Возможности и достоинства микросхем импульсных стабилизаторов

Еще в начале 2000 гг. процесс внедрения импульсных блоков питания в массовую бытовую технику находился на начальной стадии своего развития. Основной областью применения импульсных блоков питания в те времена являлись телевизионные приемники, видеомагнитофоны, проигрыватели компакт-дисков, различные цифровые приборы и компьютерная техника.

Практически не применялись ИБП для массовой малогабаритной аппаратуры — радиоприемников, кассетных магнитофонов, плейеров, которые в домашних условиях зачастую эксплуатируются от автономных источников — электрических батарей, аккумуляторов, что в связи сих весьма немалой стоимостью экономически невыгодно. Требовали своего решения также и многие проблемы электромагнитной совместимости. Назрела необходимость новых конструктивных решений, основанных на более современной технологии и иных принципах построения импульсных блоков питания, которые начали бы активно вытеснять традиционные источники питания на основе понижающих трансформаторов и линейных стабилизаторов напряжения.

В традиционной сфере применения импульсных блоков питания в то время уже был заметен существенный прогресс. Обусловлен он в основном следующими причинами. Во-первых, непрерывно возрастали требования к надежности и экономичности (в первую очередь с точки зрения энергопотребления и стоимости) как к бытовой аппаратуре в целом, так и к импульсным блокам в частности. Во-вторых, активное и широкое внедрение элементов электронно-вычислительной техники практически во все виды бытовой аппаратуры привело к тому, что разработчики импульсных блоков питания были вынуждены в конструкциях таких ИБП учитывать возникающие специфические требования, а также заимствовать и совершенствовать те решения, которые были свойственны только компьютерным ИБП. В третьих, огромный прогресс в миниатюризации элементной базы и особенно в интегральной технологии сам непрерывно стимулирует и предлагает новые подходы к решению первых двух проблем. Рассмотрим лишь некоторые из значимых и распространенных...

Широкий спектр трех - и четырех выводных (с дополнительным регулировочным выводом) ИМС линейных стабилизаторов позволил разработчикам систем без затруднений получить хорошо отфильтрованные вторичные напряжения, стабилизированные как по сети, так и по нагрузке. Эти ИС характеризуются высоким быстродействием, низкой стоимостью и выпускаются в стандартных корпусах. Однако, линейные стабилизаторы имеют слишком низкий КПД (около 30 %) и не позволяют получать значения выходного напряжения больше входного. Появление новых ИС импульсных стабилизаторов позволило устранить эти недостатки.

Рис 1. Типовая схема включения микросхемы LT1074

Так, микросхема LT1074 (фирмы Linear Technology) представляет собой 5 В понижающий импульсный стабилизатор с питанием от источника положительного напряжения (см. рис. 1). Рабочий диапазон входного напряжения составляет от 8 до 60 В, при этом уровень выходного напряжения можно установить в пределах 2,5-50 В, изменяя соотношение номиналов двух резисторов делителя. Всего восемь внешних компонентов требуется, чтобы получить законченную схему импульсного стабилизатора. Хотя данная ИС работает с обратной связью по выходному напряжению, встроенный аналоговый перемножитель также позволяет схеме практически мгновенно реагировать на изменения входного напряжения. Наличие дополнительных выводов в корпусе ИС позволяет поднимать рабочую частоту с установленного значения 100 кГц до 200 кГц, подстраивать порог срабатывания встроенной схемы ограничения мгновенного значения с фиксированного значения 7 А до 0, а также отключать ИС (режим дистанционного управления), при этом ток покоя составляет всего 100 мкА.

Рис 2. Типовая схема включения микросхемы LM2575

Микросхемы серий LM2575 и LM2577 (фирмы National Semiconductors) представляют собой соответственно 1 А понижающие и 3 А повышающие импульсные стабилизаторы. В отличие от ИС LT 1074 эти микросхемы выпускаются в нескольких модификациях ИС данных серий: 4 типа первой серии и 3 — второй серии, различающиеся выходными параметрами. Диапазон входных напряжений понижающих стабилизаторов составляет от 6 до 35 В. Как и для ИС линейных стабилизаторов, имеются разновидности ИС с фиксированными выходными напряжениями 5.12 и 15 В, а также тип с регулируемым выходным напряжением. Для получения законченной схемы понижающего стабилизатора с фиксированным выходным напряжением требуется только 4 внешних компонента (см. рис. 2) и 6 компонентов — для модели с регулируемым выходным напряжением. ИС повышающего типа могут работать при уровне входного напряжения всего 5 В. Выпускаются два типа ИС, повышающих входное напряжение с 5 до 12 и 15В соответственно и требующих по 6 внешних компонентов.

