Силовые возможности микросхемы.
Микросхема МС34063 нормально работает при напряжении питания от 3В до 40В по даташитам (мс фирмы STM – до 50В) и до 45В реально, обеспечивая в нагрузке ток до 1А для корпуса DIP-8 и до 0.75А для корпуса SO-8. Комбинируя последовательное и параллельное включение светодиодов можно построить светильник с выходной мощностью от 3В*20мА=60мВт до 40В*0,75…1А=30…40Вт.
С учётом напряжения насыщения ключевого транзистора (0.5…0.8В) и допустимой рассеиваемой корпусом микросхемы мощностью 1.2Вт, ток нагрузки может быть увеличен вплоть до 1.2Вт/0.8В=1.5А для корпуса DIP-8 и до 1А для корпуса SO-8.
Однако в этом случае требуется хороший теплоотвод, иначе встроенная в микросхему защита от перегрева не позволит работать на таком токе.
Стандартное впаивание DIP корпуса микросхемы в плату не обеспечивает требуемого охлаждения на максимальных токах. Нужна формовка выводов DIP корпуса под SMD вариант, с удалением тонких концов выводов. Оставшаяся широкая часть выводов изгибается заподлицо с основанием корпуса и уже потом припаивается на плату. Полезно печатную плату развести так, что бы под корпусом микросхемы оказался широкий полигон, а перед установкой микросхемы нужно нанести на её основание немного теплопроводной пасты.
За счёт коротких и широких выводов, а так же из-за плотного прилегания корпуса к медному полигону печатной платы тепловое сопротивление корпуса микросхемы уменьшается и она сможет рассеять несколько большую мощность.
|
|
|
Для корпуса SO-8 хорошо помогает установка дополнительного радиатора в виде пластины или другого профиля прямо на верхнюю часть корпуса.
С одной стороны такие попытки увеличения мощности выглядят странными. Ведь можно просто перейти на другую, более мощную, микросхему или установить внешний транзистор. И при токах нагрузки более 1.5А это будет единственным правильным решением. Однако, когда требуется ток нагрузки 1.3А, то можно просто улучшить теплоотвод и попробовать применить более дешёвый и простой вариант на микросхеме МС34063.
Предельный КПД, получаемый в данном варианте стабилизатора, не превышает 90%. Дальнейшему росту КПД препятствуют повышенное напряжение насыщения ключевого транзистора — не менее 0.4…0.5В при токах до 0.5А и 0.8…1В при токах 1…1.5А. По этому основным греющимся элементом стабилизатора всегда является микросхема. Правда ощутимый нагрев бывает только при предельных для конкретного корпуса мощностях. Например, микросхема в корпусе SO-8 при токе нагрузки 1А нагревается до 100 градусов и без дополнительного теплоотвода циклически выключается встроенной защитой от перегрева. При токах до 0.5А…0.7А микросхема слегка тёплая, а при токах 0.3…0.4А вообще не греется.
|
|
|
При повышенных токах нагрузки можно снизить рабочую частоту. В этом случае динамические потери ключевого транзистора значительно уменьшаются. Снижается общая мощность потерь и нагрев корпуса.
Внешними элементами, влияющими на КПД стабилизатора, являются диод D, дроссель L и резисторы Rsc и Rb . Поэтому диод следует выбирать с малым прямым напряжением (диод Шоттки), а дроссель – с как можно низким сопротивлением обмотки.
Снизить потери на резисторе Rsc можно уменьшением порогового напряжения, выбрав микросхему соответствующего производителя. Об этом уже говорилось ранее (смотрите таблицу в начале).
Ещё один вариант уменьшения потерь на резисторе Rsc – введение дополнительного постоянного смещения по току резистора Rf (подробнее это будет показано ниже на конкретном примере стабилизатора).
Резистор Rb следует хорошо просчитывать, стараясь брать его как можно с большим сопротивлением. При изменении напряжения питания в больших пределах лучше вместо резистора Rb поставить источник тока. В этом случае прирост потерь с ростом напряжения питания будет не таким резким.
При принятии всех перечисленных мер, доля потерь этих элементов получается в 1.5-2 раза меньше потерь на микросхеме.
|
|
|
Так как на токовый вход микросхемы подаётся постоянное напряжение, пропорциональное только току нагрузки, а не как обычно — импульсное, пропорциональное току ключевого транзистора (сумма токов нагрузки и выходного конденсатора), то индуктивность дросселя уже не влияет на стабильность работы, так как перестаёт быть элементом корректирующей цепи (её роль выполняет цепочка RfCf). От значения индуктивности зависит только амплитуда тока ключевого транзистора и пульсации тока нагрузки. А так как рабочие частоты относительно высокие, то даже с малыми значениями индуктивности пульсации тока нагрузки малы.
