC-Q100 для автомобильных приложений;
- повышающие преобразователи со входным напряжением до 75 В и выходным током до 4 А;
- повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи со входным напряжением до 40 В.
Широкий выбор DC/DC-преобразователей позволяет создавать ИП для самых разных областей электроники:
- промышленная электроника: счетчики и детекторы, промышленные компьютеры и контроллеры, системы ЧПУ, электроавтоматика станков, привода двигателей;
- автомобильная электроника: системы информирования (панели приборов, бортовые компьютеры), аннтипробуксовочная, антиблокировочная системы помощи водителю, блоки управления двигателем, автомобильные зарядные устройства;
- телекоммуникационные системы: базовые станции, повторители, мультиплексоры, серверное оборудование, GPRS;
- коммерческая электроника: кассовые системы, торговые аппараты и машины;
- системы охраны: базовые модули, системы управления исполнительными механизмами (автоматические ворота, электромагнитные клапаны).
Дадим более подробную характеристику каждой группе микросхем.
Понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
Портфолио понижающих DC/DC-преобразователей со входным напряжением, превышающим 40 В, включает более 120 наименований микросхем с различными характеристиками (таблица 2):
- со входным напряжением до 100 В;
- с выходным током до 5 А;
- классические и синхронные понижающие преобразователи;
- квалифицированные в соответствии с AEC-Q100 для автомобильных приложений;
- с фиксированной и подстраиваемой частотой преобразования;
- с возможностью внешней синхронизации.
Таблица 2. Понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
| Наименование | Выходной ток, А | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В | Рабочая частота, кГц | Синхронный преобразователь |
Квалификация по AEQ |
| LM(2)5005* | 2.5 | 7…42/75 | 1.23…37/70 | 50…500, Sync | – | – |
| LM(2)5007* | 0.5 | 9…75 | 2.5…37/73 | 50…800 | – | – |
| LM(2)5010A* | 1 | 6…42/75 | 2.5…37/70 | 50…1000 | – | есть |
| LM(2)5017/8/9* | 0.6/0.3/0.1 | 9…48/100 | 1.25…40/90 | 50…1000 | да | – |
| LM(2)5574/5/6* | 0.5/1.5/3 | 6…42/75 | 1.23…70 | 50…1000 | – | есть |
| LM25574/5/6 HV | 0.5/1.5/3 | 4…60 | 3.3…37 | 51…1000 | – | – |
| LM22670/3/6 | 3 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM22671/4 | 0.5 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM22672/5 | 1 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM43602/3* | 2/3 | 3.5…36 | 1…28 | 200…2200 | да | – |
| LM22680 | 2 | 4.5…42 | 1.285…37 | 200…1000 | – | есть |
| LM25011 | 2 | 6…42 | 2.5…40 | до 2000 | – | есть |
| LM34919C | 0.6 | 4.5…50 | 2.5…45 | до 2600 | – | есть |
| LM46000/1/2 | 0.5/1/2 | 3.5…60 | 2…28 | 200…2200 | да | – |
| LM5006 | 0.65 | 6…75 | 2.5…75 | 50…800 | да | – |
| LM5008A/9A | 0.35/0.15 | 6…95 | 2.5…85 | 50…600 | – | – |
| LM5576 | 3 | 6…75 | 1.23…70 | 50…500 | – | есть |
| LMR14203/6 | 0.3/0.6 | 4.5…42 | 0.765…34 | 1250 | – | – |
| LMR24210/20 | 1/2 | 4.5…42 | 0.8…24 | до 1000 | да | – |
| TPS54062/1 | 0.05/0.2 | 4.7…60 | 0.8…58 | 50…1100, Sync | да | –/есть |
| TPS54140/60 A | 1.5 | 3.5…42/60 | 0.8…40/58 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54240/60 | 2.5 | 3.5…42/60 | 0.8…40/58 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54340/60 | 3.5 | 4.5…42/60 | 0.8…58.8 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54341 | 3.5 | 4.5…42 | 0.8…41 | 100…2500 | – | есть |
| TPS54361 | 3.5 | 4.5…60 | 0.8…59 | 100…2500 | – | есть |
| TPS54540/1 | 5 | 4.5…42 | 0.8…41 | 100…2500 | – | есть |
| TPS54540/60 | 5 | 4.5…42/60 | 0.8…58.8 | 100…2500, Sync | – | есть |
| TPS54560/1 | 5 | 4.5…60 | 0.8…59 | 100…2500 | – | есть |
Читайте также: Порядок проверки указателя напряжения
* – имеются исполнения для более низких напряжений
Sync – возможность внешней синхронизации.
