Назначение и выбор элементов схемы.
Диод D с дросселем L — элементы любого импульсного стабилизатора, рассчитываются на требуемый ток нагрузки и неразрывный режим тока дросселя соответственно.
Конденсаторы Сi и Сo – блокировочные по входу и выходу. Выходной конденсатор Со не является принципиально необходимым из-за малых пульсаций тока нагрузки, особенно при больших значениях индуктивности дросселя, по этому нарисован пунктиром и может отсутствовать в реальной схеме.
Конденсатор С T – частотозадающий. Он так же не является принципиально необходимым элементом, поэтому показан пунктиром.
В даташитах на микросхему указана максимальная рабочая частота 100КГц, в табличных параметрах приведено среднее значение 33КГц, на графиках, показывающих зависимость длительности открытого и закрытого состояний ключа от ёмкости частотозадающего конденсатора, приведены минимальные значения 2мкс и 0,3мкс соответственно (при ёмкости 10пФ).
Получается, что если взять последние значения, то период равен 2мкс+0.3мкс=2.3мкс, а это частота 435КГц.
Если учесть принцип работы микросхемы — триггер, устанавливаемый импульсом задающего генератора, и сбрасываемый компаратором тока, то получается, что эта мс является логической, а у логики рабочая частота не ниже единиц МГц. Выходит, что быстродействие будет ограничено только скоростными характеристиками ключевого транзистора. И если бы он не тянул частоту 400КГц, то и фронты со спадами импульсов были бы затянуты и КПД был бы очень низким из-за динамических потерь. Однако практика показала, что микросхемы разных производителей хорошо запускаются и работают вообще без частотозадающего конденсатора. А это позволило максимально повысить рабочую частоту — до 200КГц — 400КГц в зависимости от экземпляра микросхемы и её производителя. Ключевые транзисторы микросхемы держат такие частоты хорошо, так как фронты импульсов не превышают 0,1мкс, а спады — 0,12мкс при рабочей частоте 380КГц. Поэтому даже на таких повышенных частотах динамические потери в транзисторах достаточно малы, и основные потери и нагрев определяются повышенным напряжением насыщения ключевого транзистора (0.5…1В).
|
|
|
Резистор Rb ограничивает ток базы встроенного ключевого транзистора. Показанное на схеме включение этого резистора позволяет уменьшить рассеиваемую на нём мощность и повысить КПД стабилизатора. Падение напряжения на резисторе Rb равно разности между напряжением питания, напряжением нагрузки и падением напряжения на микросхеме (0.9-2В).
Например, при последовательной цепочке из 3-х светодиодов с общим падением напряжения 9…10В и питании от аккумулятора (12-14В) падение напряжения на резисторе Rb не превышает 4В.
|
|
|
В результате, потери на резисторе Rb оказываются в несколько раз меньше, по сравнению с типовым включением, когда резистор включается между 8-м выводом мс и напряжением питания.
Следует иметь в виду, что внутри микросхемы либо уже установлен дополнительный резистор Rb, либо сопротивление самой структуры ключей повышенное, либо структура ключей выполнена как источник тока. Это следует из графика зависимости напряжения насыщения структуры (между выводами 8 и 2) от напряжения питания при различных сопротивлениях ограничительного резистора Rb (Рис.3).
Рис.3
В результате, в некоторых случаях (когда разница между напряжениями питания и нагрузки мала или потери можно перенести с резистора Rb на микросхему) резистор Rb можно не устанавливать, соединяя напрямую вывод 8 микросхемы либо с выходом, либо с напряжением питания.
А когда общий КПД стабилизатора не особо важен, можно соединить выводы 8 и 1 микросхемы между собой. При этом КПД может уменьшиться на 3-10% в зависимости от тока нагрузки.
При выборе сопротивления резистора Rb приходится идти на компромисс. Чем меньше сопротивление, тем при меньшем начальном напряжении питания начинается режим стабилизации тока нагрузки, но при этом увеличиваются потери на этом резисторе при большом диапазоне изменения напряжения питания. В результате КПД стабилизатора уменьшается с увеличением напряжения питания.
|
|
|
На следующем графике (Рис.4) для примера показана зависимость тока нагрузки от напряжения питания при двух различных номиналах резистора Rb – 24Ом и 200Ом. Хорошо видно, что с резистором на 200Ом стабилизация пропадает при напряжениях питания ниже 14В (из-за недостаточного тока базы ключевого транзистора). С резистором на 24Ом стабилизация пропадает при напряжении 11.5В.
