Понижающе-повышающий регулятор на основе микросхемы повышающего преобразователя

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2018

Tom Gross, Linear Technology

EDN

Топология SEPIC (single-ended, primary-inductance-converter – преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью), как правило, является хорошим выбором для преобразователей, которые должны вырабатывать выходное напряжение, уровень которого находится в середине диапазона входных напряжений, например 5 В при входном напряжении от 2.7 В до 6 В. Однако эта топология не лишена некоторых недостатков. КПД схем SEPIC ниже, чем у повышающих или понижающих регуляторов, а в конструкциях SEPIC часто используются большие сложные магнитные компоненты, что усложняет задачу проектирования. На Рисунке 1 показана простая и эффективная альтернативная топология. Если входное напряжение ниже выходного, схема работает как обычный повышающий преобразователь. Когда транзистор Q₁ открыт, дроссель L₁ накапливает энергию, а диод D₁, смещенный в обратном направлении, остается закрытым. Пока диод D₁ выключен, выходной конденсатор C₁ отдает ток в нагрузку. Когда Q₁ закрывается, дроссель L₁ меняет свою полярность, тем самым, смещая D₁ в прямом направлении. Затем L₁ заряжает C₁ и отдает ток в нагрузку. Выходное напряжение является суммой напряжения на дросселе и входного напряжения.

Рисунок 1.	В зависимости от того, является ли входное напряжение более низким или более высоким, чем выходное, эта схема может как повышать, так и понижать входное напряжение.

Выходное напряжение контролируется внутренним компаратором, подключенным к входу LBI, который обычно используется для оценки уровня разряда батареи. При включении внутреннего компаратора микросхемы IC₁ уровень его выходного напряжения становится низким (втекающий ток). В результате p-канальный транзистор Q₁ полностью открывается, создавая для тока низкоомный путь к выходу. Если входное напряжение равно выходному или больше его, схема работает как линейный стабилизатор. В этом случае выход внутреннего компаратора находится в высокоимпедансном состоянии. Напряжение на затворе Q₁, подключенном через резистор R₁ сопротивлением 220 кОм, постепенно растет, и транзистор начинает закрываться. Вследствие этого выходное напряжение уменьшается, и, в конечном счете, выход компаратора снова переключается с высокого уровня на низкий (втекающий ток). Низкий выходной уровень компаратора вновь вызывает повышение выходного напряжения, и цикл повторяется. Таким образом, схема начинает работать как линейный регулятор, в котором функцию проходного транзистора выполняет Q₁.

Рисунок 2.	КПД схемы на Рисунке 1 зависит от того, работает ли схема в режиме повышающего преобразователя или линейного регулятора.

В отличие от обычных повышающих преобразователей, схема также может разрывать путь тока между входом и выходом. Вход сигнала выключения (/V_SHDN) подключен к затвору p-канального MOSFET Q₂ с логическим уровнем управления, а также к входу выключения (/SD) микросхемы IC₁. При низком уровне этого сигнала микросхема IC₁ и транзистор Q₂ закрывается. В результате напряжение V_IN подключается (через 100-омный резистор R₂) к затвору Q₁, транзистор выключается и, соответственно, отрывает выход от входа. Из Рисунка 2 видно, как КПД комбинированного регулятора зависит от режима его работы. Когда входное напряжение меньше, чем выходное, схема имеет такой же КПД, как у повышающего преобразователя. Если входное напряжение больше выходного, схема работает в режиме линейного регулятора, в котором КПД приблизительно равен отношению V_OUT/V_IN.

Материалы по теме