1. вибір дроселя
2. ВИБІР ВИХІДНОГО КОНДЕНСАТОРА
3. ВИБІР ВХІДНОГО КОНДЕНСАТОРА
4. ВИБІР діоди
5. ВИБІР МОП-ТРАНЗИСТОРА
6. КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ знижує ПЕРЕТВОРЮВАЧА
7. ПЕРЕВІРКА ХАРАКТЕРИСТИК

28 листопада 2007

Імпульсні знижують перетворювачі є невід'ємною частиною сучасної електроніки. Вони здатні перетворювати напруги джерел живлення (типові значення від 8 до 25 В) в більш низьке стабілізовану напругу (типові значення від 0,5 до 5 В). Понижуючі перетворювачі передають маленькі порції енергії, використовуючи перемикач, діод, дросель і кілька конденсаторів. Незважаючи на те, що розміри і рівень шумів імпульсних перетворювачів значно більше, ніж у їх лінійних аналогів, імпульсні знижують перетворювачі в більшості випадків мають більш високий ККД.

Незважаючи на широке поширення, проектування знижувальних перетворювачів може стати складним завданням, як для початківців проектувальників джерел живлення, так і для фахівців середнього рівня. Це пов'язано з важкодоступністю більшості практичних методів і деяких алгоритмів розрахунку схем. І хоча деякі з розрахунків можна легко знайти в специфікаціях мікросхем, навіть ці відомості іноді друкуються з помилками.

Виробники знижують перетворювачів включають в допомогу інженерам в якості пункту специфікації типову схему застосування, яка, в свою чергу, часто визначає конкретні типи і кількість компонентів для розробки прототипу. Але докладний опис методики вибору компонентів виробники надають рідко, припускаючи, що споживач в точності копіює пропонований варіант. У разі зняття з виробництва будь-якого з основних компонентів схеми або необхідності заміни на більш дешевий варіант, у споживача не потрапляє до рук методики вибору еквівалента.

У даній статті розглядається тільки одна топологія понижуючого стабілізатора - з фіксованою частотою комутації, широтно-імпульсною модуляцією (ШІМ) і роботою в режимі безперервного струму (РНТ). Обговорювані принципи можуть бути застосовані до інших топологиям, але наведені рівняння безпосередньо до них застосовувати не можна. Щоб розглянути складні моменти проектування знижувальних перетворювачів, ми наводимо приклад, який включає детальний аналіз розрахунків параметрів різних компонентів. Будуть потрібні чотири параметри схеми: діапазон вхідної напруги, стабілізовану вихідна напруга, максимальний вихідний струм і частота комутації перетворювача. На рис. 1 поряд зі схемою і основними необхідними компонентами наведено список цих параметрів.

Рис. 1. Стандартна схема понижуючого перетворювача з робочими параметрами

вибір дроселя

Розрахунок значення дроселя є критичним моментом в проектуванні понижуючого імпульсного перетворювача. Спочатку припустимо, що перетворювач працює в РНТ, що є типовим випадком. РНТ означає, що коли коммутирующий елемент закритий, дросель розряджається в повному обсязі. Наведені нижче рівняння справедливі для ідеального коммутирующего елемента (нульовий опір відкритого ключа та нескінченне - закритого, нульовий час перемикання) і ідеального діода:

(Ур. 1)

де fSW - частота комутації понижуючого перетворювача, а LIR - коефіцієнт струму дроселя, виражений як відсоток від вихідного струму IOUT (тобто для пульсуючого струму з розмахом 300 мА при вихідному струмі 1 А отримуємо LIR = 0,3 А / 1 А = 0,3).

LIR, рівний 0,3, говорить про хорошого співвідношення ККД і реакції на зміну навантаження. Збільшення постійної LIR - підвищення пульсацій струму дроселя - поліпшення динаміки перехідних характеристик, а зменшення LIR - отже, зниження пульсацій струму - уповільнення перехідних процесів. На рис. 2 приведені перехідні характеристики і струм дроселя для певної величини струму навантаження при значенні LIR від 0,2 до 0,5. Верхній графік на малюнку - пульсації вихідної напруги за змінним струмом, 100 мВ / справ. Середній графік - струм навантаження, 5 А / справ. Нижній - струм дроселя, 5 А / справ. Масштаб часу для всіх графіків - 20 мкс / справ.

