Обзор Части 9



==699

В пунктах с @A по @K приводится итоговый обзор материала Части _9 . В него вошли базовые принципы и факты, но не попали схемы и практические советы.

@A. Классификация регуляторов напряжение

Регуляторы напряжения обеспечивают стабильное напряжение, требуемое для питания всех видов электронных устройств. Самые простые ( и самые малошумящие ) - линейные регуляторы ( рис. 9.2E ). В них выходной сигнал ошибки, усиленный и скорректированный, используется для управления «проходным транзистором» ( биполярным или полевым ), включённым последовательно с источником более высокого нерегулируемого напряжения. Линейные регуляторы неэкономичны и рассеивают \( P_{diss}=I_{out}\space( V_{in}-V_{out}\) ) . Они не могут создавать напряжение, большее чем входное, и не могут менять полярность.

Ключевые регуляторы ( или ключевые преобразователи, они же «ключевые источники питания» - SMPS , §9.6 ) исправляют недостатки линейных, но создают наводки от схемы переключения и имеют более сложную конструкцию. Большинство ключевых источников используют катушку индуктивности ( или трансформатор ) и один или более насыщающийся ключ ( обычно на МОП транзисторе ), работающих на довольно высокой частоте ( 50 kHz...5 MHz ). Они преобразуют постоянное входное напряжение, которое может быть меньше входного, больше входного или иметь иную полярность. Катушка индуктивности передаёт энергию от входа к выходу в повторяющихся циклах накопления - разряда, а конкретный путь прохождения тока зависит от состояния ключей. Процесс не предусматривает рассеивания энергии, и с идеальными компонентами его эффективность составила бы 100% . Выходной сигнал ошибки, соответствующим образом усиленный и скорректированный, используется для управления или длительностью активной ( накопительной ) фазы цикла (широтно-импульсная модуляция - PWM ), или длительностью самого цикла - частотой импульсов ( частотно-импульсная модуляция – PFM ). Ключевые преобразователи могут быть неизолированные ( т.е. вход и выход имеют общий вывод земли, рис. 9.61 ) или изолированными ( например, при питании от силовой сети, рис. 9.73A , 9.73B или 9.73C,D ). Для каждого класса существуют десятки вариантов схем, см. @D .

Одной из разновидностей ключевых преобразователей являются безындуктивные ( или «с перекачкой заряда», см. §9.6.3 ). С помощью набора ключей и одного или нескольких «летающих» конденсаторов они создают выходное напряжение, кратное входному и с любой, относительно входа, полярностью. Большая часть таких схем регулирует выход за счёт управления входным током, но есть варианты, которые меняют длительность рабочего цикла ( см. табл. 9.4 , рис. 9.56 и 9.57 ).

@B. Получение постоянного нерегулируемого входного напряжения

Независимо от применяемой схемы преобразователя или регулятора, ему требуется входное постоянное напряжение. Оно может поступать от отдельного нерегулируемого источника, батареи в портативном оборудовании, выпрямленного переменного напряжения силовой сети, рис. 9.25 и 9.48 ) или постоянного напряжения из соседнего узла схемы ( рис. 9.64 ). Если речь идёт о сетевых приборах, использующих линейный регулятор, то «нерегулируемое» постоянное напряжение ( с некоторым уровнем пульсаций ) они получают от трансформатора, обеспечивающего гальваническую изоляцию и масштабирование напряжения, выпрямителя, на котором получается собственно «выпрямленное» напряжение нужной полярности и накопительного конденсатора, который сглаживает пульсации после выпрямителя. В ключевых сетевых источниках ( их ещё почему-то зовут «off-line» ) трансформатор на входе отсутствует, потому что гальваническую изоляцию обеспечивает трансформатор самого преобразователя, который гораздо легче и меньше, потому что работает на гораздо большей частоте, рис. 9.48B .