Рис.4
Поэтому нужно хорошо просчитывать сопротивление резистора Rb для получения стабилизации в требуемом диапазоне питающих напряжений. Особенно при аккумуляторном питании, когда этот диапазон небольшой и составляет всего несколько вольт.
Резистор Rsc является датчиком тока нагрузки. Расчёт этого резистора особенностей не имеет. Следует только учитывать, что опорное напряжение токового входа микросхемы отличается у разных производителей. В приведенной таблице показаны реально измеренные значения опорного напряжения некоторых микросхем.
| Микросхема | Призводитель
| U опорное (В) | ||
| MC34063ACD | STMicroelectronics | 0.45 | ||
| MC34063EBD | STMicroelectronics | 0.5 | ||
| GS34063S | Globaltech Semiconductor | 0.25 | ||
| SP34063A | Sipex Corporation | 0.28 | ||
| MC34063A | Motorola | 0.29 | ||
| AP34063N8 | Analog Technology | 0.31 | ||
| AP34063А | Anachip | 0.4 | ||
| MC34063A | Fairchild | 0.3 |
Статистика по величине опорного напряжения мала, поэтому не следует рассматривать приведенные значения как эталон. Просто нужно иметь в виду, что реальное значение опорного напряжения может сильно отличаться от указанного в даташите значения.
Такой большой разброс опорного напряжения вызван, по-видимому, назначением токового входа – не стабилизация тока нагрузки, а защита от перегрузки. Не смотря на это точность поддержания тока нагрузки в приведенном варианте достаточно хорошая.
Об устойчивости.
В микросхеме МС34063 отсутствует возможность введения коррекции в цепь ОС. Исходно устойчивость достигается повышенными значениями индуктивности дросселя L и, особенно, ёмкости выходного конденсатора Со. При этом получается некий парадокс – работая на повышенных частотах, требуемые пульсации напряжения и тока нагрузки можно получить и с малыми индуктивностью и ёмкостью элементов фильтра, но при этом схема может возбуждаться, поэтому приходится ставить большую индуктивность и (или) большую ёмкость. В результате габариты стабилизатора получаются завышенными.
Дополнительный парадокс заключается в том, что для понижающих импульсных стабилизаторов выходной конденсатор не является принципиально необходимым элементом. Требуемый уровень пульсаций тока (напряжения) можно получить одним дросселем.
Получить хорошую устойчивость стабилизатора при требуемых или заниженных значениях индуктивности и, особенно, ёмкости выходного фильтра можно, установив дополнительную корректирующую RC цепочку Rf и Cf, как показано на рисунке Рис.2.
Практика показала, что оптимальное значение постоянной времени этой цепочки должно быть не меньше 1КОм*мкФ. Такие значения параметров цепочки, как резистор на 10КОм и конденсатор на 0,1мкФ можно считать достаточно удобными.
С такой корректирующей цепочкой стабилизатор работает устойчиво во всём диапазоне напряжения питания, с малыми значениями индуктивности (единицы мкГн) и ёмкости (единицы и доли мкФ) выходного фильтра или вообще без выходного конденсатора.
Не малую роль для устойчивости играет ШИМ режим при использовании для стабилизации токового входа микросхемы.
Коррекция позволила работать на повышенных частотах некоторым микросхемам, которые раньше вообще не хотели нормально работать.
Например, на следующем графике приведена зависимость рабочей частоты от напряжения питания для микросхемы MC34063ACD фирмы STMicroelectronics при ёмкости частотозадающего конденсатора 100пФ.
Рис.5
Как видно из графика, без коррекции данная микросхема не хотела работать на повышенных частотах даже с малой ёмкостью частотозадающего конденсатора. Изменение ёмкости от нуля до нескольких сотен пФ кардинально не влияли на частоту, а максимальное её значение еле достигает 100КГц.
После введения корректирующей цепочки RfCf эта же микросхема (как и другие, подобные ей) стала работать на частотах почти до 300КГц.