Рис. 2. При збільшенні LIR з 0,2 до 0,5 динамічні властивості перетворювача поліпшуються

Максимальний струм дроселя визначає необхідну номінальне значення його струму насичення, який, в свою чергу, обумовлює габарити дроселя. Насичення сердечника дроселя знижує ККД перетворювача, підвищуючи при цьому температуру дроселя, МОП-транзистора і діода. Розрахунок максимального робочого струму дроселя можна виконати за наведеною нижче формулою:

де

Для значень, наведених на рис. 1, індуктивність, розрахована за цими формулами, дорівнює 2,91 мкГн (LIR = 0,3). Вибираємо найбільш близьке до розрахункового типове значення, наприклад, 2,8 мкГн, потім перевіряємо, що номінальне значення струму насичення вище, ніж розрахункове значення максимального струму (IPEAK = 8,09 А).

Вибираємо досить велике номінальне значення струму насичення (в даному випадку 10 А), щоб компенсувати відхилення параметрів схеми і різницю між дійсними і розрахунковими значеннями компонентів. Прийнятним для цього буде запас в 20% від розрахункового номінального значення з урахуванням обмеження фізичних розмірів дроселя.

Дроселі такого розміру і з таким номіналом струму, як правило, мають діапазон опору постійному струму (СПТ) від 5 до 8 мОм. Для мінімізації втрат потужності вибирайте дросель з найменшим СПТ. Хоча специфікації різних постачальників відрізняються, завжди для розрахунків використовуйте максимальні значення СПТ, а не типові, тому що максимум гарантується для найгірших умов.

ВИБІР ВИХІДНОГО КОНДЕНСАТОРА

Вихідний конденсатор потрібно для мінімізації викидів напруги і пульсацій на виході понижуючого перетворювача. Великі викиди викликаються недостатньою вихідний ємністю, а великі пульсації напруги - недостатньою ємністю і високим еквівалентним послідовним опором (ESR) вихідного конденсатора. Максимально-допустимі викиди напруги і амплітуда пульсацій зазвичай визначаються під час розробки. Таким чином, для забезпечення вимог до пульсацій необхідно включати вихідний конденсатор з достатньою ємністю і низьким ESR.

Проблема викиду (коли вихідна напруга перевищує напруга стабілізації під час раптового відключення повного навантаження від виходу) вимагає, щоб вихідний конденсатор був досить великим для запобігання передачі енергії дроселя, рівень якої вище певного максимуму. Величина перевищення вихідної напруги може бути розрахована за наступною формулою:

(Ур. 2)

Перетворюючи рівняння 2 отримаємо:

(Ур. 3)

де C0 одно вихідний ємності, а DV одно максимуму викиду вихідної напруги.

Прийнявши значення максимуму перерегулирования по напрузі 100 мВ і вирішивши рівняння 3, отримаємо розрахункову вихідну ємність 442 мкФ. Поправка на типове допустиме відхилення конденсатора (20%) дає практичне значення вихідний ємності близько 530 мкФ. Найближче стандартне значення - 560 мкФ.

Пульсації на виході при використанні тільки цієї ємності розраховуються за такою формулою:

Основний вплив на пульсації надає ESR вихідного конденсатора. Результат може бути підрахований таким чином:

Знайте, що вибір конденсатора з дуже низьким значенням ESR може стати причиною нестабільної роботи перетворювача. Показники, що впливають на стабільність, змінюються від однієї ІС до іншої, тому при виборі вихідного конденсатора обов'язково прочитайте технічні умови і зверніть особливу увагу на розділи, які стосуються стабільності перетворювача.

Складаючи пульсації вихідної напруги, обумовлені значенням ємності (перший доданок в рівнянні 4) і ESR вихідного конденсатора (другий доданок), отримуємо сумарне значення пульсацій вихідної напруги для понижуючого перетворювача:

(Ур. 4)

Перетворюючи рівняння 4 для знаходження ESR, отримуємо:

(Ур. 5)

Непоганий понижуючий перетворювач зазвичай має рівень пульсацій вихідної напруги менше 2% (40 мВ в нашому випадку). Для вихідний ємності 560 мкФ рівняння 5 дає максимальне розрахункове значення ESR 18,8 мОм. Тому вибирайте конденсатор з ESR менше 18,8 мОм і ємністю, рівною або більшою 560 мкФ. Для отримання еквівалента ESR менше 18,8 мОм можна включити паралельно кілька конденсаторів з низьким значенням ESR.

