Мощный ШИМ ЦАП с выходным током 1.5 А на основе микросхемы LM337

Как правило, ЦАП – это маломощные устройства с выходной мощностью и током, ограниченными диапазоном милливатт и миллиампер. Разумеется, нет никаких фундаментальных причин, по которым их нельзя объединить с подходящими выходными силовыми каскадами, что и является общепринятой практикой. Проблема давно решена.

Но просто из спортивного интереса, в этой статье предложен другой подход к повышению мощности – объединение почтенного регулятора LM337 с простым (всего две универсальные активные микросхемы) 8-битным ШИМ ЦАП, чтобы получить на выходе уверенные 1.5 А. Схема также обладает присущими этому проверенному временем шедевру Боба Пиза функциями защиты от перегрузки и перегрева.

Дополнительной ничего не стоящей особенностью является то, что точность выходного напряжения (в основном, примерно на 90%) определяется точностью ±2% (гарантированной, как правило, намного лучшей) внутреннего источника опорного напряжения микросхемы LM337, а не нестабильной иногда шиной питания логики, как это часто бывает в простых ШИМ ЦАП.

Схема показана на Рисунке 1.

Рисунок 1.	LM337 объединяет усилия с КМОП коммутатором 4053 для создания мощного ШИМ ЦАП.

Однополюсные двухпозиционные КМОП коммутаторы с металлическим затвором U1a и U1b, принимая 5-вольтовый сигнал ШИМ частотой 10 кГц, формируют для регулятора U2 управляющий сигнал «ADJ» от +1.25 В до –8.75 В. При ADJ = +1.25 В выходное напряжение U2 равно нулю. Мне всегда казалось странным, что регулятору отрицательного напряжения вроде 337 иногда требуется положительный управляющий сигнал (в данном случае для выходного напряжения V_OUT менее отрицательного, чем –1.25 В), но это так. ADJ = –8.75 В делает его равным –10 В.

Коммутатор U1c вырабатывает инверсию сигнала ШИМ, обеспечивая активное подавление пульсаций, как описано в статье «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [1].

Источник тока на транзисторе Q1 уменьшает ошибку смещения нуля, обнуляя ток смещения вывода ADJ (типовое значение примерно 65 мкА). Обратная связь, установленная через резисторы R2 и R3, делает выходной сигнал полной шкалы –10 В пропорциональным внутреннему опорному напряжению регулятора U2, как упоминалось ранее.

Однако это делает выходное напряжение нелинейной функцией коэффициента заполнения ШИМ (D) с зависимостью (D от 0 до 1):

которая показана на Рисунке 2.

Рисунок 2.	График зависимости VOUT (от 0 В до –10 В) от коэффициента заполнения ШИМ (от 0 до 1). [VOUT = –1.25×D/(1 – 0.875×D)].

На Рисунке 3 показана зависимость, обратная зависимости на Рисунке 2, дающая значение коэффициента заполнения ШИМ, необходимое для получения заданного напряжения V_OUT.

Рисунок 3.	График зависимости коэффициента заполнения ШИМ (от 0 до 1) от VOUT (от 0 В до –10 В). [VOUT = –1.25×D/(1 – 0.875×D)].

Код D_BYTE управления генератором 8-битного сигнала ШИМ, устанавливающий выходное напряжение V_OUT:

Напряжение отрицательной шины питания (V–) может быть любым в диапазоне от –13 В (для обеспечения минимального запаса по питанию U2) до –15 В (в соответствии с максимально допустимым напряжением микросхемы U1). На точность ЦАП это не повлияет.

Регулятор U2 должен иметь теплоотвод достаточного размера, соответствующий выделяемому теплу, равному выходному току, умноженному на разность между V– и V_OUT. Значения мощности в ваттах могут достигать двузначных величин. Тепловая защита LM337 срабатывает при температуре перехода выше 150 °C, поэтому убедитесь, что микросхема проходит «тест на шипение» при касании мокрым пальцем.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD4053B
2. Datasheet ON Semiconductor LM337