Промышленные схемы управления часто получают питание от самых разных источников, напряжение которых может превышать максимальное значение 40 В, типичное для популярных микросхем импульсных преобразователей. В этой статье представлен простой, гибкий и недорогой импульсный преобразователь, преобразующий входное напряжение до 60 В в 5 В при токе в несколько ампер. Схема уникальна тем, что увеличивает ток практически без компромиссов в характеристиках, размерах и стоимости. Она должна заинтересовать любого, кто когда-либо искал простой импульсный понижающий преобразователь с выходным током или входным напряжением, превышающим возможности стандартных устройств. Обычно такие поиски приводят к гораздо более сложным и дорогостоящим решениям, чем то, которое представлено в этом проекте. Обе микросхемы LM2594HV и LM2597HV рассчитаны на максимальное входное напряжение 60 В, рабочую частоту 150 кГц, пиковый выходной ток 0.7 А и имеют функцию включения/выключения. В LM2597HV добавлены мягкий запуск, задержка, флаг «питание в норме» и вывод, который можно использовать для увеличения большей части тока смещения от VOUT. Хотя оба устройства являются однокристальными импульсными преобразователями, их также можно использовать в качестве драйверов-контроллеров, внеся лишь незначительные изменения в стандартные для них конфигурации схем понижающих регуляторов. На Рисунке 1 показана микросхема LM2597HVM в типичной конфигурации 5 В, 0.5 А, в которой используются все функции микросхемы. На Рисунке 2 показана более сильноточная конфигурация, в которой всего три дополнительных компонента позволяют увеличить выходной ток до более чем 6 А.
 |
|
| Рисунок 1. | Классическая схема понижающего регулятора напряжения. |
 |
|
| Рисунок 2. | Добавив всего три компонента, можно увеличить выходной ток более чем в десять раз. |
В качестве бонуса схема на Рисунке 2 также обеспечивает защиту от перегрузки по току и короткого замыкания транзистора Q1. Надежные функции самозащиты микросхемы защищают и транзистор Q1, при условии, что он имеет теплоотвод достаточного размера; дроссель L1 не входит в насыщение при правильном выборе сопротивления R1. Если пиковый ток через R1 создает падение напряжения достаточно большое, чтобы вызвать насыщение Q1, микросхема входит в режим перегрузки по току, в котором ее внутренние механизмы защиты либо отключают ключ на оставшуюся часть периода импульсов, либо пропускают импульсы. Транзистор Q1 должен быть быстродействующим импульсным, чтобы минимизировать потери переключения. Транзистор также должен иметь минимальное время рассасывания, чтобы избежать пропуска импульсов при низких коэффициентах заполнения. В Таблице 1 показаны характеристики схемы при максимальном входном напряжении 60 В и различных токах нагрузки. В таблице также приведены типы и номиналы, необходимые для покупки компонентов L1, C1 и C2.
| Таблица 1. | Зависимость КПД от выходного напряжения и тока. (Q1 – D44H8) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
КПД при VIN = 60 В и токе нагрузки IOUT = 2-6 А составляет 77% при VOUT = 5 В и возрастает до 87% при VOUT = 12 В. КПД достигает максимума в диапазоне VIN от 30 до 40 В, где его пиковый уровень на 2% превышает значения, указанные в Таблице 1. Рассеиваемая мощность практически поровну распределяется между элементами L1, D1 и Q1, поэтому следует размещать эти компоненты на расстоянии друг от друга, чтобы избежать горячих точек и обеспечить отвод тепла до 3 Вт от каждого при максимальном токе и напряжении. Хорошая разводка платы должна включать в себя большое количество земляных слоев и короткие широкие дорожки в сильноточных цепях. При использовании регулируемой версии микросхемы LM2597 можно получить выходные напряжения, отличные от 3.3, 5 и 12 В. Тогда для этой микросхемы потребуется дополнительная пара резисторов между выводами VOUT, FB и землей. Рассчитайте сопротивления этого резистивного делителя так, чтобы при желаемом выходном напряжении на выводе FB было 1.23 В. Хотя в данном примере схемы используется микросхема LM2597HVM-5.0, этот метод эффективного увеличения выходного тока более чем в десять раз можно легко применить к любому понижающему преобразователю, используя всего три дополнительных компонента. Нет необходимости использовать высоковольтные устройства для приложений с максимальным входным напряжением ниже 40 В.
