Преобразователи напряжения 30 … 400 В в ±12 В на одной микросхеме

Analog Devices LT8315

Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2020

Электрическим транспортным средствам, большим аккумуляторным блокам, средствам домашней автоматизации, промышленным и телекоммуникационным устройствам может требоваться преобразование высоких напряжений в ±12 В для питания двуполярным напряжением усилителей, датчиков, преобразователей данных и контроллеров промышленных процессов. Одной из проблем во всех этих системах является создание компактного, эффективного двуполярного регулятора, способного работать в диапазоне температур от –40 °C до +125 °C, что особенно важно в автомобильной промышленности и других приложениях, работающих при высоких температурах.

Линейные регуляторы хорошо понятны и обычно возглавляют список кандидатов на использование в биполярных источниках питания, но для упомянутых ранее приложений с высоким входным и низким выходным напряжением они не подходят, главным образом из-за рассеяния большого количества тепла в линейном регуляторе при высоких коэффициентах понижения. Кроме того, для двуполярного решения требуются, как минимум, две интегральные схемы: один линейный стабилизатор положительного напряжения и преобразователь с отрицательным выходным напряжением. Лучшим решением было бы использование одного импульсного регулятора, позволяющего из относительно высокого входного напряжения получить оба выходных напряжения с хорошим КПД и качеством стабилизации и одновременно уменьшить занимаемую площадь и стоимость.

В этой статье представлены две элегантные схемы, вырабатывающие выходное напряжение ±12 В из широкого диапазона входных напряжений от 30 В до 400 В, в каждой из которых используется один высоковольтный преобразователь LT8315. Одна схема имеет изолированную обратноходовую топологию, вторая основана на неизолированной понижающей топологии. Сама LT8315 представляет собой высоковольтный монолитный преобразователь с интегрированным 630-вольтовым MOSFET, выдерживающим ток до 300 мА, схемой управления и высоковольтной цепью запуска, выпускаемый в 20-выводном корпусе TSSOP с улучшенным тепловым сопротивлением.

Изолированный двуполярный обратноходовой регулятор без оптоизолятора

Обратноходовые преобразователи широко используются в приложениях с несколькими выходами для обеспечения гальванической развязки, повышения безопасности и улучшения помехоустойчивости. В зависимости от того, какая сторона выхода заземлена, выходные напряжения могут быть положительными или отрицательными. Традиционно регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью оптронов, передающих информацию от эталонной цепи вторичной стороны к первичной стороне. Проблема заключается в том, что оптоизоляторы значительно усложняют схему и ухудшают ее надежность из-за большой задержки распространения, старения, разброса коэффициентов передачи тока и пр. Как правило, в контуре регулирования доминирует один выход, подключенный к выводу обратной связи микросхемы, в то время как другие выходы слабо контролируются через обмотки трансформатора, что приводит к плохой стабилизации их напряжений.

LT8315 не требует оптопары и измеряет отраженное изолированное выходное напряжение с помощью дополнительной третичной обмотки силового трансформатора. Кроме того, для достижения высокого качества стабилизации по нагрузке выходное напряжение измеряется в те моменты, когда ток вторичной обмотки практически равен нулю. В схемах с двумя выходами эта уникальная схема считывания напряжения дополнительно позволяет минимизировать различие двух напряжений; при этом любой выход может быть ведущим. В результате легко достигается типичная точность стабилизации напряжения нагрузки 5%.

Законченная схема изолированного обратноходового преобразователя с широким диапазоном входных напряжений от 30 В до 400 В, выходными напряжениями ±12 В и током нагрузки 50 мА.
Рисунок 1. Законченная схема изолированного обратноходового преобразователя с широким диапазоном
входных напряжений от 30 В до 400 В, выходными напряжениями ±12 В и током нагрузки 50 мА.

В показанной на Рисунке 1 схеме LT8315 работает в квазирезонансном режиме граничной проводимости. MOSFET первичной стороны вносит минимальные потери переключения, поскольку его включение происходит в провалах резонансного «звона», когда ток через MOSFET практически отсутствует. В диоде вторичной стороны нет потерь обратного восстановления. Трансформатор с усиленной изоляцией 3 кВ является единственным компонентом, обеспечивающим изолирующий барьер, что повышает надежность системы и отвечает строгим требованиям к изоляции высоковольтных источников питания. На Рисунке 2 показана зависимость КПД от входного напряжения при полной нагрузке. Пиковый КПД этого обратноходового преобразователя достигает 85.3% при входном напряжении 70 В и выходных токах обоих каналов 50 мА.

Зависимость КПД при полной нагрузке от входного напряжения для обратноходового преобразователя на Рисунке 1.
Рисунок 2. Зависимость КПД при полной нагрузке от входного напряжения
для обратноходового преобразователя на Рисунке 1.

