Особенности разработки повышающих, обратноходовых и SEPIC стабилизаторов на основе микросхем повышающих преобразователей. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2017

Haifeng Fan, Texas Instruments

Введение

С появлением новых приложений на рынках автомобильной, промышленной и потребительской техники возрастает потребность в повышающих стабилизаторах напряжения. Примерами новых приложений могут служить системы экстренного вызова (eCall), старт-стопные системы, усилители мощности звуковых частот, интеллектуальные концентраторы, коммуникационные порты Thunderbolt, внешние источники питания для мобильных устройств, док-станции для планшетов и многое другое. В связи с тем, что питаются эти устройства обычно от батарей, солнечных панелей или иных низковольтных источников, получение необходимых для их работы более высоких напряжений требует использования повышающих DC/DC стабилизаторов.

Микросхемы управления повышающими регуляторами можно использовать в конфигурациях преобразователей с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (single-end primary inductance converter – SEPIC), способных как понижать, так и повышать напряжение, или в обратноходовых схемах с возможностью гальванической развязки, улучшающей уровни безопасности и помехозащищенности.

В статье объясняются особенности построения повышающих, SEPIC и обратноходовых стабилизаторов на основе управляющих микросхем, первоначально ориентированных на повышающую топологию, а также приведены рекомендации по выбору оптимального решения. Также рассмотрены методы увеличения эффективности и выходной мощности, расширения диапазона входных напряжений и защиты от коротких замыканий.

Универсальные конфигурации

Повышающие микросхемы управления питанием с широким диапазоном входных напряжений могут использоваться в различных топологиях DC/DC преобразователей, но общим для всех вариантов является наличие управляемого ключа нижнего плеча.

Повышающий DC/DC преобразователь

Выходное напряжение повышающего стабилизатора, широко использующегося в системах с низковольтным батарейным питанием, больше входного. Упрощенная схема повышающего стабилизатора на основе высоковольтного импульсного контроллера LM5001 компании Texas Instruments показана на Рисунке 1. Этот регулятор содержит интегрированный полевой транзистор, уменьшающий общие размеры решения.

Рисунок 1.	Повышающий стабилизатор с интегрированным МОП-транзистором.

DC/DC преобразователь топологии SEPIC

В приложениях, где входное напряжение может быть и больше, и меньше требуемого выходного, необходим преобразователь, способный как повышать его, так и понижать. Среди перспективных кандидатов, позволяющих решить эту задачу, выделяется топология SEPIC, требующая минимального количества активных элементов и, благодаря низкому уровню пульсаций, создающая меньше электромагнитных помех. Обычно схемы SEPIC, имеющие, так же как и повышающие, управляемый ключ нижнего плеча, строятся на основе повышающих микросхем управления питанием. На Рисунке 2 показана схема стабилизатора SEPIC на базе LM5001 – той же микросхемы, которая была использована в предыдущем примере.

Рисунок 2.	Преобразователь SEPIC с интегрированным МОП-транзистором.

Схема содержит два дросселя, которые для уменьшения размеров могут быть заменены одним с двумя обмотками, намотанными на общий магнитопровод.

Обратноходовой преобразователь

Рисунок 3.	Неизолированный обратноходовой преобразователь с интегрированным МОП-транзистором.

Другой популярной топологией, использующей микросхемы повышающих преобразователей с широким диапазоном входных напряжений V_IN, является обратноходовой стабилизатор, который может быть как изолированным, так и неизолированным. Неизолированный обратноходовой стабилизатор (Рисунок 3) может быть альтернативой SEPIC при необходимости повышающе-понижающего преобразования. Изолированная схема (Рисунок 4) привлекательна наличием гальванической развязки, повышающей уровень безопасности и помехозащищенности. Помимо простоты, еще одно замечательное преимущество обратноходового стабилизатора заключается в том, что для создания многоканальных источников питания не требуются дополнительные магнитные компоненты.

а) б)
Рисунок 4.	Изолированный обратноходовой стабилизатор с оптроном (а) и дополнительной обмоткой (б).

В изолированных обратноходовых преобразователях обратная связь по выходному напряжению обычно осуществляется с помощью оптрона или дополнительной третьей обмотки. Для передачи сигнала обратной связи с вторичной стороны на первичную через оптрон может использоваться регулируемый шунтовой стабилизатор, такой как LM431, или стандартный усилитель ошибки совместно с источником опорного напряжения. Вариант с оптроном (Рисунок 4а) обеспечивает более точную стабилизацию выходного напряжения V_OUT на вторичной стороне, в то время как схема с третичной обмоткой (Рисунок 4б) отличается простотой и не нуждается в оптроне и усилителе ошибки. Кроме того, выпрямленное напряжение третичной обмотки (V_AUX) может служить источником смещения стабилизатора, уменьшающим внутренние потери энергии при высоких входных напряжениях.

Выбор правильного решения

В связи с большим разнообразием повышающих микросхем управления питанием, первым вопросом, возникающим перед разработчиком, является правильный выбор прибора для конкретного приложения.

Преобразователь с интегрированными или внешними ключами

В портфеле микросхем управления питания компании Texas Instruments есть повышающие решения с интегрированным ключом, называемые преобразователями, а также приборы, требующие внешних ключей, называемые контроллерами. Обычно преобразователи обеспечивают более высокий уровень интеграции и меньшие размеры решения. Однако преобразователи менее гибки, поскольку их ток и напряжение ограничены характеристиками интегрированных ключей. Например, максимальные значения напряжения и пикового тока встроенного MOSFET преобразователя LM5001 равны, соответственно, 75 В и 1 А. Преобразователям чаще отдают предпочтение в тех случаях, когда диапазоны напряжений и токов, требуемые конкретному приложению, поддерживаются доступной микросхемой.

Рисунок 5.	Повышающий стабилизатор с внешним МОП-транзистором.

В тех случаях, когда требуемые максимальные значения тока и/или напряжения превышают возможности повышающих преобразователей, следует использовать контроллер совместно с подходящими по характеристикам MOSFET. Аналогично повышающим преобразователям, повышающие контроллеры могут использоваться в повышающих, SEPIC, неизолированных и изолированных обратноходовых стабилизаторах. На Рисунках 5 и 6 показаны примеры, соответственно, повышающего и неизолированного обратноходового стабилизаторов на основе контроллера LM5022. В отличие от преобразователей, контроллеры предоставляют разработчику свободу выбора внешних транзисторов, соответствующих конкретным требованиям приложения. Недостатками контроллеров являются относительно большой общий размер решения и более сложная конструкция.

Рисунок 6.	Неизолированный обратноходовой стабилизатор с внешним МОП-транзистором.

Материалы по теме

Окончание