Рис. 3. Вплив еквівалентного послідовного опору (ESR) вихідного конденсатора на пульсації вихідної напруги

На рис. 3 представлена ​​залежність пульсацій вихідної напруги від значень вихідний ємності і ESR. Так як в нашому прикладі використовуються танталові конденсатори, вплив ESR на пульсації переважає.

ВИБІР ВХІДНОГО КОНДЕНСАТОРА

Діапазон пульсацій струму вхідного конденсатора визначає його значення і фізичні розміри. Наступна формула розраховує, якою має бути величина пульсацій струму вхідного конденсатора:

Рис. 4. Пульсації струму на вхідному конденсаторі

Рис. 4 представляє графік залежності пульсацій струму конденсатора (в частках вихідного струму) від вхідної напруги понижувального перетворювача (показаного як відношення вихідної напруги до вхідного). Найгіршим є випадок, коли вхідна напруга VIN = 2VOUT (VOUT / VIN = 0,5), який призводить до максимальних пульсаціям струму IOUTMAX / 2. Вхідна ємність конденсатора, необхідна для понижуючого перетворювача, залежить від повного опору джерела живлення. Для лабораторного джерела живлення загального застосування у звичайних випадках досить від 10 до 22 мкФ на кожен ампер струму навантаження. Для параметрів схеми рис. 1 можна підрахувати, що пульсації вхідного струму складуть 3,16 А. Виходячи з цього, можна почати з повною вхідний ємності 40 мкФ, а потім за результатами випробувань скорегувати це значення.

Танталові конденсатори - невдалий вибір для вхідних фільтрів. Вони зазвичай виходять з ладу «з замиканням», що означає - несправний конденсатор створює коротке замикання на своїх висновках і, отже, підвищує небезпеку загоряння. Керамічні або алюмінієві електролітичні конденсатори краще, тому що вільні від такого роду дефектів.

Керамічні конденсатори є кращим вибором в разі обмеженого простору друкованої плати або висоти компонентів, але вони можуть стати причиною генерації схемою акустичного дзвону. Такий високочастотний шум викликається вібрацією керамічного конденсатора, встановленого на друковану плату, завдяки сегнетоелектричних властивостей і п'єзоефект, викликаному пульсаціями напруги. Пом'якшити проблему можуть полімерні конденсатори. Вони також схильні до відмов з коротким замиканням, але набагато надійніше танталових і тому підходять в якості вхідних конденсаторів.

ВИБІР діоди

При виборі діода обмежуючим фактором є розсіює потужність. Середня потужність для найгіршого випадку може бути розрахована за формулою:

(Ур. 6)

де VD - падіння напруги на діоді при заданому вихідному струмі IOUTMAX.

(Для кремнієвих діодів типове значення - 0,7 В, для діодів Шотткі - 0,3 В). Обраний діод повинен бути здатний розсіювати енергію. Для забезпечення надійної роботи у всьому діапазоні вхідної напруги необхідно, щоб максимум зворотного повторюваного напруги був більше максимального вхідного напруги (VRRM и VINMAX). Довідкове значення прямого струму діода повинно відповідати або перевищувати максимум вихідного струму (тобто IFAV и IOUTMAX).

ВИБІР МОП-ТРАНЗИСТОРА

Інженери часто просто вибирають ІС стабілізатора з вбудованим МОП-транзистором. На жаль, більшість виробників вважає, що витрати на розміщення потужних МОП-транзисторів в одному корпусі з перетворювачем непомірно високі, тому інтегровані схеми зазвичай характеризуються максимальними вихідними струмами не більше 3 ... 6 А. Для більш потужних схем єдиною альтернативою зазвичай є зовнішній МОП-транзистор .

