CC BY
49Семейство импульсных стабилизаторов
Simple Switcher LM315x
Александр МАХЛИН Максим ДЕНИСОВ
Компания National Semiconductor хорошо известна многим разработчикам электронных устройств. В частности, в области производства компонентов для импульсных источников питания она уверенно занимает лидирующие позиции. В статье представлено описание ее новой разработки — серии микросхем LM315x, принадлежащих семейству Simple Switcher, а также специально созданной для подбора компонентов и расчета схемы импульсного стабилизатора напряжения программной среды New Power Webench.
Общее описание
Итак, серия микросхем LM315x включает в себя 10 ШИМ-контроллеров понижающих импульсных стабилизаторов, работающих при входном напряжении от 4,5 до 42 В. Максимальный рабочий ток для этого типа контроллеров — 12 А, а частота коммутации — до 1 МГц. Список контроллеров, входящих в состав серии LM315x, приведен в таблице.
Их основное отличие от других подобных разработок — это архитектура Constant On-Time и запатентованный фирмой National Semiconductor режим Emulated Ripple Mode control. Благодаря этим особенностям для микросхем серии LM315x необходимо минимальное количество внешних компонентов для построения полноценного источника питания. Необходимо добавить только 2 мощных транзистора MOSFET, индуктивность и конденсаторы в цепях питания. Схема такого устройства приведена на рис. 1. В случае использования настраиваемого контроллера LM3150 понадобится еще 3 резистора. Применение внешних транзисторов позволяет достичь больших токов нагрузки, чем при использовании стабилизаторов со встроенным транзистором, и большей эффектив-
Таблица. Характеристики микросхем серии LM315x
Контроллер Выходное напряжение, В Входное напряжение, В Частота коммутации, кГц
LM3150 Регулируемое от 0,6 42 Регулируемая до 1 МГц
LM3151-2.5 2,5 42 250
LM3151-3.3 3,3 42 250
LM3151-5.0 5 42 250
LM3152-2.5 2,5 33 500
LM3152-3.3 3,3 37 500
LM3152-5.0 5 42 500
LM3153-2.5 2,5 16 750
LM3153-3.3 3,3 22 750
LM3153-5.0 5 33 750
ности, благодаря возможностям оптимизации схемы средствами New Power Webench.
Архитектура Constant On-Time
Для того чтобы разобраться в особенностях этой архитектуры, рассмотрим сначала работу обычного понижающего импульсного стабилизатора напряжения на гистерезис-
ном компараторе. Его схема изображена на рис. 2.
Устройство представляет собой автоколебательную схему, выходной сигнал которой имеет 3 временных параметра: время Ton, когда транзистор открыт; время Toff, когда транзистор закрыт, и частоту коммутации f. Все эти три параметра являются функциями входного Vin и выходного Vout напряжений,
величины индуктивности, эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсатора, гистерезиса компаратора, задержки распространения и коэффициента обратной связи. При этом для надежной работы компаратора необходимо высокое ESR конденсатора. Допустим, выходное напряжение, гистерезис, задержка распространения и коэффициент обратной связи являются величинами постоянными. В этом случае необходимая частота коммутации будет обеспечена выбором номинала L индуктивности и ESR конденсатора с учетом предполагаемого входного напряжения. Таким образом, Vin остается единственной переменной величиной, которая может влиять на частоту коммутации, что заставляет ограничивать диапазон допустимых входных напряжений.
Стабилизатор с архитектурой Constant On-Time имеет схему, изображенную на рис. 3.
Данная схема отличается от предыдущей наличием ждущего мультивибратора в цепи управления затвором транзистора. Фронт импульса от компаратора запускает ждущий мультивибратор, и транзистор открывается. Через время Ton мультивибратор закрывает транзистор независимо от состояния компаратора в этот момент. Время задержки мультивибратора обратно пропорционально величине входного напряжения и не зависит от других параметров. Следовательно, при постоянном входном напряжении время Ton является постоянным и также не зависит от других параметров. Эта особенность и дала архитектуре название “Constant On-Time”. Время задержки ждущего мультивибратора Ton может быть изменено подбором номинала внешнего резистора Ron. Он является одним из основных частотозадающих элементов в автоколебательной схеме стабилизатора, поэтому частота коммутации можно рассчитать согласно следующей формуле:
Fsw = Vout/(KxRon).
В этой формуле все величины постоянные, поэтому архитектура Constant On-Time позволяет достичь относительной стабильности частоты коммутации в широком диапазоне входных напряжений. График, иллюстрирующий эту зависимость, показан на рис. 4.
450
3-
£
I 300 о
* 250
I200
^ 150-1-------Т------Т------Т------Т-----Т------Т------Т--------
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Входное напряжение, В
Рис. 4. График зависимости входного напряжения от частоты коммутации
Рис. 3. Схема стабилизатора с архитектурой Constant On-Time
Режим Emulated Ripple Mode
Все стабилизаторы на гистерезисном компараторе имеют одну особенность: сама их архитектура требует наличия пульсаций выходного напряжения, для того чтобы компаратор мог уверенно определять верхний и нижний пороговые уровни напряжения. Пульсирующий ток на катушке индуктивности создает пульсирующее напряжение на ESR конденсатора, которое и поступает в цепь обратной связи. Эта особенность создает ограничения при использовании таких стабилизаторов в устройствах, критичных к форме питающего напряжения. Графики, иллюстрирующие работу схемы, показаны на рис. 5.
