Простых линейных и импульсных стабилизаторов напряжения с цепями обратной связи, подобными показанной на Рисунке 1, великое множество. Их выходные напряжения равны опорному напряжению на выводе обратной связи (FB), умноженному на 1 + RF/RG. Рекомендуемые значения емкости конденсатора CF от 100 пФ до 10 нФ увеличивают глубину обратной связи на высоких частотах или, по крайней мере, гарантируют, что она не будет ослаблена паразитными емкостями на выводе обратной связи.
 |
|
| Рисунок 1. | Конфигурации стандартных регуляторов и их цепей обратной связи. Линейный регулятор показан слева, а импульсный – справа. |
Изменение этой структуры для добавления ШИМ-управления выходным напряжением требует некоторых размышлений, и мы со Стивеном Вудвордом представили несколько идей, направленных на решение этой проблемы.
Я предложил отсоединить резистор RG от земли и питать его очень хорошо отфильтрованным (фильтром на основе операционного усилителя) ШИМ-сигналом, подаваемым с логического инвертора типа 74xx04. Хотя это может обеспечить отличное подавление пульсаций, у такого подхода есть недостаток: необходимость в источнике питания инвертора, что не снижает 1-процентной или лучшей точности опорного напряжения регулятора.
Стивен предложил коммутировать отсоединенный вывод резистора RG включенным между землей и обрывом MOSFET. Прелесть этого решения в том, что не требуется никаких новых источников опорного напряжения. Хотя выходное напряжение больше не является линейной функцией коэффициента заполнения ШИМ, простая программная таблица преобразования делает это лишь неудобством. (Ага, «мы можем исправить это программно!»)
Общая схема подавления пульсаций, создаваемых ШИМ-контроллером, должна быть достаточно гибкой, чтобы ее можно было использовать с различными регуляторами, опорными напряжениями, диапазонами выходных напряжений и частот ШИМ. При выборе схемы следует учитывать некоторые возможные ловушки:
- Компенсация путем добавления противофазной версии сигнала пульсаций зависит от допусков номиналов компонентов.
- Дешевые керамические конденсаторы, такие как повсеместно распространенные X7R, имеют характеристики, чувствительные к постоянному напряжению и температуре. Схема, в которой они используются, должна быть устойчива к этим неприятным особенностям.
- Схемы с конденсаторами, подключенными между землей и выводом обратной связи, уменьшают глубину обратной связи на высоких частотах. Результатом может стать ухудшение реакции на изменения входного напряжения и нагрузки.
Схема
Имея это в виду, рассмотрим схему на Рисунке 2, рассчитанную на работу с выходными напряжениями от 0.8 В до чуть более 5 В.
 |
|
| Рисунок 2. | Конкретный пример регулятора с ШИМ-управлением и подавлением пульсаций. Показан только линейный регулятор, но адаптация для работы в импульсном режиме требует лишь добавления дросселя и фильтрующего конденсатора. |
Примечание. Если регулятор способен работать при выходном напряжении ниже напряжения на выводе FB, то для этого можно подключить резистор между выводом FB и источником питания с более высоким постоянным напряжением. При выходном напряжении 0 В ток через него должен быть равен VFB/RF. Для работы с выходным напряжением до 5 В значение сопротивления RF необходимо увеличить. Однако такой подход требует опорного напряжения соответствующего качества, и значительная часть преимуществ использования MOSFET теряется.
MOSFET с низкой входной емкостью имеет максимальное сопротивление в открытом состоянии менее 2 Ом при напряжении затвор-исток 2.5 В или более. Максимальное постоянное напряжение на конденсаторах CG1 и CG2 составляет 0.8 В (до 1.25 В в некоторых регуляторах). Точность их емкостей не критична, и при таких низких напряжениях емкости практически не изменяются при использовании конденсаторов X7R с номинальным напряжением 10 В или выше.
Однако на конденсаторе CF может присутствовать значительное постоянное напряжение. Здесь можно обойтись X7R, но и нечувствительный к напряжению C0G емкостью 10 нФ стоит недорого. Значение емкости CF было выбрано для облегчения управления пульсациями. Если бы этого конденсатора не было, пульсации были бы больше и пропорциональны значению RF. При емкости конденсатора CF, равной 10 нФ, бóльшие значения сопротивления RF для более высоких выходных напряжений не окажут влияния на пульсации, вызванные ШИМ; меньшие значения могли бы только уменьшить их. Наибольший размах пульсаций наблюдается при коэффициентах заполнения от 30 до 40%.
Фильтрация, обеспечиваемая тремя конденсаторами, создает синусоидальный сигнал пульсаций с пиковой амплитудой 5.7 мкВ. Для 16-битного АЦП с полной шкалой 5 В такая амплитуда составляет менее одного младшего двоичного бита.
