Источники малого напряжения из стандартных стабилизаторов - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

483
Источники малого напряжения из стандартных стабилизаторов

На практике иногда возникает необходимость иметь простой источник напряжения с приемлемым высоким уровнем выходного тока и низкими уровнями выходного напряжения, близкими к 0 В и к тому же с возможностью их регулировки и калибровки для достижения приемлемой погрешности. Использование интегральных стабилизаторов напряжения с возможностью задания выходного напряжения не решает эту проблему, так как их минимальное выходное напряжение не может быть меньше напряжения их внутреннего источника опорного напряжения и, как правило, находится на уровне выше 1.25 В.

В своей инженерной практике в первой декаде 2000-х автору статьи пришлось решать простую на первый взгляд задачу – для нестандартного измерительного оборудования потребовался источник напряжения, имитирующий гальванический элемент типа АА. Если бы проблема ограничивалась «свежей» батарейкой, то это не была бы проблема. Достаточно было бы взять популярную микросхему линейного стабилизатора напряжения, например, такую как, например, LM317T[1] или ей подобную и включить ее по типовой схеме, приведенной на рис.1.

Регулируемый линейный стабилизатор положительного напряжения на ИМС LM317, которая коммерчески доступна от множества компаний-производителей. Описание такого стабилизатора приведено в [2] и его применение не представляет сложности.

Упрощенная формула для расчета выходного напряжения

 

VOUT= VREF • (1+R2/R1).

 

И здесь мы видим, что даже в случае, если R2 = 0 Ом, выходное напряжение не будет меньше VREF, то есть, для LM317Tоно будет в пределах (1.2 - 1.3) В. Автор статьи в [3] предложил выход в виде схемы, показанной на рис.2, где показан регулируемый источник напряжения от 0 до 3 В с калибровкой и термокомпенсацией.

Необходимое смещение выполнено с использованием простого температурно-стабилизированного источника постоянного тока. Нужное выходное напряжение устанавливается резистором R2. Это напряжение должно быть установлено равнымVREF для его компенсации (подробно см. [3]). В рассматриваем случае выходное напряжение будет равно:

 

VOUT= VREF• R2/R1.

 

Достоинства этого решения вполне очевидны, а к недостаткам можно отнести наличие напряжения отрицательной полярности, малый КПД и, в ряде случаев, радиатор. Свободным от этих недостатков является более «современное» решение, представлено в [4], однако в его описании имеется ряд неточности, которые в настоящей статье будут исправлены.

В течение многих лет импульсные стабилизаторы имели напряжение обратной связи примерно 1.2 В. Это напряжение генерировалось с помощью внутреннего источника опорного напряжения (ИОН), которое, как и в первом рассмотренном случае, определяло наименьшее напряжение, которое можно было установить с помощью внешнего резистивного делителя. К настоящему времени, большинство современных контроллеров импульсных понижающих преобразователей позволяют создавать схемы с выходным напряжением 0.8, 0.6, или даже 0.5 В. На рис.3 показана типовая схема DC/DC-преобразователя выполненного на ИМС контроллера LTC3822 [5]. Его выходное напряжение вычисляется по формуле:

 

VOUT= VREF • (1+RB/RA).

 

Поскольку внутренний ИОН LTC3822 имеет типовое напряжение VREF= 0.6 В, то соответственно и выходное напряжение схемы не может быть менее 0.6 В. Так что если вам требуется напряжение питания менее 0.6 В, то схему, показанную на рис.3, использовать напрямую не получится.

Заставляет импульсный понижающий стабилизатор (DC/DC-преобразователь) генерировать более низкие напряжения, чем напряжение сравнения по обратной связи еще одно положительное напряжение питания, подключенное к резистивному делителю (рис.4). Именно с помощью этой небольшой уловки вы можете сделать так, чтобы этот DC/DC-преобразователь генерировал более низкие напряжения, чем напряжение обратной связи.

Необходимое положительное напряжение может быть получено от дополнительного линейного стабилизатора напряжения малой мощности или внешнего ИОН. Таким образом, резистивный делитель образует делитель напряжения, в котором кроме основного тока протекает компенсирующий ток в направлении, противоположном тому который имеет место на рис.3 через резисторы обратной связи. Этот компенсирующий ток течет от внешнего опорного напряжения через резистивный делитель к входу подключения обратной связи по выходному напряжению и «обманывает» его.