На Рисунке 1 изображена полная схема обратноходового преобразователя с диапазоном входных напряжений от 30 В до 400 В. Ее выходные напряжения ±12 В точно стабилизируются при токах нагрузки от 5 мА до 50 мА.

Неизолированный двуполярный понижающий регулятор с двумя дросселями

Способность LT8315 выдерживать высокие входные напряжения может найти применение в неизолированных решениях с недорогими общедоступными дросселями. Схема понижающего преобразователя с двумя дросселями, требующая лишь нескольких дополнительных компонентов, изображена на Рисунке 3. Этот схема также работает с входными напряжениями от 30 В до 400 В, преобразуя их в ±12 В при максимальном токе 30 мА. КПД схемы для обоих выходов при полной нагрузке и входном напряжении 30 В может достигать 87%.

Схема неизолированного понижающего преобразователя
Рисунок 3. Схема неизолированного понижающего преобразователя с двумя дросселями, основанная
на одной микросхеме LT8315: входное напряжение от 30 В до 400 В, выходные напряжения ±12 В,
ток 30 мА для обоих каналов.

В этой конфигурации вывод GND микросхемы LT8315 преднамеренно не заземлен и подключен как общий коммутационный узел для управления обоими выходами. При разводке печатной платы области контактных площадок выводов GND микросхемы LT8315 должны находиться в границах вскрытого основания кристалла (вывод 21), чтобы уменьшить уровень электромагнитных помех и влияние на другие компоненты, поскольку в такой топологии шина GND является относительно шумным коммутационным узлом. Диод D2 и два резистора с допусками 1%, подключенных к выводу FB, образуют цепь обратной связи, регулирующую положительное выходное напряжение. Диод D2 необходим для предупреждения разряда вывода FB во время открытого состояния MOSFET. Прямое падение напряжения на диоде D2 не влияет на работу делителя напряжения, так как прямые напряжения D2 и D3 равны и компенсируют друг друга. Следовательно, положительное выходное напряжение отслеживается цепью обратной связи без ошибок и хорошо регулируется.

Шина отрицательного напряжения содержит низковольтный конденсатор связи CFLY, второй дроссель L2, ограничивающий диод D4 и выходной конденсатор CO2. В соответствии с вольт-секундным балансом дросселя для контура CO1-L1-CFLY-L2, среднее напряжение на L1 и L2 равно нулю, поэтому напряжение на конденсаторе связи CFLY равно положительному выходному напряжению. CFLY заряжает дроссель L2 при включенном MOSFET, тогда как D4 обеспечивает путь разряда L2, пока MOSFET выключен. Отрицательное выходное напряжение косвенно регулируется на основе напряжения на CFLY, которое остается постоянным и равным положительному выходному напряжению. Как видно из нагрузочных характеристик на Рисунке 4, напряжение отрицательного источника стабилизируется с точностью ±5% в диапазоне токов нагрузки от 3 мА до 30 мА при различных входных напряжениях и полной нагрузке 30 мА канала положительного напряжения.

Нагрузочная характеристика канала отрицательного напряжения 12 В
Рисунок 4. Нагрузочная характеристика канала отрицательного напряжения 12 В
при различных входных напряжениях и максимальном токе нагрузки
положительного канала для понижающего преобразователя с
двумя дросселями на Рисунке 3.

Заключение

В этой статье представлены две схемы двуполярных преобразователей с широкими диапазонами входных напряжений от 30 В до 400 В: один изолированный, другой неизолированный. В обоих случаях использована микросхема LT8315, выбранная из-за наличия интегрированного высоковольтного MOSFET, цепи обратной связи, не требующей оптоизолятора, и внутренней высоковольтной схемы запуска. К другим важным функциям и особенностям микросхемы относятся мягкий запуск, режим генерации пачек с низким уровнем пульсаций, программируемый порог ограничения тока, блокировка при пониженном напряжении, температурная компенсация и низкий ток потребления. Высокий уровень интеграции LT8315 упрощает проектирование схем с высокими входными и двуполярными выходными напряжениями для широкого спектра приложений.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices LT8315

Analog Devices

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Single IC Can Produce Isolated or Nonisolated ±12 V Outputs from 30 V to 400 V Input

Изготовление плат и монтаж компонентов для вашего проекта от $2. Получи купон на скидку: JLCNY

7 предложений от 6 поставщиков
Импульсные регуляторы напряжения 700V/300mA No-Opto Flyback Regulator
Элитан
Россия
LT8315EFE
Analog Devices
406 ₽
LT8315IFE#TRPBF
Analog Devices
от 681 ₽
DM Electronics
Россия
LT8315IFE#TRPBF
Linear Technology
по запросу
Зенер
Россия и страны ТС
LT8315IFE#TRPBF
по запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя