Перекрестное соединение комплементарных источников тока для уменьшения ошибки саморазогрева

В разделе «Design Ideas» (конструкторские идеи) разгорелись оживленные дискуссии относительно ограничений и особенностей, а также приемов проектирования источников тока, показанных на Рисунке 1.

Рисунок 1.	Как контролировать амперные выходные токи IOUT с помощью миллиамперных токов IC, используя в качестве стабилизаторов тока устаревшие регуляторы напряжения, где IOUT = (VADJ – ICRC)/RS.

Читатель Ашутош Сапре выразил тревогу по поводу вероятного влияния обусловленного саморазогревом повышения температуры на точность опорного напряжения регулятора, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Изменение опорного напряжения LM317 в зависимости от температуры перехода, показанное в техническом описании микросхемы LM317.

Как видно из Рисунке 2, температурная стабильность этих устаревших устройств достаточно хороша. Тем не менее, существуют ситуации, когда температурный коэффициент может создавать проблемы.

Например, рассмотрим сценарий, который начинается с программирования 100% от максимального выходного тока (например, 1 А), при котором регулятор рассеивает много тепла. Предположим, что этот режим поддерживается достаточно долго, чтобы температура перехода регулятора поднялась с 25 °C до 125 °C. Рисунок 2 предсказывает, что такой большой перепад температур приведет к смещению опорного напряжения V_REF с 1.25 В до 1.2375 В, из-за чего выходной ток снизится примерно на 1% от максимального.

Этот 1% соответствует 10 мА из 1000 мА и составляет немного меньше 3 младших значащих бит 8-битного значения. Возможно, это не очень хорошо, но и не ужасно. Но что, если затем перепрограммировать выходной ток на 10% от полной шкалы (например, 100 мА), пока регулятор еще горячий?

Тогда этот 1% от ошибки полной шкалы станет 10% от установленного значения. Это проявится в виде очень длинного «хвоста» теплового успокоения, длящегося много секунд пока температура перехода постепенно снижается со 125 °C, позволяя V_REF (медленно) вернуться к исходному напряжению 1.25 В, а выходному току установиться на нужном уровне 100 мА. В конечном итоге это произойдет, но требуемое для этого время будет чрезмерным. Это может оказаться неприемлемым.

К счастью, Ашутош также предложил простое и практичное решение проблемы в виде вспомогательного транзистора, шунтирующего ток. Шунт позволил бы большей части выходного тока и, следовательно, большей части источника саморазогрева полностью обходить регулятор. Это позволило бы сохранить его переход ненагретым, а его V_REF – недрейфующим. Проблема решена!

Или нет? Ашутош также отметил, что обходной транзистор, хотя и решает проблему тепловыделения, к сожалению, также обходит и некоторые полезные функции. В частности, были бы утрачены ценные возможности защиты от повреждений (например, автоматическое ограничение тока и отключение при перегреве), встроенные в микросхемы LM317 и LM337. Хотя эти возможности потенциально можно было бы добавить к транзисторному шунту, это во многом лишило бы схему простоты, которая изначально делала ее привлекательной.

Итак, я задался вопросом, можно ли реализовать идею шунта Ашутоша таким образом, чтобы сохранить желаемые характеристики 317/337, оставляя при этом схему простой. Очевидным решением (я люблю очевидное!) было бы просто сделать шунт из другого регулятора LM3xx. Именно это показано на Рисунке 3: схема с перекрестно соединенными комплементарными регуляторами, в которой U1 317 используется для управления, а U2 337 – в качестве шунта. Токи управления и шунта затем суммируются перед прохождением через R_S, обеспечивая обратную связь к U1, где

и I₃ >> I₂. (Здесь V_{ADJ_U1} – напряжение на выводе ADJ микросхемы U1). Обратите внимание, как шунт переворачивается «вверх ногами».

Регулятор U1 на Рисунке 3 включен в основном так же, как на Рисунке 1, за исключением R_X. Напряжение R_X × I₂, падающее на R_X, поступает на вывод ADJ микросхемы U2, так что, когда входной ток I₂ регулятора U1 превысит примерно 10 мА, напряжение на выводе ADJ микросхемы U2 упадет достаточно, чтобы она начала проводить ток. Это увеличивает составляющую тока I₃, на которую в конечном итоге приходится бóльшая часть общего тока I₁ = I₂ + I₃. Таким образом, U2 рассеивает основную часть мощности саморазогрева, гарантируя, что регулятор U1 остается относительно холодным, а его опорное напряжение V_REF – точным.

Рисунок 3.	Перекрестное соединение уменьшает ошибку саморазогрева, поскольку шунтирующий регулятор U2 пропускает бóльшую часть тока, становясь относительно горячим, в то время как регулятор U1, VREF которого контролируется, остается относительно холодным и точным.

Диод 1N4001, подключенный параллельно резистору R_X, защищает R_X и вывод ADJ микросхемы U2 в случае срабатывания функции отключения U2 по перегреву или перегрузке по току. В этом случае микросхема U1 пыталась бы взять на себя всю нагрузку, что привело бы к такому падению напряжения на R_X, которое может повредить U2 и сжечь резистор. Диод предотвращает это.

На Рисунке 4 показана схема, работающая как источник отрицательного тока.

Рисунок 4.	Если 317 и 337 поменять местами, а диоды включить наоборот, схема на Рисунке 3 сможет работать и с отрицательным током.

Если требуется бóльшая допустимая токовая нагрузка, можно добавить больше шунтов U2 и использовать более мощные диоды (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Увеличьте допустимую нагрузку по току с помощью более мощных диодов и большего количества регуляторов U2.

На Рисунке 6 эта идея интегрирована в законченный источник отрицательного тока с ШИМ-управлением, как подробно описано в статье «Источник отрицательного тока с ШИМ на входе и LM337 на выходе» [1].

Рисунок 6.	Схема источника отрицательного тока содержит средства компенсации разброса номиналов компонентов, включая отклонения опорных напряжений микросхем U1 и Z1. Обратите внимание, что резистор RS сопротивлением 1.1 Ом должен быть рассчитан на мощность более 1 Вт.

Однопроходная последовательность регулировки следующая:

1. Установите D = 100% (D – коэффициент заполнения ШИМ);
2. Регулировкой потенциометра КАЛИБРОВКА установите на выходе ток 1 А;
3. Установите D = 0%;
4. Регулировкой потенциометра НОЛЬ установите нулевой выходной ток.

Готово. Теперь I_OUT = 1.1·D/R_S.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Источник отрицательного тока с ШИМ на входе и LM337 на выходе

Материалы по теме

1. Datasheet Fairchild LM317
2. Datasheet ON Semiconductor LM337
3. Datasheet Analog Devices LM4041
4. Datasheet Infineon BSS308PE
5. Datasheet Microchip TP2104