Импульсный стабилизатор с регулированным напряжением

7 схем импульсных стабилизаторов напряжения на транзисторах

Схемы самодельных импульсных DC-DC преобразователей напряжения на транзисторах, семь примеров.

Благодаря высокому КПД импульсные стабилизаторы напряжения получают в последнее время все более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов.

Поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь малая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства.

Ощутимым недостатком импульсных стабилизаторов является наличие на выходе высокочастотных пульсаций, что заметно сужает область их практического использования — чаще всего импульсные стабилизаторы используют для питания устройств на цифровых микросхемах.

Понижающий импульсный стабилизатор напряжения

Стабилизатор с выходным напряжением, меньшим входного, можно собрать на трех транзисторах (рис. 1), два из которых (VT1, VT2) образуют ключевой регулирующий элемент, а третий (ѴТЗ) является усилителем сигнала рассогласования.

Рис. 1. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД 84%.

Устройство работает в автоколебательном режиме. Напряжение положительной обратной связи с коллектора составного транзистора ѴТ1 через конденсатор С2 поступает в цепь базы транзистора ѴТ2.

Элементом сравнения и усилителем сигнала рассогласования является каскад на транзисторе ѴТЗ. Его эмиттер подключен к источнику опорного напряжения — стабилитрону VD2, а база — к делителю выходного напряжения R5 — R7.

В импульсных стабилизаторах регулирующий элемент работает в ключевом режиме, поэтому выходное напряжение регулируется изменением скважности работы ключа.

Включением/выключением транзистора VT1 по сигналу транзистора ѴТЗ управляет транзистор ѴТ2. В моменты, когда транзистор ѴТ1 открыт, в дросселе L1, благодаря протеканию тока нагрузки, запасается электромагнитная энергия.

После закрывания транзистора запасенная энергия через диод VD1 отдается в нагрузку. Пульсации выходного напряжения стабилизатора сглаживаются фильтром L1, C3.

Характеристики стабилизатора целиком определяются свойствами транзистора ѴТ1 и диода VD1, быстродействие которых должно быть максимальным. При входном напряжении 24 В, выходном — 15 В и токе нагрузки 1 А измеренное значение КПД было равно 84%.

Дроссель L1 имеет 100 витков провода диаметром 0,63 мм на кольце К26х16х12 из феррита с магнитной проницаемостью 100. Его индуктивность при токе подмагничивания 1 А — около 1 мГн.

Step-down DC-DC преобразователь напряжения на +5В

Схема простого импульсного стабилизатора показана на рис. 2. Дроссели L1 и L2 намотаны на пластмассовых каркасах, помещенных в броневые магнитопроводы Б22 из феррита М2000НМ.

Дроссель L1 содержит 18 витков жгута из 7 проводов ПЭВ-1 0,35. Между чашками его магнитопровода вложена прокладка толщиной 0,8 мм.

Активное сопротивление обмотки дросселя L1 27 мОм. Дроссель L2 имеет 9 витков жгута из 10 проводов ПЭВ-1 0,35. Зазор между его чашками — 0,2 мм, активное сопротивление обмотки — 13 мОм.

Прокладки можно изготовить из жесткого теплостойкого материала — текстолита, слюды, электрокартона. Винт, скрепляющий чашки магнитопровода, должен быть из немагнитного материала.

Рис. 2. Схема простого ключевого стабилизатора напряжения с КПД 60%.

Для налаживания стабилизатора к его выходу подключают нагрузку сопротивлением 5. 7 Ом и мощностью 10 Вт. Подбором резистора R7 устанавливают номинальное выходное напряжение, затем увеличивают ток нагрузки до 3 А и, подбирая величину конденсатора С4, устанавливают такую частоту генерации (примерно 18. 20 кГц), при которой высокочастотные выбросы напряжения на конденсаторе C3 минимальны.

Выходное напряжение стабилизатора можно довести до 8. 10В, увеличив величину резистора R7 и установив новое значение рабочей частоты. При этом мощность, рассеиваемая на транзисторе ѴТЗ, также увеличится.

В схемах импульсных стабилизаторов желательно использовать электролитические конденсаторы К52-1. Необходимую величину емкости получают параллельным включением конденсаторов.

Основные технические характеристики:

• Входное напряжение, В — 15. 25.
• Выходное напряжение, В — 5.
• Максимальный ток нагрузки, А — 4.
• Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 4 А во всем диапазоне входных напряжений, мВ, не более — 50.
• КПД, %, не ниже — 60.
• Рабочая частота при входном напряжении 20 б и токе нагрузки 3А, кГц—20.

Улучшенный вариант импульсного стабилизатора на +5В

В сравнении с предыдущим вариантом импульсного стабилизатора в новой конструкции А. А. Миронова (рис. 3) усовершенствованы и улучшены такие его характеристики, как КПД, стабильность выходного напряжения, длительность и характер переходного процесса при воздействии импульсной нагрузки.

Рис. 3. Схема импульсного стабилизатора напряжения.

Оказалось, что при работе прототипа (рис. 2) возникает так называемый сквозной ток через составной ключевой транзистор. Этот ток появляется в те моменты, когда по сигналу узла сравнения ключевой транзистор открывается, а коммутирующий диод еще не успел закрыться. Наличие такого тока вызывает дополнительные потери на нагревание транзистора и диода и уменьшает КПД устройства.

Еще один недостаток — значительная пульсация выходного напряжения при токе нагрузки, близком к предельному. Для борьбы с пульсациями в стабилизатор (рис. 2) был введен дополнительный выходной LC-фильтр (L2, С5).

Уменьшить нестабильность выходного напряжения от изменения тока нагрузки можно только уменьшением активного сопротивления дросселя L2.

Улучшение динамики переходного процесса (в частности, уменьшение его длительности) связано с необходимостью уменьшения индуктивности дросселя, но при этом неизбежно увеличится пульсация выходного напряжения.

Поэтому оказалось целесообразным исключить этот выходной фильтр, а емкость конденсатора С2 увеличить в 5. 10 раз (параллельным соединением нескольких конденсаторов в батарею).

Цепь R2, С2 в исходном стабилизаторе (рис. 6.2) практически не изменяет длительности спада выходного тока, поэтому ее можно удалить (замкнуть резистор R2), а сопротивление резистора R3 увеличить до 820 Ом.

Но тогда при увеличении входного напряжения с 15 6 до 25 6 ток, протекающий через резистор R3 (в исходном устройстве), будет увеличиваться в 1,7 раза, а мощность рассеивания — в 3 раза (до 0,7 Вт).

Подключением нижнего по схеме вывода резистора R3 (на схеме доработанного стабилизатора это резистор R2) к плюсовому выводу конденсатора С2 этот эффект можно ослабить, но при этом сопротивление R2 (рис. 3) должно быть уменьшено до 620 Ом.

Один из эффективных путей борьбы со сквозным током — увеличение времени нарастания тока через открывшийся ключевой транзистор.

Тогда при полном открывании транзистора ток через диод VD1 уменьшится почти до нуля. Этого можно достигнуть, если форма тока через ключевой транзистор будет близка к треугольной.

Как показывает расчет, для получения такой формы тока индуктивность накопительного дросселя L1 не должна превышать 30 мкГч.

Еще один путь — применение более быстродействующего коммутирующего диода VD1, например, КД219Б (с барьером Шотки). У таких диодов выше быстродействие и меньше падение напряжения при одном и том же значении прямого тока по сравнению с обычными кремниевыми высокочастотными диодами. Конденсатор С2 типа К52-1.

Улучшение параметров устройства может быть получено и при изменении режима работы ключевого транзистора. Особенность работы мощного транзистора ѴТЗ в исходном и улучшенном стабилизаторах состоит в том, что он работает в активном режиме, а не в насыщенном, и поэтому имеет высокое значение коэффициента передачи тока и быстро закрывается.

Однако из-за повышенного напряжения на нем в открытом состоянии рассеиваемая мощность в 1,5. 2 раза превышает минимально достижимое значение.

Уменьшить напряжение на ключевом транзисторе можно подачей положительного (относительно плюсового провода питания) напряжения смещения на эмиттер транзистора ѴТ2 (см. рис. 3).

Необходимую величину напряжения смещения подбирают при налаживании стабилизатора. Если он питается от выпрямителя, подключенного к сетевому трансформатору, то для получения напряжения смещения можно предусмотреть отдельную обмотку на трансформаторе. Однако при этом напряжение смещения будет изменяться вместе с сетевым.

