Следящий предварительный регулятор повышает КПД мощного ШИМ ЦАП

Эта схема является переосмыслением другой конструкции: «Мощный ШИМ ЦАП с микросхемой LM317» [1]. Как и в предыдущей публикации, в этой схеме мощный ЦАП реализуется путем интеграции регулятора положительного напряжения LM317 в преимущественно пассивную топологию ШИМ. В регуляторе используются встроенные функции этого проверенного временем шедевра Боба Пиза, благодаря которым схема заведомо защищена от перегрузки и перегрева, а точность выходного напряжения определяется гарантированной точностью ±2% внутреннего источника опорного напряжения микросхемы LM317.

Однако, в отличие от предыдущей схемы, требующей отдельного входа постоянного напряжения 15 В, в этой версии (показанной на Рисунке 1) добавлен входной импульсный повышающий пререгулятор, поэтому она может работать от напряжения питания логической шины 5 В. Кроме того, предыдущая линейная конструкция имеет ограниченный КПД, который при управлении низковольтными нагрузками фактически падает до единиц процентов. Предварительный регулятор исправляет эту ситуацию, отслеживая разность входного и выходного напряжения микросхемы LM317 и поддерживая ее равной постоянному значению 3 В. Такого запаса как раз достаточно для того, чтобы не допустить выхода из стабилизации, но минимизировать потери мощности.

Рисунок 1.	LM317 и HC4053 объединены для создания мощного ШИМ ЦАП; при этом транзистор Q1 заставляет пререгулятор U3 отслеживать разность входного и выходного напряжения микросхемы U2 и поддерживать ее равной постоянному значению 3 В для повышения КПД.

Как описано в предыдущей статье [1], коммутаторы U1b и U1c, принимая сигнал ШИМ частотой 10 кГц, формируют для регулятора U2 управляющий сигнал «ADJ» от 0 В до 11.25 В через цепи обратной связи с резисторами R1, R2 и R3. Входной сигнал ШИМ связан по переменному току, так что U1 может «плавать» относительно выхода U2. Коммутатор U1c вырабатывает сбалансированную инверсию сигнала ШИМ, обеспечивая активное подавление пульсаций, как описано в статье «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [2].

Обратите внимание, что для оптимизации вычитания пульсаций и точности ЦАП должно выполняться соотношение R1||R2 = R3. Благодаря такой схеме обратной связи выходное напряжение микросхемы U2 имеет следующую зависимость от коэффициента заполнения ШИМ (D):

которая представлена графиком на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Зависимость VOUT (от 1.25 В до 12.5 В) от коэффициента заполнения ШИМ D (от 0 до 1), где VOUT = 1.25/(1 – 0.9 D).

На Рисунке 3 показана зависимость, обратная Рисунку 2, дающая значение D, необходимое для получения любого заданного напряжения V_OUT.

Рисунок 3.	График, обратный Рисунку 2, или коэффициент заполнения ШИМ D, необходимый для получения любого заданного VOUT, где D = (1.111 – 1.389/VOUT).

Несколько слов о следящем предварительном регуляторе: управление микросхемой U3 для поддержания 3-вольтового запаса, необходимого для защиты U2 от выхода из стабилизации, основано на транзисторе Q1, работающем как простой (но адекватный) дифференциальный усилитель. Q1 управляет напряжением обратной связи V_FB на выводе F_B микросхемы U3, поддерживая его равным 1.245 В. Поэтому

где

V_BE – напряжение база-эмиттер транзистора Q1.
U2_IN – напряжение на выводе IN регулятора LM317,
U2_OUT – напряжение на выводе OUT регулятора LM317.

Выяснение того, что делает транзистор Q2, оставим в качестве упражнения для проницательного читателя. Подсказка: он экономит около трети мощности по сравнению с исходной схемой при V_OUT = 12 В.

Примечание: если вы хотите использовать эту схему с другим предварительным регулятором с другим напряжением V_FB, просто подберите

Ссылки

1. Stephen Woodward. Мощный ШИМ ЦАП с микросхемой LM317
2. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD74HC4053
2. Datasheet Fairchild LM317
3. Datasheet Microchip MIC2253
4. Datasheet Vishay SSA24
5. Datasheet Fairchild 2N3906
6. Datasheet Central Semiconductor 2N5087