Диодный мост и накопительный конденсатор превращает переменное напряжение на выходе трансформатора или переменное напряжение самой силовой сети в двухполупериодное нерегулируемое постоянное напряжение. Если не учитывать резистивные и индуктивные потери в проводах и обмотках [* «в меди» ] , то полученное постоянное напряжение будет иметь величину \( Vdc\)=1.4 \(Vrms-\)2 \(V_{diode}\) , а амплитуда пульсаций приблизительно равна \( V_{ripple} \) ≈ \( I_{load}\space/( 2fC ) \) ¹⁵² . Здесь \( C \) - ёмкость накопительного конденсатора, а \( f \) - частота питающей сети ( 50, 60 или 400 Hz ). Входной ток по силовой сети представляет собой короткие, относительно периода сетевой частоты, импульсы вблизи максимальных значений синусоиды ( рис. 9.51 и 9.78 ). В результате такая схема имеет неприятно низкое значение «коэффициента мощности», а ударный ток вызывает дополнительный нагрев меди согласно соотношению \(I^2R\) . По этой причине все, кроме совсем небольших, ключевые источники используют на входе схему коррекции коэффициента мощности ( она же ККМ или PFC ), см. рис. 9.77 , которая размазывает входной ток по всему периоду и делает его примерно пропорциональным мгновенному значению напряжения.

Приборы с сетевым питанием требуют некоторых дополнительных деталей, отвечающих за удобство и безопасность, как-то: предохранители, выключатели, фильтры, разрядники и подавители переходных процессов, т.е. всё то, что в IEC называется «входной модуль блока питания», рис. 9.49 .

@C. Линейные регуляторы напряжения



==700

Линейный регулятор сравнивает выходное напряжение с внутренним опорным источником ( см. @G ). Усилитель ошибки обеспечивает отрицательную обратную связь, охватывающую проходной транзистор, см. рис. 9.2D . Выходное напряжение может быть выше или ниже опорного ( рис. 9.4 и 9.5 ), но, главное, оно всегда ниже входного напряжения. Данное устройство можно рассматривать как мощный усилитель, охваченный обратной связью, который склонен к возбуждению с емкостной нагрузкой. Поэтому в схему вводят корректирующий конденсатор \( C_C\) ( рис. 9.2D , 9.2E ). Последняя схема на этом рисунке поясняет метод ограничения тока ( \(R_{CL}\) и \(Q_2\) ) и защиты от перенапряжения ( \( D_1\) и \(Q_3\) , см. @J ) оберегает полезную нагрузку в случае отказа регулирующего элемента.

Все элементы линейного регулятора можно интегрировать в единую микросхему ( рис. 9.6 ) «3-выводного» стабилизатора фиксированного напряжения - классическую микросхему 78xx, где xx - нужное выходное напряжение. Для завершения схемы требуется только выходной конденсатор ( рис. 9.8 ). Стандартный набор напряжений довольно скромен ( +3.3, +5, +9, +12 или +15 V ), поэтому выпускаются подстраиваемые варианты, например, LM317 ( рис. 9.9 ). Они позволяют установить выходное напряжение внешним делителем ( рис. 9.10 ). На рис. 9.14 , 9.16 и 9.18 показаны некоторые примеры использования этих удобных микросхем. И фиксированные, и подстраиваемые регуляторы выпускаются также на отрицательные напряжения ( 79xx и LM337 ) и в маломощном исполнении ( 78Lxx и LM317L ).

Одним из недостатков классических линейных регуляторов является большая разница ( ∼2 V ) между входным и выходным напряжением - падение на регулирующем элементе . Таким положением схема обязана проходному транзистору, включённому эмиттерным повторителем ( это одно падение \( V_{BE}\) ) , и схеме ограничения тока ( это второе \( V_{BE}\) ) . Сами по себе два вольта не кажутся большой величиной, но, если сравнить их с выходными +2.5 V , картина начинает выглядеть иначе. Проблема решается с помощью регуляторов с низким падением напряжения ( LDO ), в которых проходной транзистор ( биполярный или МОП ) включён по схеме с общим эмиттером ( или общим истоком ), см. рис. 9.20 . Итоговое падение сокращается до долей вольта. LDO очень хороши, но стоят дороже, и больше склонны к генерации из-за более высокого выходного сопротивления коллектора или стока, которое ведёт к заметному запаздыванию фазы даже с умеренными емкостями нагрузки. LDO часто накладывают определённые требования по величине фильтрующего конденсатора и его эквивалентному последовательному сопротивлению ( ESR ), см. табл. 9.3 .

