CC BY
145
УДК 621.314.1
ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
Д.А.Киба, С.Г.Марущенко APPLICATIONS OF IMPULSE VOLTAGE STABILIZERS
D.A.Kiba, S.G.Marushchenko
Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, pe@knastu.ru
Рассмотрены вопросы практического применения интегральных импульсных стабилизаторов напряжения серии LM2576 для построения импульсных вторичных источников питания электронных схем. На примере эквивалентной схемы замещения стабилизатора раскрыт принцип действия такого импульсного источника. Приведены аналитические выражения, которые описывают ток в цепях преобразователя напряжения. Предложена пошаговая процедура проектирования импульсного источника напряжения на основе такого стабилизатора. Даны рекомендации по выбору и расчету элементов схемы импульсного стабилизатора. Описаны требования к топологии печатной платы источника питания, в котором используется стабилизатор напряжения серии LM2576. Описаны результаты экспериментального исследования режимов работы такого стабилизатора при различных значениях тока нагрузки. Дан анализ полученных осциллограмм выходных напряжений, оценен уровень электромагнитных помех.
Ключевые слова: линейный стабилизатор напряжения, импульсный стабилизатор напряжения, источник вторичного питания, пульсации выходного напряжения
This article considers the problems of practical application of integral impulse voltage stabilizers of series LM2576 for constructing the pulse secondary power supplies of electronic circuits. The principle of operation of such a pulsed source is disclosed using the equivalent circuit of a stabilizer replacement. Analytical expressions are given that describe the current in the voltage converter circuits. A step-by-step procedure for designing a pulse voltage source based on the mentioned stabilizer is proposed. Recommendations for the selection and calculation of elements of the pulse regulator circuit are given. There provided some requirements for the topology of the power supply circuit board in which the voltage regulator of the LM2576 series is used. The results of experimental study of the stabilizer operating modes for different values of the load current are presented. The analysis of obtained oscillograms of output voltages is given, and the level of electromagnetic interference is estimated. Keywords: linear voltage regulator, switching voltage regulator, secondary power supply, output voltage ripple
Часто при синтезе электронной схемы разработчики сталкиваются с проблемой реализации нескольких питающих напряжений от источника питания с большим напряжением. Рассмотрим задачу, которая возникла у авторов при разработке управляемого осветительного прибора [1,2]. Для питания светодиодных линеек осветительный прибор комплектовался стандартным блоком питания с выходным напряжением 24 вольта, а для питания электронного блока управления были необходимы еще два источника с напряжениями 12 и 5 вольт. Потребляемый ток от источника питания 12 вольт составлял 200 мА, а от источника питания 5 вольт — 500 мА. Классическим решением данной задачи является использование линейных стабилизаторов напряжения КР142ЕН12 (LM7812) и КР142ЕН5 (LM7805). Однако использование их в разрабатываемом осветительном приборе создаст ряд дополнительных проблем. В частности, на стабилизаторах будет выделяться избыточная энергия в виде тепла — 2,4 Вт в первом случае и 9,5 Вт во втором. Рассеивание этой энергии потребует использования радиаторов с тепловыми сопротивлениями Rq = 5,1 С°/Вт и Rq = 1,7 С°/Вт соответственно. Это приведет к ухудшению массогабаритных показателей источника питания и увеличению его стоимости. Кроме того, рассеиваемое радиаторами тепло будет отрицательно воздействовать на окружающие элементы схемы, вызывая их преждевременную деградацию. Суммарная рассеиваемая мощность составит примерно 12 Вт, что отрицательно скажется на энергетических показателях источника питания.
Более привлекательным решением поставленной задачи является использование вместо линейных стабилизаторов напряжения импульсных серии LM2576 от производителя ON Semiconductor.
Стабилизаторы данной серии представляют собой монолитные интегральные микросхемы, предназначенные для применения в понижающих (step-down) преобразователях напряжения или импульсных понижающих стабилизаторах (buck converter). Преобразователи серии LM2576 выпускаются на фиксированные напряжения 3,3 В, 5 В, 12 В, 15 В и могут поддерживать ток нагрузки до 3 А с превосходными выходными и нагрузочными характеристиками. Данные стабилизаторы спроектированы так, чтобы минимизировать количество внешних электронных компонентов при разработке источников питания. Ввиду того, что преобразователи LM2576 работают в ключевом режиме, рассеиваемая на них мощность настолько мала, что не требуется дополнительного радиатора либо если он необходим, то его размеры невелики. Эффективность источника питания, построенного с использованием такого преобразователя, значительно выше по сравнению с обычным трех-выводным линейным стабилизатором напряжения, особенно при высоких входных напряжениях, а также при значительных токах нагрузки.