Рассмотрим конкретные примеры понижающих преобразователей от Texas Instruments.
TPS54260 – понижающий преобразователь, способный работать с диапазоном входных напряжений 3.5…60 В. В микросхему интегрирован MOSFET-ключ 200 мОм, позволяющий работать с выходными токами до 2.5 А. Микросхема допускает подстройку частоты преобразования в диапазоне 100…2500 кГц при помощи одного внешнего резистора (рисунок 7).
Рис. 7. Типовая схема включения TPS54260
Среди особенностей микросхемы можно выделить:
- возможность подстройки длительности плавного запуска, которая регулируется емкостью дополнительного конденсатора;
- наличие вывода Power Good типа «открытый коллектор», позволяющего определять аварийную просадку напряжения питания (менее 2.5 В) или выход напряжения на входе VSENSE за границы 94…107%;
- наличие вывода EN, позволяющего переводить микросхему в спящий режим с потреблением 1.3 мкА;
- режим Eco-Mode, использующийся при малых выходных токах для повышения эффективности преобразователя;
- возможность использования внешнего синхросигнала для уменьшения суммарной помехи при работе нескольких преобразователей;
- малый собственный ток потребления 138 мкА;
- микросхема совместима по выводам с TPS54040, TPS54140, TPS54160, TPS54060, и TPS54260.
Областями применения микросхемы являются промышленные и коммерческие устройства, GSM, GPRS-модули, системы безопасности.
Еще большим входным диапазоном обладает LM5576.
LM5576 позволяет реализовать источники питания со входным напряжением 6…75 В и выходным током до 3 А. В микросхему интегрирован MOSFET с сопротивлением канала 175 мОм. Преобразователь построен с использованием режима управления по току с эмуляцией пиковых токов, что позволяет получить хороший отклик при изменении нагрузки без усложнения цепей компенсации.
Рис. 8. Типовая схема включения LM5576
LM5576 имеет функции подстройки частоты преобразования (50…500 кГц) и времени плавного запуска при помощи внешних компонентов (рисунок 8). Для улучшения соответствия требованиям ЭМС тактирование микросхемы может производиться от внешнего генератора. LM5576 имеет функции защиты от перегрузки по току и от перегрева. Существует вариант микросхемы для автомобильных приложений, аттестованный по AEC-Q100 grade 1.
Для получения максимальной эффективности используют синхронные преобразователи, например, LM46002.
LM46002 – микросхема синхронного понижающего преобразователя с диапазоном входных напряжений 3.5…60 В (рисунок 9).
Рис. 9. Типовая схема включения LM46002
Встроенные транзисторы помогают достичь большей эффективности и дополнительно уменьшить количество внешних элементов. Силовые ключи преобразователя способны обеспечивать выходной ток до 2 А за счет низкого сопротивления открытого канала: 210 мОм (ключ верхнего плеча) и 110 мОм (ключ нижнего плеча).
Малое собственное потребление 30 мкА позволяет отказаться от использования дополнительного LDO для систем требующих спящего режима.
Частота работы преобразователя 500 кГц по умолчанию может быть изменена либо резистором, подключенным к выводу Rt, либо определяться частотой внешнего генератора, подсоединенного к выводу SYNC. Диапазон изменений частоты 500…2200 кГц.
Микросхема имеет множество функций защиты: от просадки входного напряжения, от перенапряжений и просадки на выходе, от перегрузки по току, от перегрева.
Среди особенностей микросхемы стоит отметить функции: Power Good, подстройки длительности плавного запуска, подстройки частоты преобразования, синхронизации от внешнего источника, пропуска импульсов при малых нагрузках.
Дополнительный плюс преобразователя – наличие интегрированных цепей коррекции.
Микросхема может с успехом применяться в промышленных и телекоммуникационных устройствах.
Повышающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
Повышающие преобразователи производства компании TI с широким входным диапазоном обладают отличными характеристиками (таблица 3):
- потолок диапазона входных напряжений: 75 В;
- микросхемы с интегрированными и внешними силовыми ключами;
- синхронные и классические преобразователи;
- выходной ток: до 4 А для микросхем с интегрированными ключами и до 20 А для схем с внешними транзисторами;
- выходное напряжение: до 75 В.