Схема преобразователя со стабильным напряжением смещения

Для получения стабильного напряжения смещения стабилизатор надо доработать (рис. 4), а дроссель превратить в трансформатор Т1, намотав дополнительную обмотку II. Когда ключевой транзистор закрыт, а диод VD1 открыт, напряжение на обмотке I определяется из выражения: U1=UBыx + U VD1.

Поскольку напряжение на выходе и на диоде в это время меняется незначительно, то независимо от значения входного напряжения на обмотке II напряжение практически стабильно. После выпрямления его подают на эмиттер транзистора VT2 (и VT1).

Рис. 4. Схема модифицированного импульсного стабилизатора напряжения.

Потери на нагрев снизились в первом варианте доработанного стабилизатора на 14,7%, а во втором — на 24,2%, что позволяет им работать при токе нагрузки до 4 А без установки ключевого транзистора на теплоотвод.

В стабилизаторе варианта 1 (рис. 3) дроссель L1 содержит 11 витков, намотанных жгутом из восьми проводов ПЭВ-1 0,35. Обмотку помещают в броневой магнитопровод Б22 из феррита 2000НМ.

Между чашками нужно заложить прокладку из текстолита толщиной 0,25 мм. В стабилизаторе варианта 2 (рис. 4) трансформатор Т1 образован намоткой поверх катушки дросселя L1 двух витков провода ПЭВ-1 0,35.

Вместо германиевого диода Д310 можно использовать кремниевый, например, КД212А или КД212Б, при этом число витков обмотки II нужно увеличить до трех.

DC стабилизатор напряжения с ШИМ

Стабилизатор с широтно-импульсным управлением (рис. 5) по принципу действия близок к стабилизатору, описанному в, но, в отличие от него, имеет две цепи обратной связи, соединенные таким образом, что ключевой элемент закрывается при превышении напряжения на нагрузке или увеличении тока, потребляемого нагрузкой.

При подаче питания на вход устройства ток, текущий через резистор R3, открывает ключевой элемент, образованный транзисторами VT.1, VT2, в результате чего в цепи транзистор VT1 — дроссель L1 — нагрузка — резистор R9 возникает ток. Происходит заряд конденсатора С4 и накопление энергии дросселем L1.

Если сопротивление нагрузки достаточно большое, то напряжение на ней достигает 12 Б, и стабилитрон VD4 открывается. Это приводит к открыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и закрыванию ключевого элемента, а благодаря наличию диода VD3 дроссель L1 отдает накопленную энергию нагрузке.

Рис. 5. Схема стабилизатора с широтно-импульсным управлением с КПД до 89%.

Технические характеристики стабилизатора:

• Входное напряжение — 15. 25 В.
• Выходное напряжение — 12 В.
• Номинальный ток загрузки — 1 А.
• Пульсации выходного напряжения при токе нагрузки 1 А — 0,2 В. КПД (при UBX =18 6, Ін=1 А) — 89%.
• Потребляемый ток при UBX=18 В в режиме замыкания цепи нагрузки — 0,4 А.
• Выходной ток короткого замыкания (при UBX =18 6) — 2,5 А.

По мере уменьшения тока через дроссель и разряда конденсатора С4 напряжение на нагрузке также уменьшится, что приведет к закрыванию транзисторов VT5, ѴТЗ и открыванию ключевого элемента. Далее процесс работы стабилизатора повторяется.

Конденсатор С3, снижающий частоту колебательного процесса, повышает эффективность стабилизатора.

При малом сопротивлении нагрузки колебательный процесс в стабилизаторе происходит иначе. Нарастание тока нагрузки приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R9, открыванию транзистора ѴТ4 и закрыванию ключевого элемента.

Далее процесс протекает аналогично описанному выше. Диоды VD1 и VD2 способствуют более резкому переходу устройства из режима стабилизации напряжения в режим ограничения тока.

Во всех режимах работы стабилизатора потребляемый им ток меньше тока нагрузки. Транзистор ѴТ1 следует установить на теплоотводе размерами 40×25 мм.

Дроссель L1 представляет собой 20 витков жгута из трех проводов ПЭВ-2 0,47, помещенных в чашечный магнитопровод Б22 из феррита 1500НМЗ. Магнитопровод имеет зазор толщиной 0,5 мм из немагнитного материала.

Стабилизатор несложно перестроить на другое выходное напряжение и ток нагрузки. Выходное напряжение устанавливают выбором типа стабилитрона VD4, а максимальный ток нагрузки — пропорциональным изменением сопротивления резистора R9 или подачей на базу транзистора ѴТ4 небольшого тока от отдельного параметрического стабилизатора через переменный резистор.

Для снижения уровня пульсаций выходного напряжения целесообразно применить LC-фильтр, аналогичный используемому в схеме на рис. 2.

Импульсный стабилизатор напряжения с КПД преобразования 69. 72%

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6) состоит из узла запуска (R3, VD1, ѴТ1, VD2), источника опорного напряжения и устройства сравнения (DD1.1, R1), усилителя постоянного тока (ѴТ2, DD1.2, ѴТ5), транзисторного ключа (ѴТЗ, ѴТ4), индуктивного накопителя энергии с коммутирующим диодом (VD3, L2) и фильтров — входного (L1, С1, С2) и выходного (С4, С5, L3, С6). Частота переключения индуктивного накопителя энергии в зависимости от тока нагрузки находится в пределах 1,3. 48 кГц.

Рис. 6. Схема импульсного стабилизатора напряжения с КПД преобразования 69. 72%.

Все катушки индуктивности L1 — L3 одинаковы и намотаны в броневых магнитопроводах Б20 из феррита 2000НМ с зазором между чашками около 0,2 мм.

Обмотки содержат по 20 витков жгута из четырех проводов ПЭВ-2 0,41. Можно применить также кольцевые ферритовые магнитопроводы с зазором.

Номинальное выходное напряжение 5 В при изменении входного от 8 до 60 б и КПД преобразования 69. 72%. Коэффициент стабилизации — 500.

Амплитуда пульсаций выходного напряжения при токе нагрузки 0,7 А — не более 5 мВ. Выходное сопротивление — 20 мОм. Максимальный ток нагрузки (без теплоотводов для транзистора VT4 и диода VD3) — 2 А.

Импульсный стабилизатор напряжения на 12В

Импульсный стабилизатор напряжения (рис. 6.7) при входном напряжении 20. 25 В обеспечивает на выходе стабильное напряжение 12 В при токе нагрузки 1,2 А.

Пульсации на выходе до 2 мВ. Благодаря высокому КПД в устройстве не используются теплоотводы. Индуктивность дросселя L1 — 470 мкГч.

Рис. 7. Схема импульсного стабилизатора напряжения с малыми пульсациями.

Аналоги транзисторов: ВС547 — КТ3102А] ВС548В — КТ3102В. Приблизительные аналоги транзисторов ВС807 — КТ3107; BD244 — КТ816.

Источник: Шустов М. А. — Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения.

• PCBWay — всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН.
• Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет.
• Проекты с открытым исходным кодом — доступ к тысячам открытых проектов в сообществе PCBWay!

• Схема универсального двухполярного стабилизатора напряжения (+-5В, 6В, 9В, 12В, 15В)
• Преобразователь напряжения 5В в 3,3В с кпд 95%
• Стабилизатор напряжения с защитой от короткого замыкания 9В (П217)
• Экономичный стабилизатор напряжения с полевыми транзисторами

Ключ внутри: импульсные понижающие DC/DC от STMicroelectronics

Работа практически любой электронной схемы требует наличия одного или нескольких источников постоянного напряжения, причем в подавляющем большинстве случаев используется стабилизированное напряжение. В стабилизированных источниках питания применяются либо линейные, либо импульсные стабилизаторы. Каждый тип преобразователей имеет свои достоинства и, соответственно, свою нишу в схемах электропитания. К несомненным достоинствам импульсных стабилизаторов относятся более высокие значения коэффициента полезного действия, возможность получения высоких значений выходного тока и высокая эффективность при большой разнице между значениями входного и выходного напряжений.

Принцип работы понижающего импульсного стабилизатора

На рисунке 1 представлена упрощенная схема силовой части ИПСН.