Чтобы дальнейшее обсуждение было предметным, приведем краткие технические данные на микросхемы серии LM2576, любезно предоставленные изготовителем ON Semiconductor в технической документации (datasheet) [3]. Интегральные схемы се-
рии LM2576 изготавливаются в корпусах ТО-220 или D2PACK и имеют внутреннюю структуру, показанную на рис. 1.
Рис.1. Структурная схема импульсного стабилизатора
В состав микросхемы входят следующие блоки: выключатель (ON/OFF), внутренний стабилизатор напряжения на 3,1 В (3.1 V Internal Regulator), ограничитель по току (Current Limit), усилитель ошибки с фиксированным коэффициентом усиления (Fixed Gain Error Amplifier), источник образцового напряжения на 1,235 В для зоны нечувствительности (1.235 V Band-Gap Reference), генератор импульсов на 52 кГц (52 kHz Oscillator), компаратор (comparator), триггер-защелка со схемой сброса (Latch, Reset), транзисторный драйвер с температурной защитой (Driver, Thermal Shutdown), составной транзисторный ключ (1.0 Amp Switch).
В упрощенном виде принцип действия импульсного стабилизатора можно описать следующим образом: модулированные по ширине импульсы входного напряжения подаются на Г-образный низкочастотный LC-фильтр, на котором выделяется средняя составляющая. Элементы фильтра выбираются исходя из значений выходного напряжения и тока, а обратная связь, заведенная на вход «Feedback», позволяет менять длительность и частоту следования импульсов для поддержания стабильного выходного напряжения.
Типовая схема включения импульсного стабилизатора на фиксированное значение выходного напряжения и номинальный ток нагрузки приведена на рис.2.
Рис.2. Типовая схема включения стабилизатора
LM2576 относится к категории понижающих преобразователей напряжения, его эквивалентная
я ||(ЬОАО)
| \(ЮАО)
а) б)
Рис.3. Эквивалентная схема замещения преобразователя: а) ключ замкнут; б) ключ разомкнут
схема замещения, поясняющая принцип действия, показана на рис.3.
Принцип действия данного регулятора можно разделить на два периода времени. Первый момент времени наступает, когда последовательный ключ включен (режим «ОК» на рис.За). Источник питания подключается к входной клемме катушки индуктивности L, а выходная клемма катушки индуктивности подключена к нагрузке R и сглаживающему конденсатору С, на котором и формируется выходное напряжение.
Диод УБ (ограничительный диод) в это время смещен в обратном направлении и заперт. В течение этого промежутка времени, пока источник постоянного напряжения через катушку индуктивности подключен к нагрузке, ток в катушке индуктивности линейно возрастает и может быть описан следующим выражением:
т _ (Уш _ Уоит) • О 1L(ON) --L-'
где Уш — напряжение источника питания (входное напряжение), Уоит — напряжение на нагрузке (выходное напряжение), ^ — интервал времени, при котором ключ SW замкнут, L — индуктивность катушки.
За время нарастания тока в сердечнике катушки запасается энергия в виде магнитного потока, и если параметры катушки выбраны надлежащим образом, то запасенной энергии достаточно для поддержания постоянного тока нагрузки в течение следующего периода времени.
В следующий момент времени ключ SW разомкнут. При разомкнутом ключе напряжение на катушке индуктивности меняет свою полярность на противоположную и ограничено снизу падением напряжения на ограничительном диоде УБ. Диод УБ смещен в прямом направлении и открыт, через него протекает ток нагрузки, замыкая тем самым контур протекания тока через индуктивность (рис.Зб). Запасенная в предыдущий период времени в индуктивности энергия отдается в нагрузку, а ток, протекающий через катушку, не меняет своего направления и описывается выражением:
т _(У0иТ ~ ) • tOFF IL(OFF) --L-'
где — время разомкнутого состояния ключа.
В следующий период времени ключ опять замыкается и процессы, описанные выше, повторяются.
