Эффективный двуполярный преобразователь напряжения шины USB

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2013

R O Ocaya

EDN

Конструируя маломощную схему, получающую питание от USB и требующую напряжения отличного от 5 В, вы должны решить для себя, воспользоваться ли отдельной батареей, или небольшим сетевым адаптером. Проблема становится еще неприятнее, если необходимо двуполярное напряжение, превышающие 5 В, что типично, например, для схем с операционными усилителями.

Стандартом USB 2 сформулированы требования в отношении уровней мощности, потребляемой подключаемыми устройствами. Устройство, потребляющее ток до 100 мА, считается маломощным, а свыше 100 мА до 500 мА – мощным. Поводом для создания описываемой здесь схемы стала работа над термолюминесцентным детектором, в котором микроконтроллер, контроллер интерфейса USB и десять операционных усилителей должны были получать питание от порта USB в качестве маломощных потребителей. Характер схемы предъявлял к источнику питания исключительно высокие требования в отношении уровней шумов и паразитных радиочастотных излучений. Сборке и настройке схемы предшествовал этап моделирования, некоторые результаты которого будут представлены ниже. Привлекательность этой схемы определяется использованием широко распространенных компонентов и отличной повторяемостью характеристик, что делает ее исключительно дешевой.

Схема основана на обратноходовом преобразователе с небольшим трансформатором (Рисунок 1), работающим на частоте от 115 до 300 кГц. Самовозбуждающийся генератор широтно-модулированных импульсов сделан на микросхеме таймера 555. Высокая рабочая частота позволяет сделать компактную схему при относительно большой выходной мощности и хорошем качестве регулирования, а также упростить фильтрацию коммутационных помех.

Рисунок 1.	Эта упрощенная схема обратноходового преобразователя при разомкнутом ключе перекачивает запасенную магнитную энергию в конденсатор фильтра C.

В реальной схеме в качестве ключа используется MOSFET. Диод на Рисунке 1 смещен в прямом направлении положительным напряжением V_OUT. Поменяв полярность включения диода и обмотки трансформатора, можно получить на выходе отрицательное напряжение. В работе схемы можно выделить три фазы. В первой фазе ключ закрыт, и энергия запасается в магнитном поле за счет тока, протекающего через первичную обмотку трансформатора. В это время диод закрыт, и во вторичной обмотке ток не течет.

Во второй фазе ключ размыкается, диод смещается в прямом направлении, и энергия магнитного поля переносится в конденсатор C. В третьей фазе накопление энергии завершается, и весь остаточный заряд емкости сток-исток ключа полностью стекает. Затем циклы повторяются.

Чтобы лучше объяснить работу схемы, проще всего предположить, что в момент, непосредственно предшествующий времени t = 0, конденсатор фильтра уже заряжен до номинального выходного напряжения, а ток в первичной обмотке равен нулю. При t = 0 ключ закрывается, и в первичной обмотке появляется ток, индуцирующий на вторичной обмотке напряжение, полярность которого показана на схеме. Поскольку диод смещен в обратном направлении, цепь вторичной обмотки разомкнута, и какой-либо ток в ней отсутствует. При этом вход трансформатора ведет себя, как простая индуктивность. В результате ток первичной обмотки нарастает линейно, подчиняясь выражению

На отрезке времени, когда ключ закрыт, напряжение, создаваемое на вторичных обмотках, равно nV_CC. Это означает, что диод должен выбираться из расчета минимального обратного напряжения nV_CC + V_OUT. В следующий момент ключ размыкается. В практической схеме это соответствует выключению MOSFET. Предположим, что ток первичной обмотки в это момент равен IPK. Тогда магнитная энергия, запасенная в индуктивности, будет равна

Из-за индуктивной связи при разомкнутой первичной обмотке накопленное в ней, но спадающее магнитное поле индуцирует на вторичной стороне напряжение, достаточно большое (>V_OUT) для открывания диода. Начальное значение тока будет определяться выражением

В то время, когда диод открыт, напряжение на вторичных обмотках будет равно V_OUT + 0.7, что можно рассматривать, как трансформацию напряжения первичной обмотки до уровня V_OUT/n. Поэтому разомкнутый ключ должен выдерживать напряжение, равное, как минимум

Последнее выражение наглядно показывает, что при сопоставимых напряжениях на входе и выходе основным преимуществом обратноходового преобразователя перед повышающим является более низкое напряжение, на которое должен быть рассчитан разомкнутый ключ. По сути, при закрытом ключе напряжение трансформируется в пониженное, а его уровень определяется соотношением число витков обмоток трансформатора. Это позволяет использовать намного более низковольтные MOSFET. Кроме того, если в обычном повышающем преобразователе диод должен выдерживать как большой прямой ток, так и высокое обратное напряжение, то в обратноходовом преобразователе режим работы диода вторичной стороны намного легче, так как его ток мал (IPK/n). Емкость такого диода будет меньше, что позволит увеличить рабочую частоту преобразователя, сократить потери энергии и повысить эффективность.
Хотя это и выходит за рамки текущего обсуждения, приведем формулу, которая позволит вам рассчитать выходное напряжение, прировняв количество входной энергии в L1 к энергии, переданной в нагрузку R_LOAD. В установившемся режиме выходное напряжение зависит от коэффициента заполнения D и частоты переключения F ключа и равно