Перед тим як вибрати відповідний прилад, необхідно визначити максимальну температура переходу (TJMAX) і максимальну температуру навколишнього середовища (TAMAX) зовнішнього МОП-транзистора. TJMAX не повинна перевищувати 115 ... 120 ° C, а TAMAX не повинна перевищувати 60 ° C. Максимальна температура навколишнього середовища 60 ° C може здатися високою, але, як правило, знижують перетворювачі монтуються на шасі, де така температура не є незвичайною. Максимально допустимий підйом температури для МОП-транзистора можна розрахувати за формулою:

(Ур. 7)

Підставивши наведені вище значення TJMAX і TAMAX в рівняння 7, отримаємо максимальний підйом температури для МОП-транзистора 55 ° C. Максимальна потужність, що розсіюється МОП-транзистором, може бути розрахована, виходячи з допустимого максимуму підйому температури МОП-транзистора:

(Ур. 8)

Тип корпусу МОП-транзистора і параметри радіатора впливають на тепловий опір «перехід-середовище» (Θ JA). Якщо в специфікації немає даних про Θ JA, для стандартного корпусу SO-8 (дротяні з'єднання, корпус без мідної основи), встановленого на 30-грамову мідну пластину площею 6,5 см2, досить точним буде значення 62 ° C / Вт. Між значенням Θ JA і масою радіатора немає зворотної лінійної залежності, і ступінь зменшення значення Θ JA швидко падає при використанні мідного радіатора площею більше 6,5 см2. Підставивши в рівняння 8 Θ JA = 62 ° C / Вт, отримаємо допустиму рассеиваемую потужність близько 0,89 Вт.

Потужність, що розсіюється МОП-транзистором, є наслідком ненульового опору відкритого каналу стік-витік і втрат комутації. Втрати від опору відкритого каналу можуть бути розраховані за формулою:

(Ур. 9)

Так як в більшості довідників наводиться максимальний опір відкритого каналу тільки для 25 ° C, вам може знадобитися оцінка значення цього параметра при TJHOT. Для практичних розрахунків досить точне значення максимуму опору при будь-якій температурі забезпечує застосування температурного коефіцієнта 0,5% / ° C. Таким чином, опір відкритого каналу при високій температурі підраховується наступним чином:

(Ур. 10)

Допускаючи, що втрати відкритого каналу складають приблизно 60% від усіх втрат, що приходять на частку МОП-транзистора, і перетворюючи з урахуванням цього рівняння 10 в рівняння 11, максимально допустимий опір відкритого каналу при 25 ° C:

(Ур. 11)

Втрати комутації складають меншу частину розсіюється МОП-транзистора, але, тим не менш, вони теж повинні бути прийняті до уваги. Наступний розрахунок втрат комутації дає досить грубе наближення і тому не замінює оцінку в лабораторних умовах. Кращий тест із застосуванням термодатчика, закріпленого на транзисторі P1 для достовірного контролю температури.

(Ур. 12)

де CRSS - прохідна ємність (затвор-стік) транзистора P1, - максимальний впадає / витікаючий струм управління затвором, а P1 - МОП-транзистор верхнього плеча. Прийнявши ток управління затвором 1 А (значення з довідкових даних драйвера затвора / контролера) і прохідну ємність 300 пФ (з специфікації на МОП-транзистор), отримуємо з рівняння 11 максимальне значення RDS (ON) 25 ° C близько 26,2 мОм. Перерахунок і підсумовування втрат каналу і комутації дає в кінцевому результаті значення розсіюваною потужності 0,676 Вт. Використовуючи цю цифру, можна підрахувати, що максимально допустимий підйом температури для даного МОП-транзистора становить 101 ° C. Це значення знаходиться в межах допустимого температурного діапазону.

КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ знижує ПЕРЕТВОРЮВАЧА

Мінімізація втрат потужності продовжить термін служби батареї і зменшить тепловіддачу перетворювача. Наступні формули забезпечують розрахунок втрат потужності на кожній дільниці перетворювача.

Втрати на ESR вхідного конденсатора:

Втрати на діоді, опорі відкритого МОП-транзистора і втрати комутації визначаються за формулами 6, 9 і 12.

