Источник отрицательного тока с ШИМ на входе и LM337 на выходе

Источник отрицательного постоянного тока, показанный на Рисунке 1, всегда (или около того) был хрестоматийным примером применения регулятора LM337. Он точно поддерживает постоянный выходной ток I_OUT, заставляя напряжение на выводе OUT быть на V_ADJ отрицательнее относительно вывода ADJ. Таким образом, I_OUT = V_ADJ/R_S.

Рисунок 1.	Классический источник постоянного отрицательного тока с микросхемой LM337, где IOUT ≈ VADJ/RS = 1.25/RS

Несмотря на свою негибкость, эта схема успешно работала на протяжении полувека. Я говорю, что она негибкая, потому что способ программирования I_OUT заключается в изменении сопротивления R_S. Трудно поверить, что с такой древней (ну ладно, старой) микросхемой, как 337, можно делать какие-то новые, еще неизученные трюки, но Рисунок 2 говорит об обратном. Это новая топология с большей гибкостью. Она оставляет резисторы неизменными и вместо этого программирует I_OUT (гораздо меньшим) управляющим током (I_C).

Рисунок 2.	Обычно RC >100RS, поэтому IC < IOUT/100 и IOUT ≈ – (1.25 –(ICRC))/RS.

Выполнение условия R_C > 100R_S позволяет управлять током I_OUT с помощью всего лишь миллиампер тока I_C. На Рисунке 3 показана идея, воплощенная в полностью управляемом ШИМ источнике отрицательного тока 18 В/1 А с заземленной нагрузкой.

Рисунок 3.	Программируемый ШИМ источник отрицательного тока 18 В/1 А с заземленной нагрузкой на основе новой топологии включения микросхемы LM337. Благодаря этой топологии точность не зависит от отклонения напряжения шины питания. Резисторы, отмеченные звездочкой, имеют допуск 1% или лучше, а RS = 1.25 Ом.

Частота ШИМ (F_PWM) предполагается равной 10 кГц или около того; если это не так, соответствующим образом масштабируйте емкости C₁ и C₃, используя следующие формулы:

и

В результате коммутации импульсами ШИМ с размахом 5 В транзистор Q₁ образует переменное сопротивление, усредняемое конденсатором C₁ до значения R₄/D, где D – коэффициент заполнения ШИМ от 0 до 1. Таким образом, в вывод обратной связи регулятора Z₁ течет ток

Сглаживание пульсаций ШИМ фильтром второго порядка обеспечивает приемлемое время установления до 8-битной точности за 6 мс при F_PWM = 10 кГц.

Напряжение V₁ регулятора Z₁ управляет затвором транзистора Q₁, чтобы поддерживать на его истоке точное опорное напряжение 1.24 В, сдвигающее уровень результирующего тока I_C для слежения за выводом ADJ микросхемы U₁. Кроме того, с током I_C суммируется ток компенсации смещения I_ADJ (1.24 В/20 кОм = 62 мкА), задаваемый резистором R₂.

Этот член обнуляет типичный ток I_ADJ микросхемы U₁ и снижает его максимальную ошибку 100 мкА на 60%. Между тем диод D₁ обеспечивает принудительную отсечку тока I_OUT при падении напряжения 5 В, вводя транзистор Q₂ в насыщение и делая ток I_C достаточно большим, чтобы полностью отключить регулятор U₁, и тем самым защитить нагрузку.

О последовательной цепочке диодов 1N4001: существует вероятность того, что при максимальном значении I_C ток I_OUT будет положительным, и в результате произойдет обратное смещение нагрузки; некоторые нагрузки могут этого не выдержать. 1N4001 блокируют это, а также обеспечивают смещение для отключения I_OUT при выключении питания +5 В.

Обратите внимание, что точность величины I_CR_C = V_ADJ обеспечивается согласованностью сопротивлений резисторов R_C и точностью внутренних опорных напряжений микросхем Z₁ и U₁. Поэтому она не зависит от отклонений напряжения шины +5 В, хотя для наилучшего подавления пульсаций ШИМ желательно, чтобы точность напряжения не была хуже ±5%. Ток I_OUT линейно зависит от коэффициента заполнения ШИМ в диапазоне значений D от 0 до 1:
 
Если R_S = 1.25 Ом, то максимальный выходной ток I_OUT(MAX) равен 1 А.

Обратите внимание, что при I_OUT(MAX) = 1 А и низком напряжении нагрузки микросхема U₁ может рассеивать до 23 Вт. Мораль сей истории такова: будьте щедры на площадь радиатора! Кроме того, резистор R_S должен быть рассчитан на мощность 1.25²/R_S.

На Рисунке 4 показаны модификации, облегчающие устранение влияния допусков номиналов компонентов, включая источники опорных напряжений U₁ и Z₁, а также все резисторы.

Рисунок 4.	Модификации для облегчения устранения влияния допусков номиналов компонентов, включая источники опорных напряжений U1 и Z1, а также все резисторы. Обратите внимание, что RS = 1.1 Ом.

Последовательность однопроходной калибровки такова:

1. Установите D = 100%.
2. Регулировкой потенциометра КАЛИБРОВКА установите выходной ток 1.000 А.
3. Установите D = 0%.
4. Регулировкой потенциометра НОЛЬ установите выходной ток, равный нулю.

Готово. Теперь I_OUT = 1.1 D/R_S.

Материалы по теме

1. Datasheet ON Semiconductor LM337
2. Datasheet Analog Devices LM4041
3. Datasheet Infineon BSS308PE
4. Datasheet Microchip TP2104