@D. Топологии ключевых преобразователей

К базовым схемам неизолированных ключевых преобразователей относятся понижающая , повышающая и инвертирующая , см. §9.6.4 и рис. 9.61 . Все эти схемы используют связку из катушки индуктивности, ключа, диода ( или ещё одного ключа в качестве активного выпрямителя ) и накопительных конденсаторов на входе и выходе. Рабочая конструкция нуждается в дополнительных компонентах: генераторе, компараторе, усилителе ошибки, цепях коррекции и защиты, см. рис. 9.65 . Как и в случае линейных стабилизаторов, промышленность выпускает законченные однокристальные решения, см. табл. 9.5a , 9.5b и 9.6 .

Для понижающих преобразователей \( V_{out} <V_{in}\) , для повышающих \( V_{out} >V_{in}\) . Инверторы создают выходное напряжение, противоположное по знаку входному, которое может быть как больше, так и меньше входного по абсолютному значению, см., например, примечательную схему Чука в §9.6.8.H . Соответствующее выходное напряжение равняется: \( V_{out\space}( buck )=V_{in}D \) , \( V_{out\space}( boost )=V_{in}/(1-D ) \) и \( V_{out\space}( invert )=-V_{in}[( D/(1-D )] \) , где D - скважность ( отношение времени ЗАМКНУТОГО состояния ключа к общей длительности цикла D = \(t_{ON}\)/T ) . Существуют и неинвертирующие buck-boost топологии, которые позволяют выходному напряжению быть как выше, так и ниже входного. Они представлены схемами с двумя ключами ( два ключа, два диода и одна катушка индуктивности ) и SEPIC ( один ключ, один диод и две катушки ), см. рис. 9.70 . И, естественно, преобразователь с трансформатором, независимо изолированный или нет, обеспечивает полный универсализм в выходных полярностях и более высокие параметры при больших коэффициентах передачи напряжения.

Изолированные преобразователи используют трансформатор ( для изоляции ) и одну или две катушки индуктивности ( для накопления энергии ). В обратноходовой схеме ( рис. 9.73A ) трансформатор выполняет обе задачи в одиночку ( т.е. дополнительной катушки индуктивности в ней нет ). А у прямоходовой и мостовой схем ( рис. 9.73B , 9.73C,D ) трансформатор - это «просто трансформатор», и задачу накопления и передачи энергии выполняет стандартный набор диодов-индуктивностей. Выходные напряжения этих преобразователей выражаются формулами: \[ \begin {align} V_{out\space}( flyback )&= V_{in}\space \frac{Nsec}{Npri}\space[D/(1-D )] \\ V_{out\space}( forward )&= V_{in}\space \frac{Nsec}{Npri}\space D. \end {align} \] Обратноходовые источники в общем случае используются в маломощных ( <200 W ) устройствах, прямоходовые - с нагрузками средней мощности ( до 500 W ), а мощных потребителей обслуживают мостовые.

@E. Методы регуляции в ключевых источниках: релейный режим, режим управления по напряжению, режим управления по току



==701

Есть несколько методов регулирования выходного постоянного напряжения в ключевых преобразователях. Самый простой - обратная связь с гистерезисом, в которой сигнал ошибки просто разрешает или запрещает следующий цикл преобразования. Это одна из форм «релейного» управления. В ней нет проблем со стабильностью, и не требуется цепь коррекции. См. рис. 9.64 , где приведена схема понижающего преобразователя на очень популярной MC34063. Пропорциональное управление с помощью ШИМ лучше и имеет две формы: с контролем напряжения или с контролем тока. Оба метода сравнивают выходное напряжение с внутренним опорным, но делают это по-разному. В режиме управления по напряжению выходной сигнал ошибки сравнивается с пилообразным опорным сигналом от внутреннего генератора, чтобы рассчитать длительность активной фазы силового ключа, а в режиме управления по току контролируется возрастающий ток через катушку, а внутренний генератор используется только для запуска нового цикла преобразования. См. §9.6.9 и особенно рис. 9.71 и 9.72 . В обоих методах цикл принудительно завершается, если превышен максимальный ток ключа, входное напряжение упало ниже допустимого предела, или температура корпуса превысила максимальную рабочую. Схема простого конвертора с контролем по напряжению представлена на рис. 9.65 .

