Следующим шагом улучшения эксплуатационных характеристик ЛБП YG-1502DD на базе РИСН LT1083 может стать повышение общего КПД. Как бы ни были хороши РИСН в целом, но мощность рассеяния корпуса составляет всего 60Вт для LT1083 (наверное, лучшей в своем классе по признаку "стоимость/параметры"). Кроме того, LT1083 не пригодна для работы с напряжениями свыше предельных значений, заявленных для нее.
Расклад меняется при совместном использовании РИСН с импульсными предрегуляторами напряжения (ИПН).
ИПН включается в разрыв между источником выпрямленного напряжения и РИСН, отслеживая падение напряжения непосредственно на встроенном РЭ РИСН (вход/выход РИСН), обеспечивая, таким образом, постоянный уровень падения напряжения на РИСН. Это значит, что на изменение мощности рассеивания на РИСН будет влиять только ток нагрузки при любом допустимом напряжении на входе ИПН. При совместном использовании ИПН+РИСН так же можно строить относительно высоковольтные ЛИП (с параметрами выше заявленных для РИСН), т.к. при использовании ИПН межэлектродные напряжения на микросхеме РИСН не превысят допустимых величин.
Принципиальная схема практического варианта ЛИП ИПН+РИСН на LT1083 приведена на рис.9
ЛИП, собранный по этой схеме, допускает максимально полную реализацию параметров LT1083 при любых соотношениях напряжений +Vin/+Vout без выхода за пределы ОБР. Так же допускается возможность использования LT1083 при значении напряжения +Reg, превышающего +Vin max для LT1083. Соответственно, может быть расширен и диапазон выходных напряжений при таком построении ЛИП.
Схема собственно стабилизатора, выполненного на РИСН LT1083 не отличается от схемы на рис.8, так же, как и узел лимита/отсечки тока, - он одинаков в обеих схемах.
Все изменения связаны только с применением ИПН, выполненным на полумостовом драйвере IR2104 (U1), MOSFET Q1, Q2, дросселе L1. Уровень напряжения на РЭ РИСН (в точках +Reg-+Out) отслеживается оптроном VO1 и определяется током зажигания оптрона. Без применения задающего генератора ИПН будет работать в так называемом релейном режиме релаксации следующим образом: при подаче питания на вход IN U1 (вывод 2) подается высокий уровень, соответствующий открыванию ключа Q2 и началу "накачки" дросселя L1 суммой токов заряда конденсатора C12 и нагрузки через РЭ РИСН (U5). При достижении выбранного (примерно 2,0В для РЭ на LT1083) уровня напряжения в точках +Reg-+Out светодиод оптрона VO1 зажигается, отпирая собственный транзистор, который замыкает вход IN U1 на общий провод питания. Ключ Q2 запирается, ключ Q1 отпирается, выполняя роль демпфера для дросселя L1. Такое состояние продлится до того момента, пока разряд конденсатора C12 не создаст условия для гашения светодиода оптрона VO1. Транзистор оптрона закроется и описанный цикл повторится. Частота коммутации ИПН будет в этом случае определяться в основном индуктивностью дросселя L1, емкостью конденсатора C12, током нагрузки.
В ИПН по входу SD драйвера U1 реализована защита от перенапряжения на РЭ РИСН - в виде динисторного оптрона VO2; термозащита - термокотакт TS1 (термостат).
Осциллограммы, полученные при различных выходных напряжениях и токах нагрузки в точке VS приведены на рис.10а-в.
Для ШИ-регулирования в ИПН введен генератор на таймере LM/NE555 (U2) и одновибратор на таймере U7, формирующий положительные импульсы с максимальным (99%) заполнением от периода, которая подается на вход IN U1. Длительность этого импульса ограничивается срабатыванием оптрона VO1, обеспечивая таким образом ШИ-регулирование в точке VS ИПН. Частота коммутации ИПН в этом случае постоянна и задается генератором (U2), а осциллограммы выглядят при различных напряжениях и токах нагрузки, как на рис.11а-в.
Последовательность импульсов необходимой длительности может сформирована одним только таймером U2 (без формирователя на U7). В этом случае для формирования импульсов максимальной длительности параллельно подстроечному резистору PR1 достаточно включить диод (катодом к выводу 7 U2).
Таймер U7 предназначен для формирования импульсов из последовательности, генерируемой U2, либо - внешних, датчиком которых может стать, используемый в качестве источника входного напряжения, ИИП такой, например, как на рис.12.
В этом случае ИПН будет "тактироваться" импульсами, сформированными U7 из последовательности, "снятой" с одной из вторичных обмоток трансформатора Т1 ИИП, показанного на рис.12 (или иного ИИП). При большой амплитуде импульсов на обмотках трансформатора имеющегося ИИП, или при необходимости развязки, возможен ввод дополнительного развязывающего понижающего импульсного трансформатора (специально для этого случая рассчитанного или подобранного). В случае "тактирования" ИПН от ИИП, необходимость в генераторе на U1 отпадает.
Принципиальная схема на рис.13 демонстрирует пример включения формирователя импульсов с использованием одной из обмоток трансформатора ИИП в качестве датчика импульсов.
Во всех случаях при испытании ЛИП в различных вариантах включения ИПН, подбор дросселей производился экспериментально.
Релейный режим ИПН требует от дросселя L1 избыточной индуктивности (на порядок, приблизительно) и больших размеров магнитопровода, чем при использовании ШИ-регулирования. В этом случае применялся дроссель от PFC компьютерного БП c индуктивностью обмотки 0,8mH (40Х28Х16мм). Для релейного режима разброс частот при регулировке выходного напряжения и тока нагрузки составил 5кГц…40кГц.
