eng
Выпуск #6/2021
В. Хасиев
КАК СПРОЕКТИРОВАТЬ СТАБИЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, РАБОТАЮЩИЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
КАК СПРОЕКТИРОВАТЬ СТАБИЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, РАБОТАЮЩИЙ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ВХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
Просмотры: 973
DOI: 10.22184/1992-4178.2021.207.6.110.113
Для поддержания номинальных режимов работы критически важных компонентов системы необходим стабильный источник питания, работающий в широком диапазоне входных напряжений. В статье описаны решения на базе высокоинтегрированных преобразователей для сохранения стабильного питания в системе при изменении в широких пределах напряжения на входе.
Для поддержания номинальных режимов работы критически важных компонентов системы необходим стабильный источник питания, работающий в широком диапазоне входных напряжений. В статье описаны решения на базе высокоинтегрированных преобразователей для сохранения стабильного питания в системе при изменении в широких пределах напряжения на входе.
Теги: bias voltage boost converter buck converter dual-stage converter stable power supply двухкаскадный преобразователь напряжение смещения повышающий преобразователь понижающий преобразователь стабильный источник питания
Как спроектировать стабильный источник питания, работающий в широком диапазоне входных напряжений
В. Хасиев
В современных автомобильных и промышленных приложениях востребованы источники питания, выходное напряжение которых стабильно при значительных колебаниях напряжения на входе. Это необходимо для поддержания номинальных режимов работы критически важных компонентов и узлов системы. В статье описаны решения на базе высокоинтегрированных преобразователей напряжения для сохранения стабильного питания в системе при изменении в широких пределах напряжения на входе.
Введение
В автомобильных приложениях сильные колебания напряжения на шине питания могут быть вызваны холодным запуском двигателя, отключением / активацией цилиндров в системах динамического управления подачей топлива или значительным изменением нагрузки на двигатель. В промышленных приложениях нарушение энергоснабжения (brownouts) является большой проблемой, а включение мощных двигателей может вызывать значительные просадки питающего напряжения.
В случае, когда системы преобразования напряжения не могут обеспечить полную мощность на нагрузке при низком входном напряжении, они должны оставаться в рабочем состоянии независимо от уровня входного напряжения. Например, в широко используемых повышающих и понижающих преобразователях высокого напряжения используются высоковольтные полевые МОП-транзисторы со стандартным уровнем напряжения на затворе. При падении входного напряжения уровень смещения должен быть выше 10 В, чтобы драйверы затвора оставались в рабочем режиме. Кроме того, на критичные системы управления и информационные системы должно подаваться стабильное напряжение питания, чтобы обеспечить их работоспособность независимо от величины входного напряжения.
В статье предложены схемные решения для поддержания стабильного напряжения смещения в системе при изменении питания в широком диапазоне – от 5 до 140 В.
Описание работы схем
Если предполагается, что входное напряжение не будет падать ниже желаемого уровня смещения и цель проекта заключается в том, чтобы реализовать внешний источник питания для минимизации мощности, рассеиваемой импульсными контроллерами, то можно использовать простой понижающий преобразователь.
Такой подход иллюстрирует схема, изображенная на рис. 1. В основе решения – высоковольтный понижающий стабилизатор LTC7138 с внутренними переключающими транзисторами. Силовая цепь также включает в себя катушку индуктивности L1, диод D1 и выходные конденсаторы C2 и C3. Чтобы уменьшить габариты устройства по высоте до менее 3 мм, на входе схемы были использованы только керамические конденсаторы.
Опционально можно использовать также электролитический конденсатор (например, недорогой EMVE201 ARA220MKG5S на 22 мкФ / 200 В), но он значительно увеличивает габариты источника питания.
Схема была протестирована, формы сигналов, иллюстрирующие работу схемы, представлены на рис. 2. Как показано на рисунке, начальный уровень входного напряжения 100 В падает до 12,5 В, но на выходе обеспечивается стабильное напряжение 12 В при токе 0,2 А.
Рассмотренная схема не применима, когда входное напряжение падает ниже требуемого уровня смещения. В этом случае недостаточно использовать только понижающий преобразователь, поскольку выходное напряжение следует за входным, когда оно падает ниже желаемого выходного уровня. На рис. 3 показано решение этой проблемы с использованием двухкаскадного источника питания. Первый, основной, каскад представляет собой понижающий преобразователь высокого напряжения, аналогичный показанному на рис. 1. Его выход подключен к повышающему преобразователю, построенному на базе ИС LT8330 со встроенным мощным транзистором. Силовая цепь включает в себя также катушку индуктивности L2, диод D2 и выходной фильтр. Напряжение на компонентах повышающего преобразователя намного ниже по сравнению с входным понижающим преобразователем, что позволяет использовать относительно недорогие компоненты и снизить общую стоимость системы.
Выход понижающего преобразователя в этой схеме установлен на 12,5 В. Однако выход повышающего преобразователя настроен на более низкое напряжение 10,5 В, достаточное для корректной работы нагрузки. Преобразователи никогда не работают одновременно. Если один переключается, второй – нет.