Рис. 1. Упрощенная схема силовой части ИПСН

Полевой транзистор VT осуществляет высокочастотную коммутацию тока. В импульсных стабилизаторах транзистор работает в ключевом режиме, то есть может находиться в одном из двух стабильных состояний: полной проводимости и отсечки. Соответственно, работа ИПСН состоит из двух сменяющих друг друга фаз — фазы накачки энергии (когда транзистор VT открыт) и фазы разряда (когда транзистор закрыт). Работа ИПСН иллюстрируется рисунком 2.

Рис. 2. Принцип работы ИПСН: а) фаза накачки; б) фаза разряда; в) временные диаграммы

Фаза накачки энергии продолжается на протяжении интервала времени Т_И. В это время ключ замкнут и проводит ток I_VT. Далее ток проходит через дроссель L к нагрузке R, шунтированной выходным конденсатором C_OUT. В первой части фазы конденсатор отдает ток I_C в нагрузку, а во второй половине — отбирает часть тока I_L от нагрузки. Величина тока I_L непрерывно увеличивается, и происходит накопление энергии в дросселе L, а во второй части фазы — и на конденсаторе C_OUT. Напряжение на диоде V_D равно U_IN (за вычетом падения напряжения на открытом транзисторе), и диод на протяжении этой фазы закрыт — ток через него не протекает. Ток I_R, протекающий через нагрузку R, постоянен (разность I_L — I_C), соответственно, напряжение U_OUT на выходе также постоянно.

Фаза разряда протекает в течение времени Т_П: ключ разомкнут и ток через него не протекает. Известно, что ток, протекающий через дроссель, не может измениться мгновенно. Ток IL, постоянно уменьшаясь, протекает через нагрузку и замыкается через диод V_D. В первой части этой фазы конденсатор C_OUT продолжает накапливать энергию, отбирая часть тока I_L от нагрузки. Во второй половине фазы разряда конденсатор тоже начинает отдавать ток в нагрузку. На протяжении этой фазы ток I_R, протекающий через нагрузку, также постоянен. Следовательно, напряжение на выходе также стабильно.

Основные параметры
импульсных стабилизаторов напряжения

В первую очередь отметим, что по функциональному исполнению различают ИПСН с регулируемым и с фиксированным выходным напряжением. Типичные схемы включения обоих типов ИПСН представлены на рисунке 3. Различие между ними заключается в том, что в первом случае резисторный делитель, определяющий значение выходного напряжения, находится вне интегральной схемы, а во втором — внутри. Соответственно, в первом случае значение выходного напряжения задается пользователем, а во втором — устанавливается при изготовлении микросхемы.

Рис. 3. Типичная схема включения ИПСН: а) с регулируемым и б) с фиксированным выходным напряжением

К важнейшим параметрам ИПСН относят:

• Диапазон допустимых значений входного напряжения U_{IN_MIN}…U_{IN_MAX}.
• Максимальное значение выходного тока (тока в нагрузке) I_{OUT_MAX}.
• Номинальное значение выходного напряжения U_OUT (для ИПСН с фиксированным значением выходного напряжения) или диапазон значений выходного напряжения U_{OUT_MIN}…U_{OUT_MAX} (для ИПСН с регулируемым значением выходного напряжения). Часто в справочных материалах указывается, что максимальное значение выходного напряжения U_{OUT_MAX} равно максимальному значению входного напряжения U_{IN_MAX}. В действительности это не совсем так. В любом случае выходное напряжение меньше входного, как минимум, на величину падения напряжения на ключевом транзисторе U_DROP. При значении выходного тока, равного, например, 3А, величина U_DROP составит 0,1…1,0В (в зависимости от выбранной микросхемы ИПСН). Примерное равенство U_{OUT_MAX} и U_{IN_MAX} возможно только при очень малых значениях тока нагрузки. Отметим также, что и сам процесс стабилизации выходного напряжения предполагает потерю нескольких процентов входного напряжения. Декларируемое равенство U_{OUT_MAX} и U_{IN_MAX} следует понимать только в том смысле, что других причин снижения U_{OUT_MAX}, кроме тех, что указаны выше в конкретном изделии, не существует (в частности, нет явных ограничений на максимальную величину коэффициента заполнения D). В качестве U_{OUT_MIN} обычно указывают значение напряжения обратной связи U_FB. В реальности U_{OUT_MIN} всегда должно быть на несколько процентов выше (из тех же соображений стабилизации).
• Точность установления выходного напряжения. Задается в процентах. Имеет смысл только в случае ИПСН с фиксированным значением выходного напряжения, поскольку в этом случае резисторы делителя напряжения находятся внутри микросхемы, а их точность является параметром, контролируемым при изготовлении. В случае ИПСН с регулируемым значением выходного напряжения параметр теряет смысл, поскольку точность резисторов делителя выбирается пользователем. В этом случае можно говорить только о величине колебаний выходного напряжения относительно некоторого среднего значения (точность отработки сигнала обратной связи). Напомним, что в любом случае этот параметр для импульсных стабилизаторов напряжения в 3…5 раз хуже по сравнению с линейными стабилизаторами.
• Падение напряжения на открытом транзисторе R_{DS_ON}. Как уже отмечалось, с этим параметром связано неизбежное уменьшение напряжения на выходе по отношению к входному напряжению. Но важнее другое- чем выше значение сопротивления открытого канала, тем большая часть энергии рассеивается в виде тепла. Для современных микросхем ИПСН хорошим значением являются величины до 300мОм. Более высокие значения характерны для микросхем, разработанных не менее чем пять лет назад. Заметим также, что значение R_{DS_ON} не является константой, а зависит от величины выходного тока I_OUT.
• Длительность рабочего цикла Т и частота коммутации F_SW. Длительность рабочего цикла Т определяется как сумма интервалов Т_И (длительность импульса) и Т_П (длительность паузы). Соответственно, частота F_SW— величина, обратная длительности рабочего цикла. Для некоторой части ИПСН частота коммутации — величина постоянная, определяемая внутренними элементами интегральной схемы. Для другой части ИПСН частота коммутации задается внешними элементами (как правило, внешней RC-цепью), в этом случае определяется диапазон допустимых частот F_{SW_MIN}…F_{SW_MAX}. Более высокая частота коммутации позволяет применять дроссели с меньшим значением индуктивности, что положительно сказывается и на габаритах изделия, и на его цене. В большинстве ИСПН используется ШИМ-регулирование, то есть величина Т постоянна, а в процессе стабилизации регулируется величина Т_И. Существенно реже используется частотно-импульсная модуляция (ЧИМ-регулирование). В этом случае величина Т_И постоянна, а стабилизация осуществляется за счет изменения длительности паузы Т_П. Таким образом величины Т и, соответственно, F_SW становятся переменными. В справочных материалах в этом случае, как правило, задается частота, соответствующая скважности, равной 2. Отметим, что следует отличать диапазон частот F_{SW_MIN}…F_{SW_MAX} регулируемой частоты от «ворот» допуска на фиксированную частоту, поскольку величина допуска часто указывается в справочных материалах производителя.
• Коэффициент заполнения D, который равен процентно
  му отношению Т_И к Т. Часто в справочных материалах указывают «до 100%». Очевидно, что это преувеличение, поскольку если ключевой транзистор постоянно открыт, то отсутствует процесс стабилизации. В большинстве моделей, выпущенных на рынок примерно до 2005-го года, из-за ряда технологических ограничений значение этого коэффициента было ограничено сверху величиной 90%. В современных моделях ИПСН большая часть этих ограничений преодолена, но фразу «до 100%» не следует понимать дословно.
• Коэффициент полезного действия (или эффективность). Как известно, для линейных стабилизаторов (принципиально понижающих) это процентное отношение выходного напряжения ко входному, поскольку величины входного и выходного тока почти равны. Для импульсных стабилизаторов входной и выходной токи могут существенно отличаться, поэтому в качестве КПД берется процентное отношение выходной мощности ко входной. Строго говоря, для одной и той же микросхемы ИПСН значение этого коэффициента может существенно отличаться в зависимости от соотношения значений входного и выходного напряжения, величины тока в нагрузке и частоты коммутации. Для большинства ИПСН максимум КПД достигается при значении тока в нагрузке порядка 20…30% от максимально допустимого значения, поэтому численное значение не очень информативно. Целесообразнее пользоваться графиками зависимости, которые приводятся в справочных материалах производителя. На рисунке4 в качестве примера приведены графики эффективности для стабилизатора ST1S14. Очевидно, что использование высоковольтного стабилизатора при невысоких реальных значениях входного напряжения не является хорошим решением, поскольку значение КПД существенно падает при приближении тока в нагрузке к максимальному значению. Вторая группа графиков иллюстрирует более предпочтительный режим, поскольку значение эффективности слабо зависит от колебаний выходного тока. Критерием правильного выбора преобразователя является даже не столько численное значение КПД, сколько именно плавность графика функции от тока в нагрузке (отсутствие «завала» в области больших токов).