Рис 3. Типовая схема включения микросхемы LM2577

ИС с регулируемым выходным напряжением может повышать выходное напряжение до 60 В и требует еще 2 резистора для построения цепи делителя обратной связи (см. рис. 3). Аналогично ИС LT1074 интегральные схемы LM2575 и LM2577 имеют встроенные схемы ограничения тока с подстраиваемым порогом и генератор с фиксированной частотой (52 кГц). Имеется возможность синхронизировать и перестраивать генератор. Кроме того, данные ИС снабжены схемами защиты, отключающими стабилизаторы при перегреве. Имеется вывод для внешнего (дистанционного) отключения, что позволяет обеспечить ток покоя не более 0,5 мА. Интегральные микросхемы повышающего стабилизатора снабжена схемой, блокирующей ИС при чрезмерном понижении входного напряжения, а также схемой плавного включения.

Анализ возможностей и достоинств импульсных стабилизаторов на примере рассмотренных микросхем доказывает их несомненную перспективность в качестве стабилизаторов вторичных напряжений нагрузки как в импульсных блоках питания, так и в блоках питания непрерывного действия.

Стремление разработчиков оптимизировать соотношение себестоимости, рабочих характеристик и габаритных размеров импульсных блоков питания ведет к постепенному отказу от регулирования выходных напряжений ИБП методом широтно-импульсной модуляции с постоянной рабочей частотой и обратной связью по напряжению (Voltage mode) и переходу к методу регулирования в резонансном режиме, а также к методу с дополнительной обратной связью по току дросселя (ДОСТ) (Current mode).

Кроме того, необходимость существенного повышения КПД импульсных БП заставляет разработчиков рассматривать вопрос о введении даже в простейшие ИБП так называемых схем коррекции коэффициента мощности.

Так, уменьшения габаритов ИБП можно добиться, воспользовавшись режимом регулирования с ДОСТ и увеличением рабочей частоты более чем до 1,0 МГц. При частотах переключения свыше 1 МГц следует использовать резонансный метод. Введение схем активной коррекции коэффициента мощности позволит повысить долю полезной мощности, отбираемой импульсным блоком питания от сети переменного тока более, чем на 10%.

Появление на рынке интегральных микросхем контроллеров с ДОСТ, контроллеров для резонансных ИБП и контроллеров для схем коррекции мощности позволило внедрить их в бытовую технику в короткие сроки.

Рис. 4. Принцип регулирования с дополнительной обратной связью по току

В контроллерах с ДОСТ для регулирования амплитуды тока дросселя (в качестве которого выступает первичная обмотка импульсного трансформатора) используется дополнительный (или внутренний) контур регулирования, в то время как основной контур служит для стабилизации выходного напряжения (см. рис. 4). В противоположность этому в ИБП с обратной связью по выходному напряжению коэффициент заполнения (отношение длительности импульса к длительности паузы) последовательности импульсов с выхода ШИМ-модулятора регулируется в зависимости только от уровня выходного напряжения. При регулировании с ДОСТ силовой ключ выключается при достижении тока дросселя некоторого порогового значения. Порог задается выходным сигналом усилителя ошибки и величиной падения напряжения на токоизмерительном резисторе.