В нормальных рабочих условиях (VIN > 12,5 В), когда входное напряжение изменяется от 12,5 до 100 В, активен только понижающий преобразователь, обеспечивающий 12,5 В на нагрузке. Ток протекает к выводу подключения нагрузки VOUT через катушку индуктивности и диод повышающего преобразователя. Из-за относительно низких уровней тока потери на этом пути тока минимальны.
Пока VIN > 12,5 В, напряжение на выходе повышающего преобразователя составляет 12,5 В и намного превышает заданное значение 10,5 В, поэтому в каскаде повышающего преобразователя не происходит переключения и активен только понижающий преобразователь.
Когда входное напряжение снижается до уровня 12,5 В или ниже, понижающий преобразователь перестает переключаться, но поддерживает встроенный p-канальный МОП-транзистор во включенном состоянии, обеспечивая работу со 100%-ным коэффициентом заполнения.
Если входное напряжение падает ниже 12,5 В, то оба напряжения, VRAIL (напряжение на промежуточной шине) и VOUT, падают до уровня VIN. В диапазоне напряжений на промежуточной шине VRAIL от 10,5 до 12,5 В оба каскада, понижающий и повышающий, не переключаются.
Если входное напряжение продолжает снижаться и уровень VRAIL падает ниже 10,5 В, повышающий преобразователь переходит в рабочий режим, поддерживая VOUT на уровне 10,5 В.
Осциллограммы сигналов, иллюстрирующие работу этого преобразователя, представлены на рис. 4. Минимальное входное напряжение составляет 5,5 В при токе нагрузки 0,15 А. Уменьшение тока нагрузки до 0,1 А соответствует минимальному входному напряжению 5 В, как показано на рис. 5. Повышение входного напряжения с 5 до 100 В иллюстрирует рис. 6. Внешний вид преобразователя, собранного на макетной плате, показан на рис. 7.
Основные критерии выбора
компонентов схемы
Максимальное входное напряжение и токи нагрузки определяют минимальное рабочее входное напряжение каскада повышающего преобразователя и, соответственно, минимальное входное напряжение всего источника питания.
Коэффициент заполнения (рабочий цикл) повышающего преобразователя:
. (1)
Входной ток повышающего преобразователя:
. (2)
Если предположить, что заданы значения VO, IMAX и IO, то минимальное входное напряжение повышающего преобразователя будет равно:
. (3)
Однако, если заданы VO, VIN_MIN и IMAX, максимальный выходной ток IO будет равен:
. (4)
Заключение
Важно поддерживать работу основных систем питания в широком диапазоне входных напряжений. Представленные в статье схемные решения обеспечивают стабильный уровень смещения при колебаниях входных напряжений от 5 до 140 В, что гарантирует нормальную работу высоковольтных полевых МОП-транзисторов и блоков управления. В предлагаемых решениях использованы высокоинтегрированные преобразователи, которые уменьшают количество компонентов и общую стоимость системы. При необходимости можно минимизировать габаритные размеры устройства.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru. ●
В. Хасиев
В современных автомобильных и промышленных приложениях востребованы источники питания, выходное напряжение которых стабильно при значительных колебаниях напряжения на входе. Это необходимо для поддержания номинальных режимов работы критически важных компонентов и узлов системы. В статье описаны решения на базе высокоинтегрированных преобразователей напряжения для сохранения стабильного питания в системе при изменении в широких пределах напряжения на входе.
Введение
В автомобильных приложениях сильные колебания напряжения на шине питания могут быть вызваны холодным запуском двигателя, отключением / активацией цилиндров в системах динамического управления подачей топлива или значительным изменением нагрузки на двигатель. В промышленных приложениях нарушение энергоснабжения (brownouts) является большой проблемой, а включение мощных двигателей может вызывать значительные просадки питающего напряжения.
В случае, когда системы преобразования напряжения не могут обеспечить полную мощность на нагрузке при низком входном напряжении, они должны оставаться в рабочем состоянии независимо от уровня входного напряжения. Например, в широко используемых повышающих и понижающих преобразователях высокого напряжения используются высоковольтные полевые МОП-транзисторы со стандартным уровнем напряжения на затворе. При падении входного напряжения уровень смещения должен быть выше 10 В, чтобы драйверы затвора оставались в рабочем режиме. Кроме того, на критичные системы управления и информационные системы должно подаваться стабильное напряжение питания, чтобы обеспечить их работоспособность независимо от величины входного напряжения.
В статье предложены схемные решения для поддержания стабильного напряжения смещения в системе при изменении питания в широком диапазоне – от 5 до 140 В.
Описание работы схем
Если предполагается, что входное напряжение не будет падать ниже желаемого уровня смещения и цель проекта заключается в том, чтобы реализовать внешний источник питания для минимизации мощности, рассеиваемой импульсными контроллерами, то можно использовать простой понижающий преобразователь.