Рис. 4. Графики зависимости КПД от тока в нагрузке для ИПСН ST1S14

Приведенным перечнем весь список параметров ИПСН не исчерпывается. С менее значимыми параметрами можно ознакомиться в литературе [1].

Специальные функции
импульсных стабилизаторов напряжения

В большинстве случаев ИПСН имеют ряд дополнительных функций, расширяющих возможности их практического применения. Наиболее часто встречаются следующие:

• Вход отключения нагрузки «On/Off» или «Shutdown» позволяет разомкнуть ключевой транзистор и, таким образом, отключить напряжение от нагрузки. Как правило, используется для дистанционного управления группой стабилизаторов, реализуя определенный алгоритм подачи и отключения отдельных напряжений в системе электропитания. Кроме того, может применяться как вход для аварийного выключения питания при нештатной ситуации.
• Выход нормального состояния «Power Good»- обобщающий выходной сигнал, подтверждающий, что ИПСН находится в нормальном рабочем состоянии. Активный уровень сигнала формируется после завершения переходных процессов от подачи входного напряжения и, как правило, используется или в качестве признака исправности ИПСН, или для запуска следующих ИСПН в последовательных системах электропитания. Причины, по которым этот сигнал может быть сброшен: падение входного напряжения ниже определенного уровня, выход выходного напряжения за определенные рамки, отключение нагрузки по сигналу Shutdown, превышение максимального значения тока в нагрузке (в частности, факт короткого замыкания), температурное отключение нагрузки и некоторые другие. Факторы, которые учитываются при формировании этого сигнала, зависят от конкретной модели ИПСН.
• Вывод внешней синхронизации «Sync» обеспечивает возможность синхронизации внутреннего генератора с внешним синхросигналом. Используется для организации совместной синхронизации нескольких стабилизаторов в сложных системах электропитания. Отметим, что частота внешнего синхросигнала не обязательно должна совпадать с собственной частотой FSW, однако, она должна лежать в допустимых пределах, оговоренных в материалах производителя.
• Функция плавного старта «Soft Start» обеспечивает относительно медленное нарастание выходного напряжения при подаче напряжения на вход ИПСН или при включении по заднему фронту сигнала Shutdown. Данная функция позволяет снизить броски тока в нагрузке при включении микросхемы. Параметры работы схемы плавного старта чаще всего являются фиксированными и определяются внутренними компонентами стабилизатора. В некоторых моделях ИПСН присутствует специальный вывод Soft Start. В этом случае параметры запуска определяются номиналами внешних элементов (резистор, конденсатор, RC-цепь), подключенных к данному выводу.
• Температурная защита предназначена для предотвращения выхода из строя микросхемы в случае перегрева кристалла. Повышение температуры кристалла (независимо от причины) выше определенного уровня вызывает срабатывание защитного механизма — снижение тока в нагрузке или ее полное отключение. Это предотвращает дальнейшее повышение температуры кристалла и повреждение микросхемы. Возврат схемы в режим стабилизации напряжения возможен только после остывания микросхемы. Отметим, что температурная защита реализована в подавляющем большинстве современных микросхем ИПСН, однако отдельная индикация именно этого состояния не предусмотрена. Инженеру предстоит самому догадаться, что причиной отключения нагрузки является именно срабатывание температурной защиты.
• Защита по току заключается либо в ограничении величины тока, протекающего через нагрузку, либо в отключении нагрузки. Защита срабатывает, если сопротивление нагрузки оказывается слишком малым (например, имеет место короткое замыкание), а ток превышает определенное пороговое значение, что может привести к выходу микросхемы из строя. Как и в предыдущем случае, диагностика этого состояния является заботой инженера.

Последнее замечание, касающееся параметров и функций ИПСН. На рисунках 1 и 2 присутствует разрядный диод V_D. В довольно старых стабилизаторах этот диод реализован именно как внешний кремниевый. Недостатком такого схемотехнического решения было высокое падение напряжения (примерно 0,6 В) на диоде в открытом состоянии. В более поздних схемах использовался диод Шоттки, падение напряжения на котором составляло примерно 0,3 В. В разработках последних пяти лет эти решения используются только для высоковольтных преобразователей. В большинстве современных изделий разрядный диод выполняется в виде внутреннего полевого транзистора, работающего в противофазе с ключевым транзистором. В этом случае падение напряжения определяется сопротивлением открытого канала и при небольших токах нагрузки дает дополнительный выигрыш. Стабилизаторы, использующие это схемотехническое решение, называются синхронными. Обратим внимание, что возможность работы от внешнего синхросигнала и термин «синхронный» не связаны никаким образом.

Импульсные понижающие стабилизаторы
с малым входным напряжением

Учитывая тот факт, что в номенклатуре STMicroelectronics присутствует примерно 70 типов ИПСН с встроенным ключевым транзистором, имеет смысл систематизировать все многообразие. Если в качестве критерия взять такой параметр, как максимальное значение входного напряжения, то можно выделить четыре группы:

1. ИПСН с малым входным напряжением (6 В и менее);

2. ИПСН с входным напряжением 10…28 В;

3. ИПСН с входным напряжением 36…38 В;

4. ИПСН с высоким входным напряжением (46 В и выше).

Параметры стабилизаторов первой группы приведены в таблице 1.

Таблица 1. ИПСН с малым входным напряжением

Наименование	Вых. ток, A	Входное напряжение, В		Выходное напряжение, В		КПД, %	Частота коммутации, кГц	Сопротивление открытого канала, мОм	Функции и флаги
	IOUT	VIN		VOUT		h	FSW	RDSON	On/Off	Sync. Pin	Soft Start	Pow Good
	Макс	Мин	Макс	Мин	Макс	Макс	Тип
L6925D	0,8	2,7	5,5	0,6	5,5	95	600	240	+	+	+	+
L6926	0,8	2,0	5,5	0,6	5,5	95	600	240	+	+	+	+
L6928	0,8	2,0	5,5	0,6	5,5	95	1450	240	+	+	+	+
PM8903A	3,0	2,8	6,0	0,6	6,0	96	1100	35	+	+	+	+
ST1S06A	1,5	2,7	6,0	0,8	5,0	92	1500	150	+	–	+	–
ST1S09	2,0	4,5	5,5	0,8	5,0	95	1500	100	*	–	+	+
ST1S12	0,7	2,5	5,5	0,6	5,0	92	1700	250	+	+	–
ST1S15	0,5	2,3	5,5	Фикс. 1,82 и 2,8 В		90	6000	350	+	–	+	–
ST1S30	3,0	2,7	6,0	0,8	5,0	85	1500	100	*	–	+	+
ST1S31	3,0	2,8	5,5	0,8	5,5	95	1500	60	+	–	+	–
ST1S32	4,0	2,8	5,5	0,8	5,5	95	1500	60	+	–	+	–
* – функция присутствует не для всех исполнений.

Еще в 2005 году линейка стабилизаторов этого типа была неполной. Она ограничивалась микросхемами L692x [2]. Эти микросхемы обладали хорошими характеристиками: высокой точностью и КПД, отсутствием ограничений на значение коэффициента заполнения, возможностью регулировки частоты при работе от внешнего синхросигнала, приемлемым значением R_DSON. Все это делает данные изделия востребованными и в настоящее время. Существенный недостаток — невысокие значения максимального выходного тока. Стабилизаторы на токи нагрузки от 1 А и выше в линейке низковольтных ИПСН компании STMicroelectronics отсутствовали. В дальнейшем этот пробел был ликвидирован: сначала появились стабилизаторы на 1,5 и 2 А (ST1S06 и -09), а в последние годы — на 3 и 4 А (ST1S30, -31 и -32). Кроме повышения выходного тока, увеличилась частота коммутации, снизилось значение сопротивления открытого канала, что положительно сказалось на потребительских свойствах конечных изделий. Отметим также появление микросхем ИПСН с фиксированным выходным напряжением (ST1S12 и -15) — в линейке STMicroelectronics таких изделий не очень много. Последняя новинка — PM8903A со значением RDSON в 35 мОм — это один из лучших показателей в отрасли, что в сочетании с широкими функциональными возможностями обещает этому изделию хорошие перспективы.

