РадиоЛоцман - Все об электронике

Понижающий регулятор для работы при легких нагрузках

Justin Larson, Frank Kolanko

EDN

Работа понижающих регуляторов в режиме непрерывной проводимости (continuous-conduction mode – CCM) хорошо понятна, что позволяет легко рассчитать выходное напряжение и номиналы элементов схемы. Однако слабонагруженные понижающие регуляторы работают в режиме прерывистой проводимости (discontinuous-conduction mode – DCM), более сложном для понимания. Коэффициент заполнения меняется в зависимости от соотношения выходного и входного напряжений. Коэффициент заполнения импульсов регулятора, понижающего 12 В до 6 В, равен 50%. Когда регулятор нагружен слишком слабо, чтобы поддерживать ток дросселя непрерывным, он переходит в DCM. Коэффициент заполнения становится сложной функцией индуктивности дросселя, входного напряжения, частоты переключения и выходного тока, что значительно замедляет реакцию контура управления.

Во многих микросхемах понижающих контроллеров имеется плавающий драйвер затворов (Рисунок 1). Для повышения КПД в схеме используется отдельный источник опорного напряжения VREF. При запуске он питает драйвер N-канального MOSFET напряжением, которое меньше опорного на величину падения напряжения на диоде. Этого напряжения достаточно для управления затвором MOSFET, поскольку в исходном состоянии напряжение на выходе и на истоке MOSFET Q1 должно равняться 0 В.

Во многих микросхемах понижающих контроллеров используется  плавающий драйвер затворов.
Рисунок 1. Во многих микросхемах понижающих контроллеров используется
плавающий драйвер затворов.

В CCM ток через дроссель никогда не прерывается. Во время обратного хода, начинающегося с выключения Q1, этот ток поступает от Q1 или D2 (Рисунок 2). Напряжение, появившееся на истоке закрывшегося транзистора Q1, ограничивается стабилитроном D2 и становится отрицательным относительно земли. Благодаря тому, что конденсатор CBOOST повышает напряжение на затворе, этого напряжения достаточно для управления транзистором Q1. Повышение напряжения обеспечивает высокое напряжение на выводе BOOST, в результате чего напряжение на истоке Q1 становится отрицательным.

В CCM ток дросселя не прерывается. Во время обратного хода, начинающегося с выключения Q1, этот ток поступает от Q1 или D2.
Рисунок 2. В CCM ток дросселя не прерывается. Во время обратного хода,
начинающегося с выключения Q1, этот ток поступает от Q1 или D2.

Система переходит в DCM, когда ток нагрузки падает до значения, при котором среднее потребление составляет менее половины величины пульсаций тока. Диод D2 предотвращает прохождение через дроссель обратного тока. В зависимости от используемой микросхемы, на ее выходе могут возникать выбросы, обусловленные большим временем реакции контура регулирования. Регулятор также может пропускать импульсы и, вообще, работать непредсказуемо. После закрывания Q1 из-за увеличенного в DCM времени выключенного состояния конденсатор CBOOST начинает разряжаться через вывод BOOST и диод D1 (Рисунок 3). При напряжении на CBOOST, равном примерно 3 В, Q1 не включится до тех пор, пока выходной конденсатор COUT не разрядится на столько, чтобы напряжение на истоке Q1 стало ниже, чем напряжение на выводе BOOST. Такое поведение регулятора напряжения недопустимо.

Когда регулятор переходит в режим DCM, конденсатор CBOOST разряжается.
Рисунок 3. Когда регулятор переходит в режим DCM, конденсатор CBOOST разряжается.

При высоких температурах увеличиваются токи утечки. Температурный коэффициент тока вывода BOOST неизвестен, поэтому работу схемы следует проверить и при низких температурах. Изучите работу системы, чтобы определить наименьшее значение емкости конденсатора, и используйте этот результат в моделировании оценки наихудшего случая. Таким образом, увеличив значение CBOOST, можно убедиться, что схема будет работать в DCM. Можно также уменьшить опорное напряжение, к источнику которого подключен диод D1. Можно рассмотреть возможность замены D1 диодом Шоттки с малой утечкой. Если ни одно из этих решений не обеспечит надежной работы, можно выбрать другую микросхему, драйвер затвора которой привязан к земле, или изменить конструкцию и использовать архитектуру с синхронного понижающего преобразования.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Buck regulator handles light loads

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя