ЛИП с предрегулятором.
Дальнейшее развитие ЛИП связано с повышением их КПД, снижающим тепловые нагрузки на силовые компоненты, и улучшением массогабаритных показателей ЛИП (за счет уменьшения площади конструкций, излучающих тепло).
ЛИП, описанный ниже, представляет собой комбинацию импульсного источника питания (ИИП) и классического регулируемого стабилизатора напряжения (РСН). В этом случае ИИП является импульсным предрегулятором напряжения (ИПН), изменяя входное напряжение на входе РСН в зависимости от выходного напряжения ЛИП таким образом, что уровень падения напряжения на РЭ РСН остается неизменным при любом уровне выходного напряжения ЛИП. Структурная схема такого ЛИП показана на рис.5, принципиальная схема приведена на рис.6.
Так же, как и в схеме ЛИП на рис.1 аналоговая часть микросхемы TL494 используется для построения РСН с узлом токового ограничения/отсечки.
В "импульсной" части микросхемы TL494 (U2) в схеме ЛИП на рис.6 задействован ее встроенный тактовый генератор, а на объединенных выходах C1, C2 микросхемы присутствует последовательность неизменных и максимальных (99% от периода) по длительности импульсов отрицательной полярности. Инвертированные транзистором Q4 эти импульсы являются задающими для DC-DC понижающего преобразователя, выполненного на полумостовом драйвере IR2104S (U1), паре MOSFET (в соответствующем типовом включении) и накопительном дросселе L1. IR2104S формирует по выходу LO (вывод 5) инверсную, относительно входа IN (вывод 2) импульсную последовательность для управления затвором транзистора Q1, по выходу HO (вывод 7) эта последовательность является "прямой" для управления затвором Q2. При запертом транзисторе оптрона VO1 в точке VS длительность положительных импульсов будет максимальной, а напряжение в точке +Reg будет равно практически полному входному напряжению (точка +Vin). Эта ситуация характерна для регулировок ЛИП, соответствующих максимальному выходному напряжению (в точке +Out). При уменьшении выходного напряжения ЛИП (+Out), обозначится попытка роста напряжения на РЭ ЛИП (транзистор Q6) и соответствующее нарастание тока через светодиод оптрона VO1, вызывающее его зажигание, т.к. светодиод оптрона подключен через резистор R5 и диод VD2 к точкам +Reg (анодом) и +Out (катодом). Транзистор VO1 будет открыт, длительность тактового импульса на входе IN U1 будет уменьшена. Выходное напряжение в точке +Reg будет снижено на величину, определяемую суммой напряжений Uрэ+Uвых, рост напряжения на РЭ будет остановлен на уровне, определяемым зажиганием оптрона (выбирается 2,0В...2,5В - для большинства транзисторов с малым напряжением насыщения). Таким образом, даже при токе нагрузки 10А, мощность рассеяния на РЭ составит 20Вт...25Вт - при любом выходном напряжении ЛИП. Преимущества ЛИП с ИПН предполагают использование транзисторов в качестве РЭ с худшими предельными параметрами по мощности и напряжению; использование теплоотводящих поверхностей меньшей площади; уменьшение габаритов корпуса.
В качестве полумостовых драйверов в ИПН кроме IR2104S можно применить микросхемы IR2111S (U3 в схеме на рис.6) или IR2184S (U4 в схеме на рис.6).
ЛИП, кроме токового лимита/отсечки (описано в части I статьи) имеет защиту от перенапряжения, в случае, например, нарушения работы оптрона VO1. Защита от перенапряжения реализована на динисторном оптроне VO2, цепь питания его светодиода включена параллельно цепи питания светодиода VO1, но рассчитана на большее падение напряжения на РЭ. Светодиод оптрона VO2 зажжется только в случае, если напряжение на РЭ превысит значение 4,5-6,0В. В случае срабатывания динистора VO2 зажжется светодиод HL1, а работа ИПН будет блокирована по входу SD при использовании микросхем U1 или U4. Вход SD будет блокирован и контактом термостата S2, если будет превышена температура (зависит от термостата) радиатора с расположенными на нем силовыми компонентами и термостатом. В случае использования U3 защита от перенапряжения и перегрева не предусмотрена, но возможно ее использование по входу IN U3.
Для схемы ЛИП с ИПН на рис.6 разработаны печатные платы в нескольких вариантах. Плата на рис.7 разработана для использования U2 в DIP-корпусе и SOP-8 - для IR2104S (U1). Все крупные выводные компоненты монтируются с противоположной стороны (относительно установочной маркировки), - в 0,5мм...1мм над SMD-компонентами.
Регулировочные и силовые компоненты расположены непосредственно на плате. Вариант 2 платы предполагает монтаж U2 в корпусе SOIC-16. В этом варианте печатной платы так же все крупные выводные компоненты монтируются над компонентами SMD.
Третий вариант печатной платы (рис.9) универсален и позволяет использование любой из микросхем драйверов (U1, U3, U4). В этом случае микросхемы в корпусах SOP-8 должны быть предварительно размещены на адаптерах SOP-8/DIP-8.
Пояснение работы "импульсной" части TL494 для схемы на рис.6. Постоянство ширины импульсов на объединенных выходах микросхемы U2 C1, C2 объясняется тем, что при любых значениях выходного напряжения ЛИП (+Out) уровень напряжения на объединенном выходе ОУ (вывод 3 U2) не превышает +2,5В...+3.0В, что достаточно для управления РК, но исключает возможность управления "импульсной" частью микросхемы TL494. ШИ-регулирование внутри микросхемы в этом случае не происходит. Отрабатывание внутрисхемного PWM-компаратора TL494 начинается при уровне от +3,5В (приблизительно).
Основные принципы подбора компонентов. Все транзисторы (включая маломощные) должны выбираться из расчета двухкратного запаса по току и напряжению. Дроссели для ИПН подбирались экспериментально из готовых экземпляров, демонтированных из компьютерных БП и прочей силовой импульсной техники. Параметры дросселя для ИПН можно обсчитать в онлайн-калькуляторах таким же образом, как и для понижающего (step-down) ШИМ-стабилизатора (для ШИМ-режима ИПН) или воспользоваться материалом для расчета, например, здесь: https://www.power-electronics.info/buck-converter.html.
При экспериментах с дросселями следует иметь ввиду следующее:
Чем выше входное напряжение, тем больше должна быть индуктивность дросселя. Недостаточная индуктивность приведет к превышению ОБР ключей ИПН и его аварии. Чем больше ток, коммутируемый ИПН, тем больше должна быть площадь сечения сердечника дросселя. Т.к. импульс, коммутируемый ИПН является однополярным, сердечник дросселя должен иметь встроенный немагнитный зазор (для феррита) или должен быть изготовлен из порошкового железа. В противном случае произойдет намагничивание магнитопровода, насыщение с потерей индуктивности и аварийному режиму ключей ИПН. Для ШИ-режима с +Vin<+40V и частоте коммутации ИПН 35кГц...50кГц использован дроссель групповой стабилизации от компьютерного ИИП с индуктивностью обмотки 27uH…40uH и размерами кольца из порошкового железа 32Х18Х16. При этом был обеспечен долговременный и безопасный режим работы ЛИП в диапазоне выходных напряжений 0В...+36В при токе до 5А, при незначительном нагреве (40С) общего радиатора площадью 200кв.мм с размещенными на нем ключами ИПН (Q1, Q2), РЭ (Q6), и таким же незначительным нагревом (35С) дросселя. С токовыми значениями свыше 5А испытания не проводились. Схема ЛИП на рис.6 была смонтирована на макетной плате и испытывалась только в таком виде. Силовые компоненты, размещенные на радиаторе, вынесенном от макетной платы, были соединены с платой проводниками длиной 100мм. Длина проводников дросселя до платы составляла 40мм.
Измеренные параметры ЛИП с ИПН следующие:
Испытанный диапазон постоянных входных напряжений: +36В...+80В;
Диапазон выходных напряжений: 0В...+33В (при входном напряжении +36В, частоте коммутации ИПН - 50кГц, индуктивность дросселя 27uH...100uH);
Диапазон выходных напряжений: 0В...+76,5В (при входном напряжении +80В, частоте коммутации ИПН - 30кГц, индуктивность дросселя 0,6mH...1,0mH);
Диапазон регулировки ограничения/отсечки тока: 10мА...5А;
Шум продуктов коммутации ИПН (50кГц и гармоники) на выходе ЛИП: не более 1мВ - при входном напряжении +36В, токе до 3А;
не более 3мВ при токе от 3А;
Шум продуктов коммутации ИПН (35кГц и гармоники) на выходе ЛИП: не более 1мВ - при входном напряжении +80В, токе до 2А.
Температура радиатора площадью 200кв.мм составила 50С за 2ч работы при выходном напряжении +15В и токе 3А (измерено ИК термометром).
В качестве ключей Q1, Q2 при входном напряжении до +50В допустимо применение транзисторов IRF3205, IRF1407, IRFZ46 (из того, что испытывалось); при входном напряжении до +100В - IRF3710, IRF540. другие транзисторы не испытывались.
Q3 может быть КТ829А или TIP122; Q4 - 2N7000 (2N7002); Q5 - 2N5551; Q6 - TIP142 или любой составной, сопоставимый по основным параметрам и напряжением насыщения не более 2,0В. При большем значении напряжения насыщения следует фиксировать уровень рабочего падения напряжения на РЭ - 3,0В...3,5В, - для нормальной работы РСН.