Максимальный выходной ток микросхем преобразователей зависит от величины максимального коммутируемого тока интегрированных транзисторов:
Iвых = 0.65 × Isw(мин) × (Uвх/Uвых)
Преобразователь TPS55332 имеет модификацию, соответствующую AEC-Q100 для применения в автомобильной электронике.
Таблица 3. Повышающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
| Наименование | Выходной ток преобразователя, А | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В | Рабочая частота, кГц | Силовые ключи | Квалификация по AEQ |
| TPS55332 | 0.5 | 3.6…60 | 2.5…50 | 80…2200 | интегрированные | есть |
| LM5000/1/2 | 2/1/0.5 | 3.1…40/75 | 1.26…75 | до 1500 | интегрированные | – |
| LM2585/6/7/8* | 4/4/6.5/6.5 | 4…40 | 1.23…60 | 115/200 | интегрированные | – |
| TPS55340/EP | 5 | 2.9…32 | 3…38 | 1200 | интегрированные | есть |
| LM5121/22* | 20/15 | 3…65 | 3…100 | 1000 | внешние | есть |
| TPS43060/61 | 20 | 4.5…40 | 4.5…60 | 1000 | внешние | – |
| LM3478/88 | 1 | 2.95…40 | от 1.26 | 1000 | внешние | есть |
| LM3481* | 1 | 2.97…48 | от 1.275 | 1000 | внешние | есть |
| TPS40210/1* | 6 | 4.5…52 | от 5 | 1000 | внешние | есть |
| LM5020* | 1 | 13…100 | от 1.25 | 1000 | внешние | – |
| LM5021* | 1 | 8…30 | от 1.25 | 1000 | внешние | – |
| LM5022* | 1 | 6…60 | от 1.25 | 1000 | внешние | – |
Важно отметить, что большая часть повышающих контроллеров способна работать в схеме повышающе-понижающих преобразователей (SEPIC).
Повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
Кроме SEPIC-контроллеров, TI выпускает и повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи. Они применяются в случаях, когда необходима гарантированная работа системы при возможных уровнях входного напряжения как больших, так и меньших выходного.
Такие регуляторы достаточно сложны и исполняются в виде схемы с четырьмя силовыми транзисторами. TI выпускает микросхемы с интегрированными и внешними силовыми ключами.
Диапазон входных напряжений существующих микросхем достигает 75 В (таблица 4).
Таблица 4. Повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи TI с широким входным диапазоном
| Наименование | Выходной ток, А | Входное напряжение, В | Выходное напряжение, В | Рабочая частота, кГц | Силовые ключи | Квалификация по AEQ |
| TPS55065 | 0.5 | 1.5…40 | 5 | 440 | интегрированные | есть |
| TPIC74100/1 | 1 | 1.5…40 | 5 | 440/380 | интегрированные | есть |
| LM25118 | 4 | 3…42 | 1.23…38 | 500 | внешние | есть |
| LM5118 | 4 | 3…75 | 1.23…75 | 500 | внешние | есть |
Широкий входной диапазон и способность работать в режиме повышающего регулятора делает их идеальным выбором для электроники, применяемой в сети легковых автомобилей 12 В.
Источники питания на основе таких DC/DC-преобразователей устойчивы к перенапряжениям и просадкам сети при запуске двигателя.
Заключение
Одной из тенденций развития DC/DC-преобразователей является рост диапазона входных напряжений. Компания Texas Instruments предлагает микросхемы с широким входным диапазоном до 100 В. Среди них есть повышающие, понижающие и повышающе-понижающие DC/DC-преобразователи с различными уровнями выходных токов и корпусных исполнений.
Использование таких регуляторов позволяет:
- работать с широким диапазоном входных напряжений;
- работать при высоком уровне помех;
- создавать системы питания с гигантским запасом надежности;
- создавать сложные системы питания, в том числе с отрицательными уровнями напряжения;
- сократить количество внешних защитных компонентов;
- уменьшить габариты итогового устройства;
- сократить стоимость изделия.
Все это делает их идеальным выбором для таких отраслей как промышленная, автомобильная, телекоммуникационная электроника.
- Напряжение
- Реле
- Трансформатор
- Что такое рекуперация на электровозе
- Чем отличается электровоз от тепловоза
- Чем глушитель отличается от резонатора
- Стойки стабилизатора как определить неисправность
- Стабилизатор поперечной устойчивости как работает