Низковольтные микроконтроллеры обычно питаются от стабилизированного источника, например, от 1.8 до 3.6 В, и потребляют очень низкий ток, как правило, от 1 мА до 5 мА. Создание недорогого компактного решения для эффективного преобразования переменного сетевого напряжения 230 В в 3 В/20 мВт – непростая задача, особенно при необходимости соблюдения дополнительных требований, таких как электромагнитная совместимость и мощность в режиме ожидания.
Представленный в этой статье неизолированный преобразователь питания не нуждается в дросселе или импульсном преобразовании энергии. В нем используется принцип «гасящего конденсатора», дополненный конденсаторным зарядовым насосом в специфическом включении, который преобразует энергию в обратном направлении – от минусового узла к плюсовому.
В хорошо известной конструкции емкостного источника питания конденсатор C2 гасит переменное сетевое напряжение до уровня, подходящего для применения, а резисторы R1 и R2 включены для ограничения бросков зарядного тока конденсаторов (Рисунок 1). Затем напряжение выпрямляется диодами D1 и D2 и стабилизируется стабилитронами Dz1 и Dz2 и выходными конденсаторами C4 и C6. Величина выходного тока зависит от импеданса конденсаторов при напряжении 230 В/50 Гц или 110 В/60 Гц.
 |
|
| Рисунок 1. | В базовом емкостном преобразователе используются диодный выпрямитель, стабилитроны и конденсаторы, но отсутствует стабилизация. |
Конденсатор C2, в соответствии со стандартом EN 60384-14, должен быть класса X2. Резистор R2 образует путь разряда для C2, удовлетворяя требованиям стандартов безопасности IEC61010-1 или UL1950. Выходной ток преобразователя определяется в соответствии с формулой:
IOUT_EFF = ULINE × 2π × fLINE × C2,
где ULINE и fLINE – напряжение и частота сети, соответственно.
Компания Murata выпускает очень маленький и интересный монолитный керамический ЧИП-конденсатор SMD-X2. Для сети переменного напряжения 230 В выходной ток при использовании такого конденсатора равен:
IOUT_EFF = 230 × 2π × 50 × 56 × 10 – 9 = 4.0 мА,
а для напряжения 110 В:
IOUT_EFF = 2.3 мА.
Хотя для каких-то приложений с очень малопотребляющими микроконтроллерами такого тока может быть достаточно, для многих из них этого будет слишком мало. В модифицированном емкостном преобразователе диоды D1 и D2 заменены мостом, состоящим из D1, D2, D3 и D6, который перекачивает ток в конденсатор C1 в каждом полупериоде сетевого напряжения (Рисунок 2). Варистор U2 и супрессор U1 добавлены для защиты от выбросов напряжения до 2 кВ в соответствии с процедурой испытаний, установленной стандартом IEC61000-4-5.
 |
|
| Рисунок 2. | Модифицированный емкостной преобразователь с мостовым выпрямителем обеспечивает дополнительную стабилизацию и защиту. |
Для моделирования зарядового насоса я использовал микросхему LTC1046, модель которой есть в SW-LTspice. Однако для многих ситуаций она слишком дорога, поэтому можно использовать TPS60402 или TMC828EC, которые выполняют ту же функцию, но стоят дешевле.
Заряд конденсатора C1 должен питать остальную часть схемы только очень короткое время. Схема была смоделирована с помощью LT-Spice, а также собрана и протестирована (Рисунок 3).
|
|
|
 |
|
| Рисунок 3. | Конденсатор C1 должен питать остальную часть схемы на Рисунке 2 в течение очень коротких периодов времени. |
U3 – это микросхема конденсаторного зарядового насоса, очень дешевая, маленькая (корпус SOT23-6) и очень эффективная для небольших токов. При включении понижающим зарядовым насосом она выдает выходное напряжение VOUT = 0.5 × VIN при соответствующем выходном токе IOUT = 2 × IIN. При использовании в качестве C2 того же конденсатора 56 нФ X2, мы получим IOUT_EFF = 8.0 мА для сети переменного напряжения 230 В и IOUT_EFF = 4.6 мА для сети переменного напряжения 110 В. Этого должно быть достаточно для большинства современных микроконтроллеров с диапазоном напряжений питания от 1.8 В до 2.7 В.
«Земля» преобразователя не связана ни с одной из линий сети переменного тока. Вместо этого она попеременно переключается между фазой и нейтралью. Поэтому такая схема может оказаться непригодной для многих приложений. Чтобы устранить этот недостаток, в модифицированной схеме используется то же двухполупериодное выпрямление, что и в базовой схеме на Рисунке 1, но с фиксированным подключением земляного узла к одному из линейных проводов (Рисунок 4).
Емкость конденсатора C5 для отрицательного пути выпрямления в два-три раза больше, чем емкость конденсатора C1 для положительного пути. В результате напряжение на положительном пути растет быстрее, чем на отрицательном.
 |
|
| Рисунок 4. | Модифицированный емкостной преобразователь без мостового выпрямителя имеет фиксированное соединение с землей. |
Микросхема зарядового насоса преобразует положительное напряжение в отрицательное, используя внутренний мост из четырех управляемых КМОП коммутаторов и внешний рабочий конденсатор. Используя эти КМОП коммутаторы для переключения, можно реализовать обратное преобразование энергии – отрицательного напряжения в положительное.
Это дает в данной схеме выпрямления тот же результат, что и двухполупериодное выпрямление с использованием диодного моста. На Рисунке 5 показаны результаты моделирования и изменение полярности тока на выводе VIN зарядового насоса U1.
 |
|
| Рисунок 5. | При запуске и нормальной работе схемы при переменном напряжении 230 В наблюдается изменение полярности тока на выводе VIN зарядового насоса U1 с периодичностью 5 мс и 15 мс. |
Схема на Рисунке 5 была смоделирована и испытана при наихудшем напряжении сети 230 В ±20% (Рисунок 6).
|
|||||
| Рисунок 6. | Осциллограммы критических точек схемы при запуске и во время нормальной работы при низком напряжении сети 184 В (а) и высоком напряжении сети 260 В (б) демонстрируют плавное включение и последующую стабилизацию. |
||||
Все результаты соответствуют требованиям, предъявляемым к большинству современных микроконтроллеров (см. Таблицу 1).
| Таблица 1. | Основные рабочие параметры при напряжениях сети 184, 230 и 260 В |
||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||
При использовании конденсаторов C5 100 мкФ/10 В и C1 22 мкФ/10 В пульсации выходного напряжения VOUT были очень низкими – менее 60 мВ. Кроме того:
- В приложениях, не требующих фиксированного подключения к линии сети (фазе или нейтрали), может быть использована менее сложная схема на Рисунке 2.
- В приложениях с сетевым напряжением 110 В или с универсальным входом от 85 до 260 В следует использовать два конденсатора 56 нФ класса X2, включенных параллельно.
- Вся конструкция, собранная на двухсторонней печатной плате, занимает объем 12 × 12 × 8 мм.
- Для стабилизации выходного напряжения выше переменного напряжения сети 230 В ±20% используйте последовательные LDO регуляторы, такие как TLV70025.
Купить LTC1046 на РадиоЛоцман.Цены