Такой подход иллюстрирует схема, изображенная на рис. 1. В основе решения – высоковольтный понижающий стабилизатор LTC7138 с внутренними переключающими транзисторами. Силовая цепь также включает в себя катушку индуктивности L1, диод D1 и выходные конденсаторы C2 и C3. Чтобы уменьшить габариты устройства по высоте до менее 3 мм, на входе схемы были использованы только керамические конденсаторы.
Опционально можно использовать также электролитический конденсатор (например, недорогой EMVE201 ARA220MKG5S на 22 мкФ / 200 В), но он значительно увеличивает габариты источника питания.
Схема была протестирована, формы сигналов, иллюстрирующие работу схемы, представлены на рис. 2. Как показано на рисунке, начальный уровень входного напряжения 100 В падает до 12,5 В, но на выходе обеспечивается стабильное напряжение 12 В при токе 0,2 А.
Рассмотренная схема не применима, когда входное напряжение падает ниже требуемого уровня смещения. В этом случае недостаточно использовать только понижающий преобразователь, поскольку выходное напряжение следует за входным, когда оно падает ниже желаемого выходного уровня. На рис. 3 показано решение этой проблемы с использованием двухкаскадного источника питания. Первый, основной, каскад представляет собой понижающий преобразователь высокого напряжения, аналогичный показанному на рис. 1. Его выход подключен к повышающему преобразователю, построенному на базе ИС LT8330 со встроенным мощным транзистором. Силовая цепь включает в себя также катушку индуктивности L2, диод D2 и выходной фильтр. Напряжение на компонентах повышающего преобразователя намного ниже по сравнению с входным понижающим преобразователем, что позволяет использовать относительно недорогие компоненты и снизить общую стоимость системы.
Выход понижающего преобразователя в этой схеме установлен на 12,5 В. Однако выход повышающего преобразователя настроен на более низкое напряжение 10,5 В, достаточное для корректной работы нагрузки. Преобразователи никогда не работают одновременно. Если один переключается, второй – нет.
В нормальных рабочих условиях (VIN > 12,5 В), когда входное напряжение изменяется от 12,5 до 100 В, активен только понижающий преобразователь, обеспечивающий 12,5 В на нагрузке. Ток протекает к выводу подключения нагрузки VOUT через катушку индуктивности и диод повышающего преобразователя. Из-за относительно низких уровней тока потери на этом пути тока минимальны.
Пока VIN > 12,5 В, напряжение на выходе повышающего преобразователя составляет 12,5 В и намного превышает заданное значение 10,5 В, поэтому в каскаде повышающего преобразователя не происходит переключения и активен только понижающий преобразователь.
Когда входное напряжение снижается до уровня 12,5 В или ниже, понижающий преобразователь перестает переключаться, но поддерживает встроенный p-канальный МОП-транзистор во включенном состоянии, обеспечивая работу со 100%-ным коэффициентом заполнения.
Если входное напряжение падает ниже 12,5 В, то оба напряжения, VRAIL (напряжение на промежуточной шине) и VOUT, падают до уровня VIN. В диапазоне напряжений на промежуточной шине VRAIL от 10,5 до 12,5 В оба каскада, понижающий и повышающий, не переключаются.
Если входное напряжение продолжает снижаться и уровень VRAIL падает ниже 10,5 В, повышающий преобразователь переходит в рабочий режим, поддерживая VOUT на уровне 10,5 В.
Осциллограммы сигналов, иллюстрирующие работу этого преобразователя, представлены на рис. 4. Минимальное входное напряжение составляет 5,5 В при токе нагрузки 0,15 А. Уменьшение тока нагрузки до 0,1 А соответствует минимальному входному напряжению 5 В, как показано на рис. 5. Повышение входного напряжения с 5 до 100 В иллюстрирует рис. 6. Внешний вид преобразователя, собранного на макетной плате, показан на рис. 7.
Основные критерии выбора
компонентов схемы
Максимальное входное напряжение и токи нагрузки определяют минимальное рабочее входное напряжение каскада повышающего преобразователя и, соответственно, минимальное входное напряжение всего источника питания.
Коэффициент заполнения (рабочий цикл) повышающего преобразователя:
. (1)
Входной ток повышающего преобразователя:
. (2)
Если предположить, что заданы значения VO, IMAX и IO, то минимальное входное напряжение повышающего преобразователя будет равно:
. (3)
Однако, если заданы VO, VIN_MIN и IMAX, максимальный выходной ток IO будет равен:
. (4)
Заключение
Важно поддерживать работу основных систем питания в широком диапазоне входных напряжений. Представленные в статье схемные решения обеспечивают стабильный уровень смещения при колебаниях входных напряжений от 5 до 140 В, что гарантирует нормальную работу высоковольтных полевых МОП-транзисторов и блоков управления. В предлагаемых решениях использованы высокоинтегрированные преобразователи, которые уменьшают количество компонентов и общую стоимость системы. При необходимости можно минимизировать габаритные размеры устройства.
По вопросам поставки продукции Analog Devices обращайтесь в компанию ЭЛТЕХ по электронной почте analog@eltech.spb.ru. ●
Отзывы читателей
