Импульсный предрегулятор напряжения (ИПН), схема (рис.1) которого описана ниже, предназначен для предварительного регулирования напряжения на входе регулируемого стабилизатора напряжения (РСН) с целью улучшения энергоэффективности последнего и повышения общего КПД РСН.
При этом становится оправданным применение регулируемых интегральных стабилизаторов напряжения (РИСН) с прекрасными эксплуатационными параметрами (высокий коэффициент стабилизации, малое падение напряжения на РЭ, хорошее подавление пульсаций), но малой допустимой мощностью рассеяния, ограничивающей применение РИСН в режиме номинальных параметров по току и напряжению. При использовании ИПН риск повреждения РИСН при любых допустимых выходных параметрах не только сводится к минимуму, но и позволяет использовать РИСН с входными и выходными значениями напряжений, превышающими максимально допустимые. Это становится возможным из-за того, что значение напряжения между электродами ADJ-OUT РИСН практически не меняется при регулировке выходного напряжения, являясь опорным, а благодаря применению ИПН, остается фиксированным и между электродами IN-OUT (см. рис.2). Большая часть выходного напряжения приложена к переменному управляющему резистору, включенному между ADJ и общим (минусовым) проводом схемы.
Применение драйвера HPCL3120 (и аналогов) упрощает построение схемы ИПН за счет встроенной оптопары. Отслеживание падения напряжения на РИСН контролируется светодиодом оптодрайвера (ОД). До момента, пока напряжение на РИСН (+Vreg-+Out) не достигнет некоторого значения после подачи питания на +Vin, светодиод VO1 погашен, на выходе ОД присутствует низкий «логический» уровень, транзисторы Q2, Q3 заперты, а транзистор Q1 достаточно быстро, после подачи входного напряжения Vin, - отпирается напряжением, подаваемым на его затвор с выхода стабилизатора (+15,6В) схемы управления (Q4, R6, VZ1) через резистор R7, диод D2, резистор R1. Цепь РИСН (U1)-нагрузка-дроссель (L1) так же принимают участие в отпирании Q1, вызывая рост напряжения на входе РИСН до момента входа U1 в режим стабилизации выходного напряжения.
Как только на нагрузке устанавливаются заданные значения напряжения, а падение напряжения на РЭ достигает достаточного для нормальной работы РИСН уровня, светодиод ОД зажигается, определяя появление высокого уровня на выходе ОД. Высоким уровнем на выходе ОД отпираются транзисторы Q2, Q3. Открытым каналом последнего шунтируется затвор Q1, который запирается, прекращая ток цепи L1-U1-нагрузка.
Диод D1 выполняет защитные функции, предотвращая попадание избыточного обратного напряжения на затвор Q1 при открытии канала Q3 (этот транзистор необходим в качестве инвертирующего элемента и преобразования уровня в управлении транзистором Q1). Q2 выполняет в данном случае роль активного демпфера, поглощая паразитные выбросы напряжения, образованные индуктивностью дросселя при коммутации силовым ключом на транзисторе Q1. Состояние ключей Q1-Q3 остается неизменным до момента спада напряжения на РЭ U1 до значения, прекращающего ток свечения светодиода ОД. Время свечения (а, значит, и период коммутации) в данном случае будет определяться количеством запасенной энергии в системе L1, C6, входным напряжением +Vin, током нагрузки, выбранным током через светодиод ОД. После гашения светодиода, на выходе ОД вновь появляется низкий уровень, и релаксация системы продолжится с изменением частоты генерации и ширины импульсов в зависимости от изменения мощности нагрузки и входного напряжения. Для улучшения работы в схему ИПН введена ПОС посредством установки резистора R5 в цепь питания светодиода ОД, создающая гистерезис.
Схема ИПН была смонтирована в качестве самостоятельного устройства на перфорированной макетной плате размером 60Х40мм. Силовые транзисторы (Q1, Q2) были смонтированы на этой же плате с приклеенными к их корпусам небольшими (от микросхем видеопамяти) радиаторами. Для подключения сменных дросселей (в качестве L1) на плату была установлена клеммная колодка с винтовыми зажимами. Проверка осуществлялась в связке с РИСН КР142ЕН22А (установлена на радиатор 20Х15Х10мм), БП +33В/0/-33В с максимальным током 2,5А.
Предварительный цикл испытаний производился с подачей напряжения +33В на вход РИП (+Vin) - для общей проверки работоспособности. При выходном токе 2А пульсации практически отсутствовали на выходе РИСН, а сама микросхема нагревалась за 10 минут работы весьма незначительно (учитывая миниатюрность радиатора).
При проверке использовались дроссели различных исполнений и индуктивностей в целях проверки на устойчивость схемы ИПН.
При подаче на вход ИПН напряжения +66В, устойчивый диапазон выходного напряжения (+Out) составил +1,2...+59В, как без нагрузки, так и с током нагрузки до 2А. При значениях выходного напряжения выше +59В падение напряжения на ИРС начинало уменьшаться, что могло привести к нарушению работы РИП. В результате испытаний РИП с ИПН на оптодрайвере HPCL3120 и РИСН на КР142ЕН22А выявлены следующие параметры:
Входное напряжение +66В;
Выходное напряжение +1,2В…59В;
Максимальный ток нагрузки 2А;
Частота коммутации ИПН с дросселем 0,47мГн 12кГц…38кГц;
Максимальный уровень шума на выходе РИП не более 5мВ;
Низкий нагрев ключей и РИСН (40С за 15 минут при использовании миниатюрных радиаторов 15Х25Х5мм).
Транзисторы, применявшиеся в ИПН в качестве ключей Q1, Q2 при испытаниях: IRF3205, IRF540, IRF3710, IRFB4227.
Транзисторы, применявшиеся в ИПН Q3: IRF640, IRF630
Диоды D1, D2 – HER204
Напряжение питания оптодрайвера не должно быть ниже +15,6В…+16В (при меньших значения просто не будет работать из-за встроенного UVLO)
Мощность резисторов R1, R2 должна быть не менее 1Вт
Резистор R7 – 5,1Ом…12Ом или перемычка
ИПН не требует какой-либо наладки, кроме подбора тока светодиода (напряжение зажигания для РИСН КР142ЕН22А должно составлять 1,5В…2,5В).