В случае использования генератора на U2 (при наличии U7 или без него), частота генерации может быть выбрана в пределах 20кГц…50кГц. В этом диапазоне индуктивность дросселя L1 может составлять 100uH…20uH (для большей частоты – меньшее значение индуктивности). Для работы ИПН с частотой коммутации 27кГц был подобран дроссель неизвестного типа из порошкового железа размерами 24Х16Х9мм с индуктивностью обмотки 47uH, намотанной проводом диаметром 0,8мм. Результат - минимальная температура нагрева дросселя и ключей ИПН, устойчивое ШИ-регулирование в выбранном диапазоне выходных напряжений и тока.
Основные критерии расчета/подбора дросселей: ток нагрузки, частота коммутации ИПН, уровень входных/выходных напряжений.
Примеры и калькуляторы расчета дросселей для можно найти в сети (как для релейных, так и для ШИМ DC-DC-преобразователей). Материал по разработке дросселей можно найти здесь: https://disk.yandex.ru/d/heIaeexgiY57ZA (стр.59); https://disk.yandex.ru/i/WdPZwAnJGLAzQw (раздел 4 книги);
https://disk.yandex.ru/i/zQ1apK0GK75syw
https://disk.yandex.ru/i/1Nw9kZg5x_b_sw
Для данного ЛИП, показанного на рис.9, разработана печатная плата (рис.14), допускающая использование любой из трех микросхем драйверов (U1, U3, U4). Микросхемы драйверов в корпусе SOIC-8 перед установкой на печатную плату предварительно должны быть распаяны на адаптерах SOIC-8/DIP-8, т.к. плата разрабатывалась под установку адаптеров.
Все силовые компоненты ЛИП, кроме диодов моста, имеют рядное расположение, что допускает их размещение в плоскости одной теплоотводящей поверхности.
Схема регулировки и коммутации фиксированных напряжений, штатно присутствующие в ЛБП YG-1502DD, вынесены за пределы печатной платы и при необходимости могут быть смонтированы навесным монтажом или на отдельной плате.
Параметры экспериментального, собранного на макетной плате, ЛИП с LT1083 и ИПН релейного типа с дросселем 40Х28Х16мм/0,8мГн
Напряжение на входе ИПН (использовался трансформатор 100Вт с максимальным током одинаковых, последовательно включенных, обмоток 2,5А и мостовым выпрямителем) +66В;
Диапазон выходных напряжений ЛИП 0В...+50В;
Возможная регулировка лимита/отсечки тока 10мА...5А;
Максимальный ток нагрузки при испытаниях ограничивался до 2А;
Частота коммутации ИПН в диапазоне выходных напряжений и токов нагрузки 5кГц...35кГц;
Комбинированный шум (пульсации сети, продукты преобразования ИПН) на выходе ЛИП при различных токах в диапазоне выходных напряжений - не более 20мВ (с учетом практически навесного монтажа и избыточной длины проводников к силовым компонентам).
Параметры экспериментального, собранного на макетной плате, ЛИП с LT1083 и ИПН ШИМ с дросселем 24Х16Х9мм/47мкГн
Напряжение на входе ИПН (использовался трансформатор 100Вт с максимальным током одинаковых, последовательно включенных, обмоток 2,5А и мостовым выпрямителем) +66В;
Диапазон выходных напряжений ЛИП 0В...+50В;
Возможная регулировка лимита/отсечки тока 10мА...5А;
Максимальный ток нагрузки при испытаниях ограничивался до 2А;
Частота коммутации ИПН 27кГц;
Комбинированный шум (пульсации сети, продукты преобразования ИПН) на выходе ЛИП при различных токах в диапазоне выходных напряжений - не более 8мВ
Параметры экспериментального, собранного на макетной плате, ЛИП с LT1083 и ИПН ШИМ с дросселем 24Х16Х9мм/47мкГн
В качестве внешнего источника питания использован внешний прямоходовой ИИП (360Вт) с частотой преобразования 33кГц, выходным напряжением +12В с дополнительным повышающим силовым трансформатором, подключенным к выходным обмоткам трансформатора ИИП, дополнительным выпрямителем и LC-фильтром.
Напряжение на входе ИПН +50В;
Диапазон выходных напряжений ЛИП 0В...+46В;
Возможная регулировка лимита/отсечки тока 10мА...5А;
Максимальный ток нагрузки при испытаниях ограничивался до 5А;
Частота коммутации ИПН 33кГц;
Комбинированный шум (продукты преобразования ИИП/ИПН) на выходе ЛИП при различных токах в диапазоне выходных напряжений - не более 5мВ.
Все настройки, эксперименты с дросселями следует выполнять с пониженными (+12В...+20В) напряжениями питания. Работу ИПН следует проверять отдельно, с подачей задающей импульсной последовательности на вход IN микросхемы драйвера (U1 или U3 или U4). При нормальной работе ИПН в точке VS должны присутствовать импульсы правильной прямоугольной формы, неинвертированные относительно входной последовательности.
Установка оптрона VO2 и термостата SK1 не предусмотрена в случае использования U3. В случае использования IR2111 следует предусмотреть иные способы защиты от перенапряжения на РЭ и термозащиты.
"Аналоговая" часть ЛИП (РИСН) так же должна быть отстроена и проверена предварительно - отдельно от ИПН.