Однако из-за относительно маломощного ключевого транзистора, встроенного в микросхему, не следует сильно уменьшать индуктивность дросселя, так как при этом увеличивается пиковый ток транзистора при прежнем среднем его значении и растёт напряжение насыщения. В результате, увеличиваются потери на транзисторе, и падает общий КПД.
Правда, не кардинально — на несколько процентов. Например, замена дросселя с 12мкГн до 100мкГн позволила увеличить КПД одного из стабилизаторов с 86% до 90%.
С другой стороны, это позволяет, даже при небольших токах нагрузки, выбрать дроссель с малой индуктивностью, следя лишь за тем, что бы амплитуда тока ключевого транзистора не превысила максимально допустимое для микросхемы значение 1.5А.
|
|
|
Например, при токе нагрузки 0.2А с напряжением на ней 9…10В, напряжении питания 12…15В и рабочей частоте 300КГц требуется дроссель с индуктивностью 53мкГн. При этом импульсный ток ключевого транзистора микросхемы не превышает 0,3А. Если же уменьшить индуктивность дросселя до 4мкГн, то при прежнем среднем токе импульсный ток ключевого транзистора увеличится до предельного значения (1.5А). Правда уменьшится КПД стабилизатора за счёт увеличения динамических потерь. Но, возможно, в некоторых случаях окажется приемлемым пожертвовать КПД, но применить малогабаритный дроссель с маленькой индуктивностью.
Увеличение индуктивности дросселя позволяет так же увеличить и максимальный ток нагрузки вплоть до предельного значения тока ключевого транзистора микросхемы (1.5А).
При увеличении индуктивности дросселя форма тока ключевого транзистора меняется с полностью треугольной до полностью прямоугольной. А так как площадь прямоугольника в 2 раза больше площади треугольника (при одинаковых высоте и основании), то среднее значение тока транзистора (и нагрузки) можно увеличить в 2 раза при неизменной амплитуде импульсов тока.
То есть, при треугольной форме импульса амплитудой 1.5А средний ток транзистора и нагрузки получается:
Iн=1.5А/2*k,
где k – максимальный коэффициент заполнения импульсов, равный 0.9 для данной микросхемы.
В результате максимальный ток нагрузки не превышает:
Iн=1.5А/2*0.9=0.675А.
И любое увеличение тока нагрузки свыше этого значения влечёт превышение максимального тока ключевого транзистора микросхемы.
Поэтому во всех даташитах на данную микросхему указывается максимальный ток нагрузки 0.75А.
Увеличив индуктивность дросселя так, что бы ток транзистора стал прямоугольным, можем убрать двойку из формулы максимального тока и получить:
Iн=1.5А*k=1.5А*0.9=1.35А.
Следует учитывать, что при значительном увеличении индуктивности дросселя несколько увеличиваются и его габариты. Тем не менее, иногда оказывается проще и дешевле для увеличения тока нагрузки увеличить размеры дросселя, чем ставить дополнительный мощный транзистор.
Естественно, при требуемых токах нагрузки более 1.5А кроме как установкой дополнительного транзистора (или другой микросхемы-контроллера) не обойтись, а если вы поставлены перед выбором: ток нагрузки 1.4А или другая микросхема, то стоит попробовать сначала решить задачу увеличением индуктивности, пойдя на увеличение размеров дросселя.
Более подробно об этом можно прочитать в статье «Способы увеличения тока нагрузки понижающего стабилизатора на МС34063А».
В даташитах на микросхему указано, что максимальный коэффициент заполнения импульсов не превышает 6/7=0,857. Реально же получаются значения почти 0.9 даже на высоких рабочих частотах в 300-400 КГц. На более низких частотах (100-200КГц) коэффициент заполнения может достигать 0,95.
Поэтому стабилизатор нормально работает при малой разнице напряжений вход-выход.
Интересно работает стабилизатор при заниженных, по отношению к номинальному, токах нагрузки, вызванному уменьшением напряжения питания ниже заданного — КПД не менее 95%…
Так как ШИМ реализуется не классическим способом (полное управление задающим генератором), а «релейным», посредством триггера (запуск — генератором, сброс — компаратором), то при токе ниже номинального возможна ситуация, когда ключевой транзистор перестаёт закрываться. Разница между напряжениями питания и нагрузки уменьшается до напряжения насыщения ключевого транзистора, которое обычно не превышает 1В при токах до 1А и не более 0.2-0.3В при токах до 0.2-0.3А. Несмотря на наличие статических потерь, динамические отсутствуют и транзистор работает практически как перемычка.
Даже когда транзистор остаётся управляемым и работает в ШИМ режиме, КПД остаётся высоким из-за снижения тока. Например, при разнице 1.5В между напряжением питания (10В) и напряжением на светодиодах (8.5В) схема продолжала работать (правда на пониженной в 2 раза частоте) с КПД 95%.
Параметры токов и напряжений для такого случая будут указаны ниже при рассмотрении практических схем стабилизаторов.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 47; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!