Повышающе-понижающий регулятор с фиксированным временем прямого хода преобразует положительное напряжение в отрицательное

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2016

Понижающие преобразователи находят широкое применение для преобразования больших входных положительных напряжений в меньшие положительные выходные напряжения. На Рисунке 1 показана упрощенная блок-схема понижающего регулятора, работающего в режиме непрерывной проводимости, то есть, в таком режиме, когда ток индуктивности всегда остается положительным. Выходное напряжение V_OUT равно

где

D – коэффициент заполнения импульсов управления транзистором Q₁,
V_IN – входное напряжение.

Рисунок 1.	В базовой схеме понижающего регулятора ток через индуктивность L1 течет постоянно.

Коэффициент заполнения равен

где

T_ON – время включенного состояния Q₁,
T_S – период частоты переключения.

Понижающий регулятор можно переконфигурировать в повышающе-понижающую схему, чтобы положительное напряжение преобразовывалось в отрицательное (Рисунок 2). При этом основные компоненты в новой конфигурации остаются теми же, но индуктивность и выпрямительный диод меняются местами. Поскольку основной коммутатор Q₁ остается на одном месте в обеих конфигурациях, для любой топологии преобразователя можно использовать микросхему понижающего регулятора. При включении Q₁ входное напряжение V_IN поступает на силовую индуктивность L₁, и ток индуктивности линейно нарастает до тех пор, пока транзистор остается открытым. После выключения Q₁ ток индуктивности продолжает течь через конденсатор C₁, сопротивление нагрузки и диод D₁, создавая отрицательное выходное напряжение. В течение следующего интервала включения Q₁ выходной конденсатор отдает ток в нагрузку.

Рисунок 2.	Схема повышающе-понижающего преобразователя вырабатывает отрицательное выходное напряжение.

На Рисунке 3 изображена недорогая схема повышающе-понижающего преобразователя на основе микросхемы понижающего регулятора LM5010, преобразующая положительное напряжение от 10 до 50 В в отрицательное напряжение –12 В. Хотя во многих приложениях используется фиксированная частота коммутации с модуляцией ширины выходного импульса, в этой конструкции время, на которое включается внутренний выходной транзистор микросхемы, постоянно и обратно пропорциональное разности между входным и выходным напряжением схемы.

Рисунок 3.	Этот повышающе-понижающий преобразователь на основе микросхемы LM5010 работает в широком диапазоне входных напряжений.

Внутренний компаратор микросхемы IC₁ сравнивает выходное напряжение, часть которого снимается с делителя R₁ и R₂, с напряжением внутреннего опорного источника 2.5 В и, если выходное напряжение опускается ниже требуемого значения, компаратор открывает выходной транзистор микросхемы на время, которое и определяет длительность интервала включения:

где

K – константа,
R₃ – резистор, задающий время включения понижающего регулятора,
V_IN – входное напряжение,
V_OUT – величина выходного напряжения.

Подстановка T_ON=1/F_S и преобразование формулы дает значение частоты переключения F_S:

Режим стабилизации V_OUT сохраняется все время, пока остается постоянным тока через L₁. Поскольку R₃ и K являются константами, частота переключения сохраняется постоянной. Это соотношение будет справедливым до тех пор, пока остается постоянным ток через индуктивность. При облегченной нагрузке ток индуктивности становится прерывистым, спадая до нуля на какую-то часть цикла коммутации. В начале прерывистого режима частота переключения начинает падать, в результате чего стабилизация V_OUT восстанавливается.

Работа на фиксированной частоте без генератора позволяет создать дешевый и простой в реализации регулятор без элементов частотной компенсации цепи обратной связи. Ввиду отсутствия ограничивающих полосу пропускания компонентов обратной связи, схема имеет быструю переходную характеристику. При указанных на Рисунке 3 номиналах компонентов и выходном напряжении 12 В регулятор работает на частоте порядка 400 кГц. При входном напряжении 10 В максимальный выходной ток равен примерно 0.5 А, а при 50 В это значение увеличивается приблизительно до 1 А. Резистор R4 обеспечивает минимальный уровень пульсаций выходного напряжения, необходимый для поддержания режима стабилизации – приблизительно 25 мВ.

Материалы по теме