Применение ДОСТ дает многочисленные улучшения различных характеристик — особенно при рабочей частоте выше 500 кГц. Параметрическая компенсация отклоний входного напряжения позволяет мгновенно корректировать, (без использования динамического диапазона усилителя сигнала ошибки) режим работы ИБП при произвольных изменениях сетевого (входного) напряжения. Благодаря этому нестабильность по сети получается очень малой, и режим работы усилителя сигнала ошибки меняется только при изменениях тока нагрузки. Кроме того, существенно упрощается частотная коррекция всего контура обратной связи, уменьшается время реакции контура как при малых, так и при больших изменениях тока нагрузки, что обеспечивает устойчивость системы к самовозбуждению. В качестве примера ДОСТ - контроллеров можно привести ИМС серий VC1842/43/44 45/46 фирмы Vnitrode и ML4810/11 фирмы Micro Linear. Особенностью двух последних ИМС является интегрирующая схема плавного включения. Схема "считает" (интегрирует) число срабатываний схемы ограничения тока, работающей в поцикловом режиме. После заданного числа срабатываний, запрограммированного посредством RC-цепи, схема инициирует новый цикл плавного включения. Необходимость в такой схеме объясняется тем, что при высоких скоростях переключения и малых временных зaдержкax распространения защитных сигналов в данной ИС она может выйти из строя до обнаружения отказа в нагрузке.

В резонансных преобразователях силовой ключ подает на LC-контур импульсы тока или напряжения, вызывая его резонирование. Энергия, циркулирующая в этом контуре, поступает к нагрузке. При резонансном режиме регулирования включение или выключение силового КМОП-транзистора происходит либо при нулевом токе, протекающем через него, либо когда на нем отсутствует напряжение, что практически исключает потери на переключение. При этом также уменьшаются перегрузки компонентов и уровень электромагнитных помех..

Коэффициент мощности — это процент полезной мощности, отбираемой от сети переменного тока, или, другими словами, отношение активной мощности к полной. Низкий коэффициент мощности обычного импульсного БП (не более 60-80 %) обусловлен импульсным характером тока, отбираемого из сети блоком питания для зарядки его входного конденсатора. Такие импульсы характеризуются большой амплитудой и высоким содержанием высших гармоник, которые расфазированы с входным напряжением переменного тока и тем самым способствуют снижению коэффициента мощности. Дело в том, что полезная мощность создается лишь током, синфазным с входным напряжением. Кроме того, высшие гармоники, возникающие из-за импульсного характера входного тока, вносят весьма существенные шумы и искажения.

Первоначально в схемах коррекции коэффициента мощности (использовавшихся только в очень мощных ИБП) применялся простейший и наиболее дешевый вариант решения: пассивная схема, опирающаяся на использование элементарного дроссельного фильтра. К его недостаткам следует отнести громоздкие конденсаторы и ограниченную область применения.

Активная схема коррекции на основе специализированных ИМС-контроллеров позволяет построить более простую, дешевую и универсальную систему питания, имеющую больший, чем при пассивной схеме коэффициент мощности и несравнимо меньшие габариты и массу.

Рис 5. Схема коррекции коэффициента мощности

Одним из первых контроллеров для схем активной коррекции коэффициента мощности была ИМС ML4812 фирмы Micro Linear. Схема коррекции на базе ИМС ML4812 представляет собой (рис. 5) предварительный стабилизатор, установленный на входе обычного ШИМ-преобразователя, и позволяет добиться значения коэффициента мощности не ниже 99,5 %. Кроме схемы управления повышающим импульсном стабилизатором с использованием дополнительной обратной связи по току дросселя в качестве базового компонента, данная ИМС включает в себя также источник опорного напряжения, усилитель ошибки, средства защиты от перенапряжения, схему программируемой компенсации (коррекции наклона) пилы и 500 мА бестрансформаторный двухтактный выходной каскад (рис. 6). Оригинальный перемножитель токов позволяет повысить помехозащищенность, а схема блокировки при чрезмерном понижении напряжения улучшает включение системы.

Рис 6. Структурная схема интегральной микросхемы ML4812

Для достижения высокого значения коэффициента мощности в схеме ML4812 использован метод синтеза формы входного тока. При этом входной ток (обычно для блока питания он имеет вид последовательности узких импульсов) модифицируется таким образом, чтобы по фазе и форме он как можно точнее повторял форму напряжения, наблюдаемого на выходе мостового выпрямителя. Ток на входе ШИМ-модулятора, по существу, является произведением синусоидального сетевого напряжения и выгодного сигнала усилителя ошибки. Таким образом, в результате снижения амплитудных значений тока высшие гармоники, порождаемые импульсами потребляемого тока, сводятся к минимуму. Тем самым исключается потребление входом источника реактивной мощности при одновременном существенном снижении уровня помех.