Обе схемы пропорционального контроля требуют для устойчивости частотной коррекции, и обе имеют свои достоинства и недостатки. Токовый режим популярнее, потому что его переходная характеристика чётче, имеется конструктивная защита ключа, больше запас по фазе в цепи обратной связи и возможность параллельного включения нескольких подобных преобразователей.

@F. Дополнительные вопросы по теме ключевых преобразователей

Ключевые преобразователи - настолько богатая тема, что большая часть подробностей выходит за рамки книги. Вот некоторые темы: пульсации тока и конструкция катушки индуктивности, насыщение сердечника и его размагничивание, индуктивность намагничивания, мягкий старт, обратное восстановление диодов, CCM и DCM режимы преобразования, потери при переключении, коррекция петли обратной связи, импульсный режим, пусковой ток, изоляционные барьеры, PFC, ключевые усилители [* усилители «класса-D» ] . Все они затрагиваются в Части X9 . Данную публикацию следует рассматривать как вводный материал для очень специальной деятельности, которой можно заниматься всю жизнь.

@G. Источники опорного напряжения

Источник образцового постоянного напряжения требуется в любом регуляторе напряжения, схемах A/D и D/A преобразования, измерительных схемах. Часто бывает, что в микросхеме регулятора опорный источник уже есть ( см., например, табл. 13.1 ), но хочется улучшить параметры, или требуется качественный отдельный источник для каких-либо иных целей.

Самым простым опорным источником является диод Зенера - стабилитрон ( §9.10.1 ). Но большая часть образцовых источников - интегральные схемы с массой компонентов внутри, работа с которым напоминает общение с обычными, просто очень хорошими, стабилитронами в случае «2-выводных» или параллельных источников ( табл. 9.7 ), либо с хорошими линейными стабилизаторами в случае «3-выводных» или последовательных ( табл. 9.8 ). Параллельным опорным источникам, как и обычным стабилитронам, для работы нужен ток. Его можно получить от резистора, подключённого к шине питания, или от специализированного источника тока. Последовательным требуется только источник питания. Опорные источники выпускаются для очень небольшого набора номиналов из диапазона от 1.25 до 10 V .

Обычные стабилитроны хорошо работают на некритичных участках, но их ±5% точности совершенно не подходят для измерительных схем. Интегральные опорные источники обоих типов гораздо лучше: цифры для наихудшего случая лежат в диапазоне от 0.02% до 1% , а температурные коэффициенты - от 1 ppm/°C до 100 ppm/°C . Большинство интегральных опорных источников имеют в своей основе схему термокомпенсированного напряжения \( V_{BE}\) ( «напряжение запрещённой зоны» ) с напряжением 1.24 V или используют стабилитрон с закрытой структурой \( V_Z\) ≈7V . Последний вариант тише, зато источники запрещённой зоны работают от низкого напряжения и выпускаются с номиналами, начинающимися с 1.24 V . Существуют два сравнительно новых подхода - источники на напряжении отсечки затвора ( ADI ADR400 «XFET» ) и источники с плавающим затвором (Intersil). Оба варианта имеют отличные температурные параметры и низкий шум. Другими важными характеристиками опорных источников является регуляция ( \(R_{out}\) для параллельных или КОИП для последовательных ), величина минимальной ёмкости нагрузки и устойчивость с емкостными нагрузками, наличие выводов подстройки и фильтрации и, наконец, тип корпуса.