На Рисунке 2 приведена практическая схема, в которой всем элементам изображенной на Рисунке 1 базовой схемы обратноходового преобразователя присвоены конкретные наименования и номиналы. Однако в схему внесено множество усовершенствований, позволивших улучшить характеристики устройства и повысить стабильность его работы. Например, два выходных диода включены таким образом, чтобы получить двуполярное выходное напряжение. Кроме того, напряжение обратной связи берется с подключенного к положительной шине делителя R4, R5 и сглаживается конденсатором C2. В обычном автоколебательном режиме работы таймера 555 параметры его выходных импульсов определяются временем заряда конденсатора (C1) через сумму сопротивлений R1 и R2 и разряда через R2. При использованных в схеме номиналах резисторов (R2 >> R1) коэффициент заполнения импульсов будет близок к 50%. Пороги напряжений, определяющие моменты начала заряда и разряда конденсатора, внутренне установлены на уровнях V_CC/3 и 2V_CC/3 (1.67 В и 3.33 В, соответственно, при напряжении питания 5 В). В отсутствие обратной связи компонентами с показанными на Рисунке 2 номиналами задается выходное напряжение, равное примерно 20 В.

Рисунок 2.	Полная схема, в которой вы сможете использовать самые разнообразные транзисторы и диоды Шоттки.

Обратная связь работает следующим образом. Транзистор Q1 не проводит ток до тех пор, пока напряжение на его базе (V_BE) находится около уровня 0.55 В. Для рассматриваемого отрезка времени выходное напряжение может быть рассчитано по формуле

По мере того, как выходное напряжение продолжает увеличиваться под действием обратной связи, Q1 начинает открываться, а его коллекторное напряжение падать. Поскольку коллектор подключен к тому управляющему входу таймера 555, который в стандартном включении задает верхний порог переключения, равный 2V_CC/3, конденсатор начинает заряжаться и разряжаться с прежней скоростью, но в суженном диапазоне напряжений. Следствием этого является сокращение длительности отрицательного и положительного полупериодов выходного сигнала, управляющего ключом на MOSFET. Изменение, как частоты, так и коэффициента заполнения вызывает падение V_OUT и, в конечном счете, уменьшение напряжения обратной связи, приводя к сокращению времени включенного состояния Q1.

Теперь остановимся подробнее на трансформаторе обратноходового преобразователя – элементе схемы, требующем особого внимания.

В процессе разработки конструкции было изготовлено несколько самодельных трансформаторов, с которыми преобразователь работал достаточно неплохо. Использовались сердечники от фильтров подавления ЭМИ, встраиваемых в сетевые провода импульсных источников питания и телевизионных приемников. Для снижения последовательного сопротивления первичная обмотка наматывалась в несколько проводов. Например, при плотной намотке семи витков четырех изолированных медных проводов диаметром 0.3 мм индуктивность первичной обмотки получалась равной 30 мкГн, а измеренное сопротивление не превышало 0.03 Ом. При более низком сопротивлении обмотки уменьшаются тепловые потери и повышается КПД преобразователя. Подходящей и доступной промышленной заменой сердечнику и катушке может быть изготавливаемый Epcos комплект ETD 49/25/16.

Весьма заметно влияют на качество преобразователя и характеристики используемых диодов Шоттки. В качестве D1 и D2 необходимо выбирать приборы с большим допустимым током, высокой скоростью переключения и низким прямым падением напряжения. Дополнительный диод, установленный в обратном включении на затворе MOSFET, служит для подавления излучаемых радиопомех. Дроссель 100 мГн на входе 5V USB предназначен для снижения коммутационных помех.

Рисунок 3.	При нагрузках по 200 Ом в каждом канале выходное напряжение устанавливается через 0.8 мс после включения схемы.

Для моделирования нашей схемы порт USB был представлен источником напряжения 5 В с внутренним сопротивлением 10 Ом и максимальным выходным током 500 мА. Развязывающий конденсатор C5 емкостью 100 мкФ служит для защиты шин питания от помех переключения. Измеренный выходной КПД составил 72% с нагрузкой 50 Ом, при этом напряжение падало до ±7.6 В. Также успешно прошла проверка возможности подключения к выходу линейного стабилизатора 78L05 для получения других напряжений. Функциональность схемы можно расширить программным коммутатором режимов «останов/работа», для чего потребуется отдельный активный транзистор, включающий и выключающий таймер 555.

Рисунок 4.	Отклик схемы на ступенчатое изменение нагрузки через 10 мс после включения.

На Рисунке 3 показаны переходные характеристики преобразователя при включении питания. Рисунок 4 демонстрирует красивый отклик схемы на ступенчатое изменение нагрузки через 10 мс после включения.