Гибкость
Возможно, вам потребуется более широкий или более узкий диапазон выходных напряжений. Вы можете свободно изменять сопротивление резистора RF, не увеличивая амплитуды пульсаций.
Амплитуда пульсаций будет масштабироваться пропорционально опорному напряжению регулятора. Предполагается, что оптимальное сопротивление резистора между выводом FB и землей составляет 10 кОм. Если для выбранного вами регулятора необходимо изменить это сопротивление, масштабируйте три резистора RG с одинаковым коэффициентом Z. Поскольку резисторы и три конденсатора образуют фильтр третьего порядка, пульсации будут масштабироваться пропорционально Z–3. Чтобы сохранить ту же амплитуду пульсаций, масштабируйте емкости трех конденсаторов на 1/Z. Возможно, вам потребуется масштабировать номиналы конденсаторов по какой-либо другой причине, даже если сопротивления резисторов не изменялись.
Изменение частоты ШИМ в F раз изменит амплитуду пульсаций в F–3 раз. Однако при слишком высокой частоте могут возникнуть проблемы с точностью из-за паразитных емкостей и неравных времен включения и выключения MOSFET.
Некоторые регуляторы могут не допускать использования такой большой емкости CF, какая требуется для достаточного подавления пульсаций. Обычно допускается наличие резистора RCF, включенного последовательно с CF. В таких случаях пульсации увеличиваются в K раз, где K равно квадратному корню из (1 + RCF × 2π × FШИМ × CF), и форма сигнала может перестать быть синусоидальной. Однако увеличение емкостей CG1 и CG2 в квадратный корень из K раз позволит добиться примерно такого же подавления, как и в схеме с сопротивлением RCF, равным 0. Если все вышеперечисленное не помогает, всегда можно добавить RG4 и CG3 для получения еще одного каскада фильтрации.
Связывая все воедино
Был представлен гибкий подход к подавлению пульсаций, обусловленных ШИМ-управлением, в линейных и импульсных регуляторах. Предложены простые правила использования и модификации схемы на Рисунке 2 для работы в различных диапазонах выходных напряжений и частот ШИМ, предпочтительных значений сопротивлений, включаемых между землей и выводом обратной связи регулятора, а также допусков значений умеренно больших емкостей между выводами обратной связи и выходом.
Учтены ограничения, связанные с чувствительностью конденсаторов к постоянному напряжению. Эти компоненты используются надлежащим образом и разумно. Исключена зависимость от подбора компонентов. Стандартные структуры цепей обратной связи сохраняются или, в худшем случае, подвергаются лишь незначительным изменениям. В частности, глубина обратной связи на более высоких частотах не снижается по сравнению с рекомендованной производителем регулятора. Это обеспечивает сохранение заданных характеристик откликов на изменения входного напряжения и нагрузки.
Дополнение
В очередной раз показал свою ценность раздел комментариев страницы «Конструкторские идеи». И это снова дежавю; ценную информацию предоставил достопочтенный Стивен Вудворд. В более ранней статье он отмечал, что регуляторы, как правило, не допускают отрицательного напряжения на выводах обратной связи. Но если между выходом и этим выводом подключен конденсатор CF емкостью более нескольких сотен пикофарад, как я рекомендовал в этой статье, и выход закорачивается или быстро разряжается, конденсатор может создать на этом выводе отрицательное напряжение и повредить микросхему. Чтобы защититься от этого, добавьте компоненты, показанные на Рисунке 3.
 |
|
| Рисунок 3. | Добавьте эти компоненты для защиты вывода FB от отрицательных выбросов при быстрых изменениях выходного напряжения. |
В нормальном режиме работы и во время запуска диод Шоттки CUS10S30 представляет собой обрыв, поэтому он, конденсатор CC и резистор 1 МОм оказывают незначительное влияние на работу схемы. Конденсатор CC предотвращает протекание обратного тока диода, который в противном случае мог бы стать причиной ошибок выходного напряжения. Если напряжение VOUT быстро падает до уровня земли, CC и диод предотвращают появление отрицательного напряжения в точке соединения конденсаторов. Резистор RC обеспечивает недорогое «на всякий случай» ограничение тока вывода FB от этого переходного напряжения, если на нем каким-либо образом возникло отрицательное напряжение. (Проверьте максимальный ток вывода FB, чтобы убедиться в отсутствии вызывающих ошибки значительных падений напряжения на резисторе RC). После установления схемы конденсатор CC разряжается, и схема готова к нормальному перезапуску.
Купить CUS10S30 на РадиоЛоцман.Цены