@H. Нагрев и отвод тепла

Мощные электрические схемы греются. Тепло приходится отводить, комбинируя конвекцию ( поток теплоносителя ) и теплопроводность ( путь до теплоотвода ). Тепловой поток пропорционален разнице температур горячей и холодной зон ( правило Ньютона ), \(Δ T=P_{diss}\space R_\Theta\) , где \(R_\Theta\) - температурное сопротивление. Для каждого дополнительного соединения на пути тепла добавляется температурное сопротивление. Таким образом, температура перехода \( T_J\) мощного полупроводника с рассеиваемой мощностью \( P_{diss}\space \) ватт составит \( T_J=T_A+\)\( P_{diss}\space ( R_{\Theta JC}+R_{\Theta CS}+R_{\Theta SA}) \) . Здесь \( T_A\) - температура окружающей среды, а последовательные \(R_{\Theta}\) представляют температурные сопротивления соединений от кристалла к корпусу, от корпуса к теплоотводу и от теплоотвода к окружающей среде. Для рассеивания нескольких ватт тепла в большинстве случаев достаточно простых полигонов из фольги на печатной плате ( рис. 9.45 ). Если тепла больше, используются оребрённые теплоотводы или металлические части корпуса прибора. Принудительное охлаждение требуется для тепловой мощности 50 W и более ( рис. 9.43 ). На коротком промежутке времени полупроводники могут выдерживать повышенные тепловые нагрузки. На графиках такие свойства обозначаются как температурное сопротивление при переходных процессах ( т.е. произведение \(R_{\Theta}\) на отношение длительности тепловыделяющей фазы к общей длительности цикла ), или как чуть приподнятые контуры на графике области безопасной работы ( см. @I ).



==702

@I. Область безопасной работы

Для мощных транзисторов, безразлично полевых или биполярных, указываются максимальные значения тока и напряжения, а равно, максимальное значение произведения \( V_{DS}I_D\) или \( V_{CE}I_C\) , т.е. рассеиваемую мощность для заданной температуры корпуса, обусловленную конечным значением теплового сопротивления, \( V_{DS}I_D ≤( T_{J(MAX)}-T_C )/R_{\Theta JC}\) . Эти ограничения определяют область безопасной работы ( SOA ), см. §9.4.2 . Её обычно обозначают пунктирным контуром на графике зависимости ток-напряжение в логарифмических координатах, см. рис. 3.95 . Такой график показывает две дополнительные характеристики:

1. наибольший уровень мощности, допустимый при импульсной нагрузке, и
2. область безопасной работы биполярных транзисторов ( к полевым это не относится ), у которых есть дополнительные ограничения, накладываемые явлением «вторичного пробоя».

@J Защита от перенапряжения

Некоторые виды аварий блоков питания приводят к существенному повышению выходного напряжения. К таким авариям относятся пробой проходного транзистора в линейных регуляторах и разрыв обратной связи в ключевых. Повышенное напряжение способно повредить или уничтожить потребителя. Защитой от перенапряжений может служить специальная схема ( §9.13.1 ), закорачивающая выход блока питания тиристором, или в чуть более мягком варианте ограничивающая напряжение на безопасном уровне. В табл. 9.5b такие опции отмечены в колонке «OVP».

@K. Источники тока

Под «регулятором» чаще всего имеется в виду источник стабильного напряжения, но есть много задач, где нужен управляемый источник тока ( §9.3.14 ). Трёхвыводные стабилизаторы легко превратить в источники тока ( §9.3.14.A ), но существуют и специализированные микросхемы, подобные LM334 и REF200. Источник тока легко сделать из полевых транзисторов с p-n переходом, а МОП транзисторы, работающие в режиме обеднения ( со встроенным каналом ), изначально являются такими источниками и способны работать при напряжениях до 1 kV , см. §9.3.14.C . Не стоит забывать о биполярных транзисторах ( §2.2.6 и §2.3.7.B ) и операционных усилителях ( §4.2.5 , источник Хауленда и источники из ОУ и транзистора ).



==702