Основная область применения изделий данного типа — мобильные устройства с батарейным питанием. Широкий диапазон входного напряжения обеспечивает устойчивую работу аппаратуры при различных уровнях заряда аккумуляторной батареи, а высокий КПД минимизирует преобразование входной энергии в тепло. Последнее обстоятельство определяет преимущества импульсных стабилизаторов по сравнению с линейными именно в этой области пользовательских приложений.

В целом, данная группа у компании STMicroelectronics развивается достаточно динамично — примерно половина всей линейки появилась на рынке в последние 3-4 года.

Импульсные понижающие стабилизаторы
с входным напряжением 10…28 В

Параметры преобразователей этой группы приведены в таблице 2.

Таблица 2. ИПСН со входным напряжением 10…28 В

Наименование	Вых. ток, A	Входное напряжение, В		Выходное напряжение, В		КПД, %	Частота коммутации, кГц	Сопротивление открытого канала, мОм	Функции и флаги
	IOUT	VIN		VOUT		h	FSW	RDSON	On/Off	Sync. Pin	Soft Start	Pow Good
	Макс	Мин	Макс	Мин	Макс	Макс	Тип
L5980	0,7	2,9	18,0	0,6	18,0	93	250…1000	140	+	+	+	–
L5981	1,0	2,9	18,0	0,6	18,0	93	250…1000	140	+	+	+	–
L5983	1,5	2,9	18,0	0,6	18,0	93	250…1000	140	+	+	+	–
L5985	2,0	2,9	18,0	0,6	18,0	93	250…1000	140	+	+	+	–
L5986	2,5	2,9	18,0	0,6	18,0	93	250…1000	140	+	+	+	–
L5987	3,0	2,9	18,0	0,6	18,0	93	250…1000	140	+	+	+	–
L5988D	4,0	2,9	18,0	0,6	18,0	95	400…1000	120	+	+	–
L5989D	4,0	2,9	18,0	0,6	18,0	95	400…1000	120	+	–	+	+
L7980	2,0	4,5	28,0	0,6	28,0	93	250…1000	160	+	+	+	–
L7981	3,0	4,5	28,0	0,6	28,0	93	250…1000	160	+	+	+	–
ST1CC40	2,0	3,0	18,0	0,1	18,0	н.д.	850	95	+	–	+	–
ST1S03	1,5	2,7	16,0	0,8	12,0	79	1500	280	–	–	+	–
ST1S10	3,0	2,7	18,0	0,8	16,0	95	900	120	+	+	+	–
ST1S40	3,0	4,0	18,0	0,8	18,0	95	850	95	+	–	+	–
ST1S41	4,0	4,0	18,0	0,8	18,0	95	850	95	+	–	+	–
ST763AC	0,5	3,3	11,0	Фикс. 3,3		90	200	1000	+	–	+	–

Восемь лет назад данная группа была представлена только микросхемами ST730, -750 и -763 с входным напряжением до 11 В. Диапазон от 16 до 28 В оставался не заполненным. Из всех перечисленных модификаций в настоящее время в линейке присутствует только ST763AC, но параметры этого ИПСН современным требованиям соответствуют слабо. Можно считать, что за это время номенклатура рассматриваемой группы обновлена полностью.

В настоящее время база данной группы — микросхемы L598x. Данная линейка рассчитана на весь диапазон токов нагрузки от 0,7 до 4 А, обеспечивает полный комплект специальных функций, частота коммутации регулируется в достаточно широких пределах, отсутствуют ограничения на значение коэффициента заполнения, значения КПД и сопротивления открытого канала отвечают современным требованиям. Существенных минусов в данной серии два. Во-первых, отсутствует встроенный разрядный диод (кроме микросхем с суффиксом D). Точность регулирования выходного напряжения достаточно высока (2%), но наличие трех и более внешних элементов в цепи компенсации обратной связи нельзя отнести к достоинствам. Микросхемы L7980 и -81 отличаются от серии L598x только иным диапазоном входных напряжений, но схемотехника, а, следовательно, достоинства и недостатки аналогичны семейству L598x. В качестве примера на рисунке 5 представлена типовая схема включения трехамперной микросхемы L5987. Присутствует и разрядный диод D, и элементы цепи компенсации R4, C4 и C5. Входы F_SW и SYNCH остаются свободными, следовательно, преобразователь работает от внутреннего генератора с частотой F_SW, заданной по умолчанию.

Рис. 5. Типовая схема включения микросхемы L5987

Микросхема ST1S10 по своим эксплуатационным параметрам близка к L5987. В ней сохранено большинство положительных качеств серии L598x, а именно: высокое значение КПД, малое значение сопротивления открытого канала, высокая (2%) точность регулирования. Собственная частота коммутации фиксирована, но при работе от внешнего синхросигнала может изменяться в значительном диапазоне частот (400…1200 кГц), что, как минимум, не хуже, чем в L5987. Характерные для L598x недостатки устранены: внешний разрядный диод отсутствует, и его функции выполняет встроенный полевой транзистор с малым значением R_DSON; цепь коррекции обратной связи не требует внешних элементов. Типовая схема включения ИПСН ST1S10 представлена на рисунке 6. Очевидно, что число внешних элементов практически сведено к минимуму. Единственный минус, по сравнению с L5987, — коэффициент заполнения ограничен максимальным значением 90%, что привело к снижению значения V_{OUT_MAX} до 16 В.

Рис. 6. Типовая схема включения микросхемы ST1S10

Преобразователь ST1S10 является весьма популярной микросхемой для значительного круга разработчиков и широко востребованной позицией на российском рынке. Популярность микросхемы положительно сказывается на ее цене и доступности в любых разумных количествах. С момента появления ST1S10 на рынке накоплен значительный опыт ее применения в различных приложениях. В материале производителя [3] приводится пример построения ИПСН с частотой коммутации 900 кГц и выходным током до 3 А. Документ включает в себя пошаговую методику расчета внешних элементов, в зависимости от особенностей применения (в частности, от предполагаемого значения коэффициента заполнения D), содержит рекомендации по оптимальному выбору типа конденсаторов (керамика, тантал, алюминий), учету температурного диапазона работы схемы, содержит пример хорошей разводки печатной платы. Микросхема применяется в качестве светодиодных драйверов. В [4] приводится пример построения драйвера с током на 1 А для светодиодной цепочки. Помимо традиционной методики расчета номиналов внешних элементов (входного и выходного конденсаторов, дросселя), приводится способ расчета токозадающего резистора. Отличительной особенностью предлагаемой схемы является более сложная схемотехника цепи коррекции FB, использующая операционный усилитель и несколько дополнительных элементов. Как и большинство материалов с рекомендациями от компании STMicroelectronics, данный документ содержит указания по разводке и перечень необходимых элементов.

Еще более новые изделия — ST1S40 и -41 — являются дальнейшим развитием этой линии. Во-первых, помимо трехамперной микросхемы ST1S40, предложена модификация ST1S41 с максимальным током нагрузки в 4 А. По сравнению с ST1S10, еще больше снижено значение R_DSON (до 95 мОм) и, кроме того, сняты ограничения на значение коэффициента заполнения D. В отличие от предыдущих изделий, частота коммутации фиксирована и синхронизация от внешнего синхросигнала не предусмотрена. Типовая схема включения ST1S40 и -41 аналогична ST1S10, количество и назначение внешних элементов полностью совпадает.

Иной диапазон (по сравнению с низковольтными ИПСН) входных напряжений рассматриваемой группы стабилизаторов рассчитан на иную сферу применения данных микросхем. Производитель определяет следующие основные направления: бытовые электронные приборы (видеотехника, DVD-проигрыватели, жидкокристаллические мониторы), автомобильная электроника, системы электропитания для FPGA и микропроцессорных устройств. Из всей номенклатуры ИПСН компании STMicroelectronics рассмотренная группа является наиболее динамичной.

Импульсные понижающие стабилизаторы
со входным напряжением 36…38 В

Параметры преобразователей этой группы приведены в таблице 3.