Следующие семь шагов представляют собой упрощенную процедуру выбора номиналов компонентов для широкого диапазона условий, включая те, которые перечислены в Таблице 1:
- Выберите сопротивление R1 таким, чтобы при пиковом токе дросселя, на 20% превышающем рабочий ток IOUT, на нем падало напряжение 1.5 В. Бóльший пиковый ток приводит к насыщению транзистора Q1, в результате чего микросхема будет отдавать в базу Q1 ток, превышающий 0.7 А. Это действие запускает поимпульсное ограничение тока микросхемы, защищая ее, транзистор и нагрузку от дальнейшего превышения тока. Короткое замыкание на выходе снижает тактовую частоту микросхемы, защищая диод D1 и дроссель L1 от высокого непрерывного пикового тока. Мощность, рассеиваемая резистором R1, вычитается из мощности, рассеиваемой транзистором Q1, что позволяет снизить требования к теплоотводу. Эта рассеиваемая мощность равна
- Выберите сопротивление R2 достаточно небольшим, чтобы не увеличивать время выключения транзистора Q1, но не настолько малым, чтобы оно забирало от Q1 много тока управления, что приводило бы к преждевременному ограничению тока. Сопротивление 4.7 Ом (значение, используемое в Таблице 1) является хорошим компромиссом для большинства приложений.
- Транзистор Q1 должен быть быстродействующим импульсным с номинальным напряжением коллектор-эмиттер более 60 В и током коллектора, вдвое превышающим требуемый пиковый ток. Такое соотношение обычно обеспечивает высокое значение бета в диапазоне рабочих токов. Транзистор D44H8 в корпусе TO-220 хорошо работает при выходном токе более 6 А, а в корпусе SOT-223 – при токе более 2 А.
- В качестве D1 выберите диод Шоттки, рассчитанный на максимальные значения VIN и IOUT. При VIN >> VOUT на D1 приходится бóльшая часть общей мощности потерь, поэтому ищите диод с номинальным прямым падением напряжения менее 0.5 В.
- Выберите L1 = 47 мкГн/√IOUT для VOUT = 3.3 В, 68 мкГн/√IOUT для VOUT = 5 В и 150 мкГн/√IOUT для VOUT = 12 В. Выберите ближайшее значение индуктивности L1 с номинальным током насыщения и рабочим током, превышающим IOUT. Для выходных токов до 1 или 2 А хорошо подходит семейство SMT дросселей DO5022 компании Coilcraft, но для токов свыше 3 А требуются сердечники большего размера. Эти дроссели можно соединять последовательно или параллельно, чтобы расширить диапазон токов до 3-4 А. Они также доступны в версиях с наборными сердечниками для более высоких токов. Дроссели для монтажа в отверстия, такие как семейство DMT2-xx компании Coilcraft, имеют бóльшие габариты, но обеспечивают меньшие потери, особенно при выходных токах более 5 А.
- Емкость конденсатора C1 должна соответствовать номинальному току пульсаций, а конденсатор C2 должен иметь низкое значение ESR. Минимальное значение емкости C1 = C2/10 ≥ 100 мкФ × IOUT хорошо подходит для низких токов, но при увеличении тока до нескольких ампер требуются бóльшие значения, чтобы удовлетворить требованиям к ESR и току пульсаций. Номинальный ток пульсаций зависит от нескольких переменных, но консервативный выбор – это половина максимального выходного тока для C1 и четверть максимального выходного тока для C2. В зависимости от величины пульсаций тока, возможно, потребуется составить C1 из нескольких параллельных конденсаторов. ESR конденсатора C2 должно быть менее 0.1 Ом/IOUT, чтобы пиковые пульсации напряжения VOUT не превышали 50 мВ. Выбирая конденсаторы, ориентируйтесь на те, которые предназначены для использования в импульсных источниках питания и способны сохранять заявленные значения ESR и допустимых токов пульсаций при высоких температурах. Затем выберите номинальное напряжение конденсатора, превышающее ожидаемое рабочее напряжение не менее чем на 50%.
- Элементы R0, CSS и CD являются необязательными. Если вы не собираетесь их использовать, эти выводы можно оставить неподключенными. Для выключения схемы можно подать на вывод 5 низкий уровень напряжения, а затем снова плавно включить ее, подав на вывод 5 высокий уровень. Значения емкостей CSS и CD, необходимых для установки требуемого времени задержек плавного пуска и флага «Питание в норме», приведены в графиках технического описания LM2597.