Приведенную зависимость, пожалуй, можно считать типовой для большинства микросхем, хотя микросхемы некоторых фирм и без коррекции работают на повышенных частотах, а введение коррекции позволило получить для них рабочую частоту 400КГц при напряжении питания 12…14В.
Следующий график показывает работу стабилизатора без коррекции (Рис.6).
Рис.6
На графике приведены зависимости потребляемого тока (Iп), тока нагрузки (Iн) и тока короткого замыкания выхода (Iкз) от напряжения питания при двух значениях ёмкости выходного конденсатора (Со) – 10мкФ и 220мкФ.
Хорошо видно, что увеличение ёмкости выходного конденсатора увеличивает устойчивость стабилизатора – ломаность кривых при ёмкости 10мкФ вызвана самовозбуждением. При напряжениях питания до 16В возбуждения нет, он появляется при 16-18В. Затем происходит какое-то изменение режима и при напряжении 24В появляется второй излом. При этом меняется рабочая частота, что так же видно на предыдущем графике (Рис.5) зависимости рабочей частоты от напряжения питания (оба графика получены одновременно при исследовании одного экземпляра стабилизатора).
Увеличение ёмкости выходного конденсатора до 220мкФ и более увеличивает устойчивость, особенно при низких значениях напряжения питания. Но не устраняет возбуждение. Более — менее устойчивую работу стабилизатора удаётся получить при ёмкости выходного конденсатора не менее 1000мкФ.
При этом индуктивность дросселя очень слабо влияет на общую картину, хотя очевидно, что увеличение индуктивности повышает устойчивость.
Перепады рабочей частоты сказываются на стабильности тока нагрузки, что тоже видно на графике. Не удовлетворительна и общая стабильность выходного тока при изменении напряжения питания. Относительно стабильным ток можно считать в довольно узком интервале напряжений питания. Например, при работе от аккумулятора.
Введение корректирующей цепочки RfCf коренным образом меняет работу стабилизатора.
Следующий график показывает работу такого же стабилизатора но с корректирующей цепочкой RfCf.
Рис.7
Хорошо видно, что стабилизатор стал работать, как и положено стабилизатору тока – токи нагрузки и короткого замыкания практически равны и неизменны во всём диапазоне питающих напряжений. При этом выходной конденсатор вообще перестал влиять на работу стабилизатора. Теперь ёмкость выходного конденсатора влияет только на уровень пульсаций тока и напряжения нагрузки, и во многих случаях конденсатор можно вообще не устанавливать.
Ниже, в качестве примера, приведены значения пульсации токов нагрузки при разных ёмкостях выходного конденсатора Со. Светодиоды включены по 3 последовательно в 10 параллельных групп (30шт.). Напряжение питания — 12В. Дроссель 47мкГн.
Без конденсатора: ток нагрузки 226мА +-65мА или 22,6мА +-6,5мА на один светодиод.
С конденсатором на 0,33мкФ: 226мА +-25мА или 22,6мА +-2,5мА на один светодиод.
С конденсатором на 1,5мкФ: 226мА +-5мА или 22,6мА +-0,5мА на один светодиод.
С конденсатором на 10мкФ: 226мА +-2,5мА или 22,6мА +-0,25мА на один светодиод.
То есть, без конденсатора, при общем токе нагрузки 226мА пульсации тока нагрузки составляли 65мА, что в пересчёте на один светодиод даёт средний ток 22,6мА и пульсацию 6,5мА.
Видно, как даже маленькая ёмкость в 0,33мкФ резко уменьшает пульсации тока. В то же время увеличение ёмкости с 1мкФ до 10мкФ уже слабо влияет на уровень пульсаций.
Все конденсаторы были керамические, так как обычные электролиты или танталовые не обеспечивают даже близкий уровень пульсаций.
Получается, что на выходе вполне достаточно конденсатора на 1мкФ на все случаи жизни. Увеличивать ёмкость до 10мкФ при токе нагрузки 0,2-0,3А вряд ли имеет смысл, так как пульсации уже существенно не уменьшаются по сравнению с 1мкФ.
Если же дроссель взять с большей индуктивностью, то можно вообще обойтись без конденсатора даже при больших токах нагрузки и(или) больших напряжениях питания.
Пульсации входного напряжения при питании 12В и ёмкости входного конденсатора Сi 10мкФ не превышают 100мВ.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 61; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!