Таблица 3. ИПСН со входным напряжением 36…38 В

Наименование	Выходной ток, А	Входное напряжение, В		Выходное напряжение, В		КПД, %	Частота коммутации, кГц	Сопротивление открытого канала, мОм	Функции и флаги
	IOUT	VIN		VOUT		h	FSW	RDSON	On/Off	Sync. Pin	Soft Start	Pow Good
	Макс	Мин	Макс	Мин	Макс	Макс	Тип
A5970AD	1,0	4,0	36,0	1,2	36,0	90	500	250	+	+	–	–
A5970D	1,0	4,0	36,0	1,2	36,0	92	250	250	+	+	–	–
A5972D	1,5	4,0	36,0	1,2	36,0	90	250	250	–	–	–	–
A5973AD	1,5	4,0	36,0	1,2	36,0	90	500	250	+	+	–	–
A5973D	2,0	4,0	36,0	1,2	36,0	90	250	250	+	+	–	–
A5974AD	2,0	4,0	36,0	1,2	36,0	93	500	250	+	+	–	–
A5974D	2,5	4,0	36,0	1,2	36,0	94	250	250	+	–	–
A5975AD	2,5	4,0	36,0	1,2	36,0	93	500	250	+	+	–	–
A5975D	3,0	4,0	36,0	1,2	36,0	94	250	250	+	+	–	–
A6902D	1,0	8,0	36,0	1,2	36,0	90	250	250	–	–	–	–
A7985A	2,0	4,5	38,0	0,6	38,0	92	250…1000	200	+	+	+	–
A7986A	3,0	4,5	38,0	0,6	38,0	92	250…1000	200	+	+	+	–
B5973D	2,0	4,0	36,0	1,2	36,0	90	250	250	+	+	–	–
L5970AD	1,0	4,4	36,0	1,2	36,0	90	500	250	+	+	–	–
L5970D	4,4	36,0	1,2	36,0	92	250	250	+	+	+	–
L5972D	1,5	4,4	36,0	1,2	36,0	90	250	250	–	–	–	–
L5973AD	2,0	4,0	36,0	1,2	36,0	90	500	250	+	+	–	–
L5973D	2,5	4,0	36,0	1,2	36,0	90	250	250	+	+	–	–
L6902	1,0	8,0	36,0	1,2	36,0	90	250	250	–	–	–	–
L7985	2,0	4,5	38,0	0,6	38,0	92	250…1000	200	+	+	+	–
L7986	3,0	4,5	38,0	0,6	38,0	92	250…1000	200	+	+	+	–
L7986TA	3,0	4,5	38,0	0,6	38,0	92	250…1000	200	+	+	+	–

Выделение импульсных стабилизаторов с входным напряжением 36…38 В в отдельную группу сделано по следующим причинам. Во-первых, это наиболее обширная группа во всей номенклатуре ИПСН компании STMicroelectronics. Во-вторых, данный диапазон входных напряжений предназначен для работы во вполне определенных нишах приложений пользователя:

• Автомобильная электроника грузовых автомобилей, автобусов, трамваев, троллейбусов, то есть, транспортных средств с аккумуляторами напряжением 24В.
• Электроника, питаемая от «военной» бортовой сети 27В.
• Промышленная электроника, питаемая от сетей постоянного тока напряжением 24 и 36В.

С точки зрения хронологии появления на рынке микросхема L5973AD была «первой ласточкой» в обширной номенклатуре изделий этой и предыдущей групп. Данная микросхема за почти десять лет присутствия на рынке показала себя с наилучшей стороны и в настоящее время является широко востребованным изделием, закупаемым многими клиентами в значительных объемах. Микросхема нашла применение в ряде серийно выпускаемых GSM-устройств. С развитием светодиодных источников света L5973AD находит применение в качестве драйвера мощных светодиодов. Так в [5] приводятся варианты принципиальных схем драйверов светодиодов мощностью 3 и 5 Вт, для шин питания 12 В постоянного тока или 6…24 В переменного тока. Вариант такой схемы приведен на рисунке 7. В нижней части рисунка — дополнение по работе от цепи переменного тока.

Рис. 7. Вариант использования микросхемы L5973AD в качестве основы драйвера для мощных светодиодов

Данная микросхема может быть использована не только в традиционном применении, как основа для понижающих преобразователей, но и в иных вариантах подключения [6]: как позитивный повышающий-понижающий преобразователь, преобразователь на два выхода с дополнительной обмоткой дросселя. Приводится пример применения двух микросхем L5973AD с общей линией синхронизации. Материалы компании 6 содержат все данные для расчета номиналов внешних элементов, типы рекомендуемых элементов и примеры разводки печатных плат и другую полезную для разработчика информацию.

Семейство L597x стало основой для модификаций L598x, A597x, L798x, которые отличаются некоторыми количественными или функциональными параметрами, но с точки зрения схемотехнических решений представляют собой одно большое семейство с общими достоинствами и недостатками. Эти достоинства и недостатки рассмотрены в предыдущем разделе применительно к L5987, поэтому отметим только, что все микросхемы этой группы требуют наличия внешнего разрядного диода, и всем микросхемам этой группы в цепи компенсации обратной связи необходимо, как минимум, три внешних элемента.

Исходя из хронологии развития предыдущей группы, в ближайшем будущем в линейке компании могут появиться некие аналоги ST1S10 и ST1S40 для данного диапазона входных напряжений, но в настоящее время подобные микросхемы отсутствуют.

Импульсные понижающие стабилизаторы
со входным напряжением 46 В и выше

Параметры преобразователей данной группы приведены в таблице 4.

Таблица 4. ИПСН с входным напряжением 46 В и выше

Наименование	Выходной ток, A	Входное напряжение, В		Выходное напряжение, В		КПД, %	Частота коммутации, кГц	Сопротивление открытого канала, мОм	Функции и флаги
	IOUT	VIN		VOUT		h	FSW	RDSON	On/Off	Sync. Pin	Soft Start	Pow Good
	Макс	Мин	Макс	Мин	Макс	Макс	Тип
L4960	2,5	9,0	46,0	5,1	40,0	91	100	560	–	–	+	–
L4962	1,5	9,0	46,0	5,1	40,0	92	100	1000	–	+	+	–
L4963	1,5	9,0	46,0	5,1	36,0	90	60	1000	+	+	+	–
L4964	4,0	9,0	46,0	5,1	38,0	90	50	750	+	+	+	–
L4970A	10,0	15,0	50,0	5,1	40,0	92	200	110	–	+	+	–
L4971	1,5	8,0	55,0	3,3	50,0	95	100	300	+	+	+	–
L4972	2,0	15,0	50,0	5,1	40,0	90	200	–	+	+	–
L4973	3,5	8,0	55,0	0,5	50,0	90	300	150	+	+	+	–
L4974A	4,0	15,0	50,0	5,1	40,0	90	100	130	+	+	+	–
L4975A	5,0	15,0	50,0	5,1	40,0	92	200	110	–	+	+	–
L4976	1,0	8,0	55,0	0,5	50,0	93	100	300	–	+	+	–
L4977A	7,0	15,0	50,0	5,1	40,0	95	200	160	–	+	+	–
L4978	2,0	8,0	55,0	3,3	50,0	95	100	290	+	+	+	–
ST1S14	3,0	5,5	48,0	0,8	48,0	93	850	200	+	–	+

Из всей номенклатуры ИПСН компании STMicroelectronics это наиболее «консервативная» группа изделий — все микросхемы L496x и L497x появились на рынке примерно в 2000 году. Соответственно, к настоящему времени они имеют славную десятилетнюю историю. Такие характерные особенности как внешний диод и внешние элементы компенсации присутствуют и в этих микросхемах, поскольку это было нормальным явлением для изделий того времени. Кроме того, присутствуют ограничения на верхнее значение коэффициента заполнения, поэтому разность между значениями V_{IN_MAX} и V_{OUT_MAX} составляет 5…10 В. Частота коммутации невелика, в результате имеем высокую индуктивность дросселя и соответственные габариты.

Несколько лет назад на рынке представлена первая в данной группе микросхема нового поколения — ST1S14. В ней, соответственно, сняты ограничения на величину коэффициента заполнения, и значение максимального выходного напряжения приближено к значению входного. Частота коммутации равна 850 кГц, что снимает «неудобные» требования к дросселю. Типовая схема включения ST1S14 представлена на рисунке 8.