Стабилизация напряжения на выходе преобразователя осуществляется путем изменения величины коэффициента заполнения (скважности) последовательности импульсов на силовом ключе. Этот коэффициент можно описать выражением:
d -
где Т — период следования импульсов — 1/Т — 52кГц) . Для импульсных преобразователей с идеальными элементами, коэффициент заполнения можно определить также как:
уоит
d —
Ут
На рис.4 приведены идеализированные диаграммы напряжения на ограничительном диоде и тока в катушке индуктивности, иллюстрирующие описанные ранее процессы.
Рис.4. Идеализированные диаграммы импульсного преобразователя
Для упрощения процесса синтеза схемы импульсного стабилизатора напряжения приведем его пошаговую процедуру проектирования.
1. Определяем заданные параметры: Уоит — выходное стабилизированное напряжение (3,3 В, 5 В, 12 В, 15 В); Уш (тах) — максимальное входное напряжение; 1(тах) — максимальный ток нагрузки.
2. По заданным параметрам выбираем требуемый тип микросхемы LM2576.
3. Выбор входного конденсатора Cin. Для предотвращения больших скачков напряжения и стабильной работы преобразователя на входе (между контактами 1 и 3) необходимо включить алюминиевый или танталовый проходной электролитический конденсатор. Этот конденсатор должен располагаться как можно ближе к выводам преобразователя и иметь низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR — Equivalent Series Resistance).
4. Выбор ограничительного диода (D1). Ввиду того, что максимальный импульсный ток диода должен превышать максимальный ток нагрузки преобразователя, номинальный ток ограничительного диода должен как минимум быть в 1,2 раза больше максимального тока нагрузки. В идеале номинальный ток диода должен быть равен предельно допустимому току микросхемы LM2576, чтобы выдерживать токи перегрузки при коротком замыкании. Номинальное обратное напряжение диода должно быть как минимум в 1,25 раза больше максимального входного напряжения Vin. Так как преобразователь работает на высокой частоте, то необходимо выбирать диод Шоттки.
5. Выбор катушки индуктивности (L1). Согласно требуемым условиям работы преобразователя, выбираем корректное значение катушки индуктивности по номограммам, приведенным в техническом описании [3].
Необходимо также учесть, что номинальный ток катушки индуктивности должен быть больше максимального пикового значения тока, протекающего через катушку. Максимальный пиковый ток может быть рассчитан по формуле:
Ip(max) 1Load (max) +
(Vin Vaut) ' to,
2L
где ta нут,
период времени, когда силовои ключ замк-
tan
Va,
1
Vin fasc
6. Выбор выходного конденсатора Сш. Ввиду того, что микросхема LM2576 является прямоходо-вым преобразователем с управлением по напряжению, его частотная характеристика без петли обратной связи имеет 2 полюса и 1 нуль. Полюсы частотной характеристики определяются значениями индуктивности и выходной емкости. Для стабильной работы и приемлемого значения пульсаций выходного напряжения (приблизительно 1% от номинального значения выходного напряжения) емкость выходного конденсатора необходимо выбирать в пределах от 680 мкФ до 2000 мкФ. Номинальное значение напряжения выходного конденсатора должно быть как минимум в 1,5 раза больше значения напряжения стабилизации ¥оШ.
Перед тем как внедрять данный преобразователь в электронный блок, авторы решили отмакети-ровать опытный образец и проверить его работу на
различных режимах. Вид макетной платы с импульсным стабилизатором напряжения приведен на рис.5. Собранный стабилизатор рассчитан на выходное напряжение 12 В и ток нагрузки 3А.
На вход стабилизатора было подано постоянное напряжение 24 В от источника питания, на выходе наблюдалось стабилизированное напряжение 12 В. К выходу была подключена переменная нагрузка и сняты осциллограммы напряжений на ограничительном диоде и пульсации выходного напряжения при значениях выходного тока 50% и 100% от максимального.
Рис.5. Макет импульсного стабилизатора
Осциллограммы были сняты с помощью цифрового осциллографа RIGOL DS1022 и показаны на рис.6.