Втрати на СПТ дроселя:

Втрати на ESR вихідного конденсатора:

Втрати на мідних друкованих провідниках: ці втрати важко підрахувати точно, але рис. 5 дає грубу оцінку величини опору квадратного ділянки міді на друкованій платі. За допомогою рис. 5 можна використовувати просте рівняння розсіювання потужності I2R, щоб підрахувати втрати.

Рис. 5. Опір однієї унції міді в формі квадрата приблизно дорівнює 0,5 мОм

Наступне рівняння підсумовує все втрати перетворювача і враховує їх у вираженні ККД перетворювача:

Допускаючи, що втрати міді можуть становити 0,75 Вт, ККД даного перетворювача дорівнює 69,5%. Заміна кремнієвого діода на діод Шотткі збільшує ККД до 79,6%, а застосування замість діодів синхронного випрямляча на МОП-транзисторі підвищить ККД до 85% при повному навантаженні.

Рис. 6. Аналіз втрат перетворювача

На рис. 6 наведено аналіз втрат потужності перетворювача. Подвоєння маси міді до 60 г або потроєння до 90 г мінімізує втрати міді і тим самим збільшує ККД з 86 до 87%.

Ретельна компоновка друкованої плати є важливим фактором у мінімізації втрат комутації та стабільності роботи понижуючого перетворювача. У якості відправної точки дотримуйтеся наступних рекомендацій:

• Потужнострумові ланцюга, особливо у вісновків заземлення, та патенти, Виконувати якомога Коротше.
• Мінімізуйте довжину провідників, що йдуть до дроселя, МОП-транзистора і діода / синхронного випрямляча.
• Шини харчування і лінії підключення навантаження повинні бути короткими і широкими. Такий підхід є дуже важливим для досягнення високого ККД.
• Розміщуйте вузли і провідники, чутливі до наведенням струму і напруги, далеко від вузлів комутації.

ПЕРЕВІРКА ХАРАКТЕРИСТИК

Розробляючи або модифікуючи схему понижувального імпульсного стабілізатора (який працює в РНТ з використанням ШІМ), для розрахунку параметрів основних компонентів і необхідних характеристик можна застосувати рівняння, наведені в цій статті. Для перевірки електричних і теплових характеристик остаточного варіанту завжди необхідно проводити лабораторні випробування схеми. Для задовільної роботи схеми правильна розводка друкованої плати і раціональне розміщення компонентів є таким же важливим моментом, як і правильний вибір компонентів.

З питань отримання технічної інформації
звертайтеся в компанію КОМПЕЛ.
E-mail: [email protected]

Нові приймачі інтерфейсу RS-485

Компанія Maxim Integrated Products представила напівдуплексні приймально
передавачі інтерфейсу RS-485 MAX13487E / MAX13488E. Особливістю даних мікросхем є наявність функції AutoDirection Control, яка автоматично дозволяє роботу драйвера при передачі даних. У зв'язку з наявністю цієї функції відпадає необхідність в керуючому вході дозволу передавача, що призводить до економії займаного простору і скорочення кількості компонентів в вимірювальних, автомобільних і промислових пристроях з гальванічною розв'язкою.

Мікросхема MAX13487E забезпечує захист від розрядів статичної електрики (РЗЕ) ± 15 кВ за методикою випробувань стандарту IEC 61000-4-2 Air-Gap Method. У той же час обидві мікросхеми забезпечують захист від розрядів статичної електрики ± 15 кВ при випробуваннях за методикою Human Body Model. Передавачі мікросхеми MAX13487E мають обмеження швидкості наростання вихідної напруги і забезпечують знижений рівень ЕМВ. Вони призначені для роботи в умовах підвищеного рівня зовнішніх перешкод і дозволяють безпомилково передавати дані зі швидкістю до 500 кбод. Швидкість передачі даних мікросхеми MAX13488E становить до 16 Мбод. Крім того, повне вхідний опір приймачів цих мікросхем становить 1/4 стандартного значення, що дає можливість підключати до мережі до 128 трансиверів.

Розширений робочий діапазон температур мікросхем MAX13487E / MAX13488E становить від -40 до 85 ° C. Мікросхеми випускаються в стандартному 8-вивідному корпусі SOIC.

•••