Рис. 8. Типовая схема включения микросхемы ST1S14

В то же время разрядный диод остался внешним элементом. Присутствует бустерный конденсатор. Цепь компенсации обратной связи в справочных материалах объявлена как встроенная, но в ней все же остался один внешний конденсатор. При разводке требуется разделить «силовой» и «сигнальный» общие провода, причем входные конденсаторы должны присутствовать по одному на каждую «землю». То есть налицо фронт работ по дальнейшему совершенствованию линейки высоковольтных ИПСН. Но если посмотреть на преобразователь, предлагаемый компанией STMicroelectronics в качестве демонстрационной платы для микросхемы ST1S14 (фотография представлена на рисунке 9), то мы убедимся, что ее габариты определяются главным образом размерами выходного конденсатора (справа), дросселя (рядом) и разрядного диода D1.

Рис. 9. Демонстрационная плата STEVAL-ISA104V1 на базе микросхемы ST1S14

Габариты бустерного конденсатора (С6) и конденсатора в цепи компенсации (С4) большого значения не имеют.

Завершая обсуждение группы высоковольтных стабилизаторов, можно предположить, что совершенствование этой группы ИПСН не ограничится только микросхемой ST1S14, а в ближайшем будущем на рынок будут представлены решения, свободные от «габаритных» внешних элементов.

Замечания при выборе внешних элементов

При сравнении линейных и импульсных стабилизаторов напряжения помимо прочих параметров рассматривают сложность проектирования. Для линейных ее оценивают как «низкую», а для импульсных — как «среднюю или высокую». Причина проста — в импульсных преобразователях неудачный выбор внешних элементов (главным образом, конденсаторов и дросселя) и неудачная разводка платы может свести на нет все достоинства микросхемы стабилизатора. Вопросы разводки явно выходят за рамки данной статьи, но на выбор элементов следует обратить внимание.

Часто не учитывается, что емкость — это не единственный параметр конденсатора. Он обладает, кроме того, таким параметром, как «эквивалентное последовательное сопротивление» — ESR.

Значение ESR для выходного конденсатора является наиболее существенным фактором, влияющим на уровень пульсаций выходного напряжения: чем выше ESR, тем выше уровень пульсаций. При протекании тока через конденсатор на паразитном сопротивлении ESR выделяется тепло. Эта потраченная впустую мощность снижает значение КПД. Значение ESR влияет на устойчивость контура обратной связи — оно не должно быть слишком большим или слишком малым. Удержание ESR в пределах устойчивого диапазона является нетривиальной задачей, особенно, если преобразователь должен работать в широком диапазоне рабочих температур (на минусовых температурах значение ESR увеличивается на десятичный порядок). Для входных конденсаторов существенным является значение «эквивалентной последовательной индуктивности» — ESL. Чем выше ESL, тем выше «звон» и пульсации на входе преобразователя.

Внешние резисторы в цепи делителя. Одной из характеристик реального резистора является его точность. Если в делителе установлены пятипроцентные резисторы, не следует рассчитывать на точность выходного напряжения в пару процентов. Тип сердечника, используемого в дросселе, влияет не только на стоимость и габариты конечного изделия, но и на уровень излучаемых помех. Не вдаваясь в тонкости сравнительного анализа брусковых и тороидальных типов сердечников, отметим, что попытки сэкономить на цене дросселя могут оказаться неудачными.

Вывод: если разработчик не уверен в своих знаниях, то имеет смысл довериться тому перечню элементов, которые рекомендует производитель в документе на демонстрационную плату («Bill of Materials»). В нем редко уточняются типы резисторов, но наименования дросселя и ответственных конденсаторов указаны полностью. Возможно, это будет не самым дешевым решением, но — допустимым.

Заключение

Анализ динамики изменения номенклатуры ИПСН компании STMicroelectronics позволяет сделать вывод, что число новинок, ежегодно предлагаемых на рынок, составляет 8…10% от общего числа типов микросхем ИПСН в линейке. С одной стороны, это говорит о достаточно продолжительном сроке работы микросхем: если решение удачное и хорошо зарекомендовавало себя — никто не смотрит на год выпуска. С другой стороны, процесс обновления номенклатуры идет непрерывно и пустые ниши оперативно заполняются. В данной статье большее внимание было уделено тем изделиям последних лет, которые соответствуют современным требованиям и имеют все основания в ближайшее время перейти из категории «перспективных новинок» в категорию «хиты продаж». В целом же о преимуществах изделий STMicroelectronics говорят приемлемые цены, высокая надежность и уровень технической поддержки, то есть те факторы, которые сделали бренд «STMicroelectronics» популярным среди широкого круга разработчиков электронной техники.

Литература

1. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. — М.: СОЛОН-Пресс, 2005.

2. Power management: linear and switching regulators and voltage references. Selection guide. December 2005.//Материал компании STMicroelectronics.

3. AN2620. 3 A high-frequency synchronous 900 kHz step-down converter based on the ST1S10.//Материал компании STMicroelectronics.

4. AN2754. Buck high-brightness LED driver based on the ST1S10 step-down DC-DC converter voltage regulator.//Материал компании STMicroelectronics.

5. AN2259. High intensity LED driver using the L5970D/L5973D.//Материал компании STMicroelectronics.

6. AN1518. Designing with the 2.5 A DC-DC converter L5973D.//Материал компании STMicroelectronics.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: analog.vesti@compel.ru

Импульсный стабилизатор напряжения

Преобразование напряжения необходимо для того, чтобы реализовать возможность работы различных устройств от сети переменного тока. Кроме того, питание электронных схем разными величинами напряжения вынуждает выполнять не только превращение переменного электричества в постоянное, но и повышение или понижение разности потенциалов до нужных параметров.

Импульсный преобразователь напряжения

Основы импульсного преобразования

Работа подобных устройств, их ещё называют импульсными стабилизаторами (ИС), основана на ключевой стабилизации. В схеме имеется элемент, который выполняет регулировку выходных параметров за счёт своего запирания-отпирания.

В обычную трансформаторную схему входит трансформатор низкой частоты, имеющий первичную и вторичную обмотку. Импульсное преобразование тоже подразумевает наличие трансформатора, но уже высокочастотного.

Внимание! Высокочастотные импульсные трансформаторы обладают меньшими габаритами, дешевле, но их мощность выше.

Импульсные преобразователи напряжения (ИПН) допускают использование схем трёх типов:

• повышающей;
• понижающей;
• инверторной.

ИПН обладают высоким КПД и малыми габаритами. Они включают в свой состав следующие элементы:

• блок питания (источник питания);
• ключ – элемент коммутации;
• накопитель энергии индуктивной природы – дроссель, катушка;
• диод блокировки;
• фильтр выходного напряжения – конденсатор большой емкости.

Фильтр обычно включается параллельно нагрузке.

Принцип работы

Импульсный стабилизатор напряжения использует принцип сравнения опорного напряжения с напряжением на выходе. Схема позволяет регулировать длительность открытия ключа. Входное напряжение от источника питания (ИП) пропускается ключом по сигналу управления заданными частями (импульсами) с учётом того, что средний потенциал (пониженный или повышенный) был стабильным.

Сравнение с линейным стабилизатором

Чтобы сравнить два принципа преобразования, нужно вспомнить, что линейные стабилизаторы (ЛС) – это обычно делитель напряжения. У него нестабильный потенциал подаётся на вход делителя, а стабильный – снимается со второго плеча (нижнего). Принцип стабилизации заключается в постоянном изменении сопротивления верхнего плеча схемы таким образом, чтобы на нижнем оно оставалось стабильным.

К сведению. Когда отношение Uвх/Uвых велико, то КПД линейного стабилизатора очень низкий. Это связано с потерями энергии на регулирующем резисторе. Он греется, оттого часть мощности на входе теряется.

У таких сборок есть свои плюсы, а именно: простота схемы, минимум элементов и неимение помех. По сравнению с линейными, импульсные стабилизаторы (ИС) сложнее, но работают стабильнее при правильно подобранной схеме.

В ИС могут возникать автоколебания, которые приводят к частичной неработоспособности или полному выходу преобразователя из строя. Это происходит в случае, когда импеданс источника Uвх превысит значение импеданса ИС, тогда при снижении Uвх повышается ток на входе.

Функциональные схемы по типу цепи управления

По виду управляющей цепи можно выделить несколько рабочих схем, включающих в себя:

• триггер Шмитта;
• ШИМ – широтно-импульсную модуляцию;
• ЧИМ – частотно-импульсную модуляцию.