Как видно из полученных осциллограмм, при неполной нагрузке на ограничительном диоде, а следовательно, и на входе индуктора, наблюдаются осцилляции входного напряжения. Эти осцилляции не влияют на значение выходного напряжения, а их появление объясняется несогласованностью импеданса LC фильтра с сопротивлением нагрузки. Уровень пульсаций выходного напряжения (0,5%), как видно из осциллограммы, не превышает заявленного производителем (1%). При полной нагрузке преобразователя осцилляции входного напряжения исчезают вследствие согласованности сопротивления нагрузки с импедансом LC фильтра. Уровень же пульсаций выходного напряжения немного возрастает (1,6%). Нагрева элементов схемы при продолжительной работе на 100% нагрузке не наблюдалось. Уровень излучаемых электромагнитных помех (EMI electromagnetic interferences) рядом с макетом на основной частоте 52 кГц составил -80 дБ/м.
Таким образом, в результате проведенного тестирования можно дать ряд рекомендаций по применению импульсных стабилизаторов напряжения.
При жестких требованиях к энергетическим показателям разрабатываемого электронного блока и необходимости реализации нескольких питающих напряжений из одного более высокого использование импульсного стабилизатора напряжения настоятельно рекомендуется.
Внешние элементы преобразователя рассчитываются на фиксированный выходной ток, поэтому его работа на переменную нагрузку нежелательна.
RIGOL STOP
f О 1.00K1U RIGOL STOP в
f О -316mU
JV
JV
Rise(l) =3 .SSSus PrdCl) = IS .60us
HUB la.auig
RIGOL STOP is
Time 5.000ns O*S0.00us HUDSO.OmU
I Time 10.00ns Oi0.0000s
a)
б)
f О 1.00mU RIGOL STOP в
J" О 516mU
Rise(l) <300 .0ns PrdCl) = IS .80us
HUB 10.0UI3
Time 5.000ns O*S0.00us
НЦШ 2ййг,1У
iTime 10.00ns Oi6.400us
в)
г)
Рис.6 Осциллограммы напряжений на импульсном преобразователе: а) осциллограмма напряжения на ограничительном диоде при 50% нагрузке; б) осциллограмма пульсаций выходного напряжения при 50% нагрузке; в) осциллограмма напряжения на ограничительном диоде при 100% нагрузке; г) осциллограмма пульсаций выходного напряжения при 100% нагрузке
При разработке топологии печатной платы импульсного стабилизатора напряжения необходимо навесные элементы располагать как можно ближе к выводам микросхемы LM2576. Длина печатных проводников, соединяющих элементы схемы, должна быть по возможности минимальной, чтобы снизить уровень электромагнитных помех. На печатной плате необходимо использовать одноточечную систему заземления или заземляющую плоскость, чтобы снизить вероятность образования паразитных высокочастотных контуров с замыканием на землю.
Если электронный блок содержит узлы, работающие с сигналами низкого уровня 50-100 мВ, то использовать импульсный преобразователь для питания такого блока не рекомендуется по двум причинам: уровень пульсаций выходного напряжения соизмерим с уровнем полезного сигнала, наличие электромагнитных помех за счет коммутации силового ключа.
Гудим А.С., Марущенко С.Г., Киба Д.А., Любушкина Н.Н. Модульная энергосберегающая система освещения [Электронный ресурс] // Дальневосточный энергопотребитель. 2014. №6. URL: http://dalenergy.ru/2014/12/23475/ (дата обращения 13.07.2017).
Гудим А.С., Марущенко С.Г., Романова Т.В. Пути снижения энергопотребления систем освещения общественных зданий // Электротехнические комплексы и системы управления. 2015. №1. С.53-59.
LM2576. 3.0 A, 15 V, Step-Down Switching Regulator. URL: http://www.onsemi.ru.com/ pub/ Collateral/ LM2576-D.PDF (дата обращения 09.07.2017).
References
Gudim A.S., Marushchenko S.G., Kiba D.A., Liubushkina N.N. Modul'naia energosberegaiushchaia sistema osve-shcheniia [Modular energy efficient lighting system]. Dal'nevostochnyi energopotrebitel', 2014, no. 6. Available at: http://dalenergy.ru/2014/12/23475/ (accessed 13.07.2017). Gudim A.S., Marushchenko S.G., Romanova T.V. Puti sniz-heniia energopotrebleniia sistem osveshcheniia obshchestven-nykh zdanii [The ways of reduction in energy consumption by lighting systems of public buildings]. Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy upravleniia, 2015, no. 1, pp. 53-59. LM2576. 3.0 A, 15 V, Step-Down Switching Regulator. Available at: http://www.onsemi.ru.com/ pub/ Collateral/ LM2576-D.PDF (accessed 09.07.2017).
2.
3.
2
3.