Запатентованный компанией National Semiconductor режим Emulated Ripple Mode позволяет компаратору, входящему в состав контроллеров серии LM315x, стабильно переключаться при сверхнизком уровне пульсаций выходного напряжения. Это делает микросхемы серии LM315x пригодными для применения в устройствах, где предъявляются повышенные требования к форме питаю-
Рис. 5. Графики, иллюстрирующие работу схемы стабилизатора на гистерезисном компараторе
щего напряжения. Схема устройства показана на рис. 6.
Г** С* V*ftlc»l HjTO/Acq Irtg Ммрхе Mftfcs (Wh M*Scop* ЦЫНк (4*ф 3* C<* Vertlc«J Mgio/Acq Tng £*Ч^*У £ir*crt Mutgur* M*0* fcWb М*5сор* ЦМЬк ЦЦ>
Я,РМ5№5,,.......U.
н
LluL
Ch2 200raV \ •**
ІІЧ11ІІ
Cuisl Pot H.?mY
С ill s2 Pos ■18 4mY
VI 1 S2mV
V2 -18«niV 4V -336«V
СЛ2 20ЛГЯУ \ ь*
Cuisl Pos 9 2fflY
V1 92mv V2 -2 OmV AV -112mW
E
Рис. 7. Графики пульсаций: а) в обычном режиме; б) в режиме Emulated Ripple Mode
Благодаря режиму Emulated Ripple Mode становится возможным применение конденсаторов с низким ESR. В результате этого, кроме уменьшения амплитуды пульсаций выходного напряжения, меняется и их форма — с треугольной на синусоидальную. Это синусоидальное напряжение Vo поступает на вход (+) компаратора. Для того чтобы его переключения происходили стабильно, пороговое напряжение, поступающее на вход (-), меняется в противофазе с Vo. Для этого опорное напряжение Vref суммируется с напряжением, снятым с внутреннего сопротивления открытого канала транзистора — Rj, которое находится в противофазе с напряжением Vo. При сравнении компаратором противофазных сигналов достигается большая надежность переключений при малом уровне пульсаций выходного напряжения. Графики пуль-
саций в обычном режиме и в режиме Emulated Ripple Mode показаны на рис. 7.
Программное обеспечение New Power Webench
Кроме новой серии контроллеров семейства Simple Switcher компания National Semiconductor представила разработчикам Ton и обновленную версию своего программного продукта New Power Webench.
Данное программное обеспечение служит для разработки и комплексного проектирования импульсного источника питания. В программе New Power Webench реализованы все необходимые функции для построения источника питания, оптимизации его работы и подбора необходимых компонентов.
Программа выполнена в виде пошагового интерфейса (рис. 8). Сначала разработчику необходимо ввести исходные значения входных и выходных напряжений, токов нагрузки и теплового режима работы. Далее система сама предложит на выбор возможные к использованию контроллеры или регуляторы от National Semiconductor, выделяя рекомендуемые решения с максимально возможным КПД. Если в качестве основного элемента источника питания выбран ШИМ-контроллер без интегрированных ключевых элементов, система сама подберет из своей базы необходимые MOSFET-транзисторы и предоставит несколько вариантов, облегчив тем самым разработчику порой достаточно сложную задачу по правильному подбору ключевых элементов (рис. 9).
Также одной из интересных и полезных особенностей New Power Webench является возможность оптимизации полученной схемы с учетом требуемых размеров печатной платы и КПД источника, которая позволяет
Рис. 8. Пошаговый интерфейс New Power Webench
Рис. 9. Вариант подбора ключевых элементов
в наглядной форме вращением специального регулятора выбрать соотношение между КПД и требуемой площадью печатной платы. Здесь же можно посмотреть и сравнительные графики зависимостей КПД и рассеиваемой мощности от частоты коммутации, размеров платы и других параметров.
На следующем этапе можно смоделировать работу спроектированного источника питания и увидеть формы сигналов в разных точках схемы. Среда New Power Webench
позволяет смоделировать и просчитать температуры в ключевых точках схемы, на транзисторах, диодах, индуктивности и т. д., а также просчитать температурные характеристики при обдуве схемы с разных направлений.
В завершение разработки New Power We-bench составляет список компонентов, Gerber-файл, файл разводки печатной платы, схему и сопутствующую документацию, которые можно сразу загрузить с сайта компании National Semiconductor. Там же можно сразу
оформить on-line заказ на производство прототипа спроектированного источника питания, оплатить его и оформить доставку.
Таким образом, National Semiconductor предоставляет разработчикам возможность достаточно быстро спроектировать импульсный источник питания, подобрать все необходимые компоненты, подготовить документацию и даже заказать прототип. Все это позволяет существенно сократить время разработки и ускорить выход готового изделия на рынок. ■