Важно! Импульсные стабилизаторы – это устройство с автоматическим регулированием, ориентирующееся на опорное напряжение, которое служит эталонным параметром для схемы регулирования.

Блок-схемы ИПН с триггером Шмитта и ШИМ

С триггером Шмитта

При таком построении схемы стабилизации верхний и нижний пороги срабатывания триггера сравниваются с Uвх. Для этой цели используется компаратор – устройство сравнения. Ключ размыкается в момент, когда выходное напряжение сравняется с напряжением срабатывания триггера (Umax). Энергия, накопившаяся за это время, выдаётся на нагрузку, и Uвых после этого спадает. Как только её величина достигнет Umin (нижнего порога), триггер переключается, замыкая ключ.

Такой способ называется стабилизацией с двухпозиционной регулировкой или релейной. Схемы с триггером Шмитта имеют на выходе устройства напряжения с величиной пульсации, обусловленной разностью порогов срабатывания. Эту пульсацию практически устранить невозможно.

В ИС с триггером Шмитта частотное преобразование зависит от Uвх и Iн (тока нагрузки) и является переменным.

С широтно-импульсной модуляцией

На выходе таких схем получают Uср (среднее), на которое влияют скважность импульсов и Uвх. Операционный усилитель (ОУ) представляет собой схему сравнения Uвых и Uоп (опорного) путём вычитания и последующего усиления. Результат поступает на модулятор, который подстраивает свои параметры в зависимости от этого результата.

Модулятор изменяет (в сторону увеличения) отношение времени, при котором ключ открыт, к периоду тактового импульса генератора, если Uвых < Uоп.

Схема добивается такого управления ключом, чтобы разность между Uвых и Uоп сводилась к минимуму, когда происходит изменение Uвх или ток через нагрузку (Iн).

Внимание! В ИС с ШИМ частотное преобразование не имеет зависимости от Uвх и Iн.

С частотно-импульсной модуляцией

Подобные сборки отличаются тем, что скважность импульсов (частота) напрямую зависит от понижения Uвх или увеличения Iн. При этом длительность отпирающего ключ импульса неизменна. Частота подачи импульсов подчинена сигналу разности Uвых и Uоп. Моностабильный мультивибратор, имеющий управляемую запускающую частоту, может смело справиться с подачей команд на ключ.

Моностабильный мультивибратор на транзисторах

Основные схемы силовой части

В зависимости от назначения ИС, можно выделить три базовых модели его построения:

• понижающая;
• повышающая;
• инвертирующая.

Независимо от конструктивного исполнения и назначения ИС, устройствами, использующимися в роли ключа, могут быть:

• тиристор;
• транзистор (биполярный или полевой).

Основная задача подобного элемента – отрываться или закрываться по команде, поступающей на управляющий электрод.

Преобразователь с понижением напряжения

Обычно уменьшить величину напряжения необходимо чаще, потому такие ИС более востребованы.

Простейшая схема понижающего ИС

У понижающего стабилизатора напряжения, приведённого на схеме, ключ на полевом транзисторе VT1 откроется при подаче на него управляющего напряжения. Ток от плюсовой клеммы будет поступать на нагрузку через сглаживающий дроссель L1. Включенный параллельно в цепь диод VD1 в данный момент не пропускает ток. После размыкания ключа цепь тока следующая: дроссель L1 – нагрузка – общий провод – диод VD1 – дроссель L1. При этом ток, проходящий через дроссель, не прекратится мгновенно, а будет постепенно уменьшаться.

Важно! У дросселей, имеющих большую индуктивность, он не становится равным нулю до начала следующего открытия ключа. Установка таких элементов нецелесообразна из-за увеличения габаритов и стоимости.

Конденсатор C1 в это время будет разряжаться на нагрузку и поддерживать U вых. Емкость C вместе с индуктивностью L образует фильтр, снижающий размах пульсаций.

Преобразователь с повышением напряжения

В отличие от понижения Uвх, этот тип схем используют для питания цепей нагрузки, которым для работы необходимо напряжение выше, чем у источника.

Компоненты схемы те же самые, но включены иначе. При открытом транзисторе диод закрыт, и на дросселе линейно нарастает ток. При запирании ключа ток начинает двигаться по цепи: плюсовая клемма – дроссель L1 – диод VD1 – нагрузка – минусовая клемма. Конденсатор C1 в это время будет заряжаться. Он будет поддерживать ток на нагрузке во время своего разряда на неё при следующем открытии ключа.

Инвертирующий преобразователь

Подобная сборка также не имеет гальванической развязки между входным и выходным каскадами. В ней совсем иное включение дросселя, конденсатора и нагрузки. Они расположены параллельно.

При открытом ключе VT1 ток протекает по цепи: плюсовая клемма – транзистор – дроссель – минусовая клемма. Дроссель накапливает энергию при содействии магнитного поля. Когда транзистор закрывается, то цепь прохождения тока меняется: дроссель – конденсатор C1 – диод VD1 – дроссель. Энергия дросселя и энергия конденсатора будут полностью отдаваться нагрузке. Амплитуда пульсации целиком зависит от ёмкости C1. В этот момент напряжение на нагрузке не меняется, несмотря на то, что ток через С1 спадает почти до нуля.

Кстати. Выходное напряжение у инвертирующих ИС может отличаться от напряжения источника питания, как в большую, так и в меньшую сторону.

Влияние диода на КПД

Включенный в электрическую цепь диод вызывает на себе падение напряжения от 0,4 до 0,7 В. При токе от нескольких ампер и низком Uвых на элементе происходит потеря мощности, что приводит к снижению КПД. Применяют альтернативный вариант – замену диода на полевой транзистор. Подбирают такой, чтобы в открытом состоянии падение напряжения на нём было минимальным.

Внимание! Можно в схемах вместо диода поставить ещё один ключ, который будет работать в противофазе с основным.

Гальваническая развязка

Чтобы обезопасить человека при эксплуатации ИС, применяют гальваническую развязку. Для этого включают в схему разделительный трансформатор или дроссель с дополнительной обмоткой. На рабочих частотах 20 кГц – 1 МГц они не столь габаритны, как трансформаторы для частоты переменного тока 50 Гц. В управляющих цепях для развязки устанавливают оптроны (оптопары).

Особенности использования

Импульсные стабилизаторы могут использоваться как драйверы для светодиодов и led-ламп. Кроме того, их применяют в различных устройствах, таких как:

• блоки питания ЖК телеприёмников;
• оборудование навигации;
• источники питания для компьютеров и устройств цифровых систем.

Импульсные стабилизаторы используют для зарядных устройств и преобразования переменного тока в постоянное электричество.

Фильтрация импульсных помех

Сильные помехи, издаваемые импульсным стабилизатором напряжения (ИСН) в моменты коммутации ключа (броски тока и напряжения), необходимо подавлять. Для этого требуется применять фильтры и размещать их на входе и выходе.

Входное сопротивление

У ИСН, работающих под нагрузкой, при увеличении Uвх уменьшается ток на входе (Iвх). Это значит его входное сопротивление отрицательно дифференциальное. При подключении ИСН к источникам, у которых внутреннее сопротивление велико, возможна нестабильная работа.

Использование в сетях переменного тока

Для подключения к источнику переменного тока перед ИСН устанавливают выпрямитель и фильтр. Эта зона, где возникает опасность поражения человека током. Элементы, входящие в эту зону, должны быть закрыты от прикосновения или отмечены маркером (графическое и цветовое предупреждение).

Преимущества и недостатки

Все плюсы и минусы для импульсных стабилизаторов можно свести в одну таблицу.

Достоинства и недостатки ИСН

Преимущества ОС-регулирования

Обратная связь при регулировании напряжения в ИС является важной опцией для импульсных стабилизаторов. Она позволяет поддерживать на выходе устройства напряжение стабильной величины, чутко следя за бросками напряжения и тока. В ИСН применяется широкополосная ОС (чем шире интервал частот, тем меньше уровень пульсации в результате).

Доступность на рынке радиодеталей комплектующих для построения ИСН даёт возможность собрать своими руками любую из схем импульсных стабилизаторов. Использование в них готовых стабилизаторов на интегральных микросхемах (ИМС) и ключей на полевых транзисторах делает устройство максимально компактным.

Видео