Ниже приведенное уравнение показывает взаимосвязь между напряжением обратной связи LTC3822 (VFB), желаемым выходным напряжением (VOUT), дополнительным положительным напряжением смещения постоянного тока (VOFFSET) и резисторами резистивного делителя R1 и R2:

 

Form1

 

Рекомендуемые значения для резистивного делителя (суммарное значение R1 плюс R2) от 100 до 50 кОм. Это позволяет поддерживать ток смещения достаточно низким, с точки зрения энергоэффективности, но достаточно высоким, чтобы предотвратить чрезмерное влияние шумов на чувствительный тракт обратной связи.

Эта концепция обычно хорошо работает для генерации напряжения ниже указанного минимального напряжения DC/DC-преобразователя и ряда линейных стабилизаторов напряжения с дополнительным входом организации петли обратной связи. Однако следует учитывать несколько моментов.

Дополнительное опорное напряжение должно быть подано еще до того, как DC/DC-преобразователь будет включен. Если это вспомогательное напряжение равно 0 В или имеет высокий импеданс, то преобразователь начнет генерировать слишком высокое напряжение, которое может повредить цепь нагрузки.

В худшем случае, когда импульсный стабилизатор еще не включен, но вспомогательное напряжение уже подано, ток IFB через резистивный делитель будет заряжать выходной конденсатор до напряжений, превышающих установленное напряжение. Это может произойти, когда нагрузка имеет очень высокий импеданс. Соответственно, для того чтобы избежать этой ситуации, может потребоваться установка минимальной нагрузки. Точность вспомогательного напряжения на резистивном делителе напрямую влияет на точность установки выходного напряжения. Таким образом, следует использовать напряжение с низким уровнем пульсаций и шума.

К тому же не каждый преобразователь напряжения подходит для такого типа работы. Например, диапазон измерения токового усилителя в преобразователе постоянного тока может обеспечивать только рабочий диапазон при более высоких напряжениях. Следует также отметить, что для генерации очень низких напряжений при достаточно высоких входных напряжениях требуется короткий рабочий цикл. Здесь может оказаться полезным выбрать ИМС импульсного стабилизатора с коротким минимальным временем включения и возможности использования ее на низкой частоте преобразования.

Для работы импульсного стабилизатора с более низким выходным напряжением, чем это предусмотрено его производителем, полезна первоначальная проверка решения с помощью инструмента моделирования, такого как LTspice от Analog Devices. На рис.5 показано моделирование DС/DС-преобразователя на контроллере LTC3822 с дополнительным источником напряжения в качестве смещения для цепи обратной связи. В этой схеме генерируется выходное напряжение 200 мВ.

Согласно спецификации, LTC3822 подходит для генерирования минимального выходного напряжения 0.6 В. В схеме показанной на рис.6, вспомогательное напряжение источника V2, может быть реализован с помощью дополнительного линейного стабилизатора или ИОН.

С помощью описанного подхода, но только при тщательном тестировании схемы можно генерировать еще более низкие выходные напряжения в условиях больших токов нагрузки.

 

Заключение

Решение, приведенное на рис.2, проще и дешевле, отличается хорошей температурной стабильностью, легко масштабируется по току, не ограничено по минимальному напряжению, но требует дополнительного источника напряжения и в ряде приложений – радиатора. Кроме того, оно занимает относительно большую площадь.

Решение, приведенное на рис.4 существенно дороже, требует тщательной проверки, определенного порядка включения, ограничено в части диапазона выходного напряжения, но оно не требует источника напряжения отрицательной полярности и гораздо эффективнее при больших токах нагрузки и большой разнице входного и выходного напряжений.

Однако здесь не так просто реализовать регулировку выходного напряжения и желательно иметь защиту нагрузки от недопустимо высокого напряжения. Что касается ограничения тока, то её обеспечит сам контроллер LTC3822, причем без внешнего датчика тока, в чем заключается одно из его неоспоримых достоинств. При соответствуем выборе внешнего ИОН, данное решение будет отличаться очень высокой температурной стабильностью. Если требуется прецизионная установка выходного напряжения, то оба решение будут требовать начальной калибровки.

Упростить решение, показанное на рис.4 можно используя тот же подход, который был использован автором для схемы, показанной на рис.2. То есть, здесь также можно использовать стабилизатор тока, нагруженный на резистор, на котором создается необходимое компенсирующее падение напряжения. При этом ток, генерируемый стабилизатором тока, должен как минимум в пять раз превышать собственный ток делителя R1, R2, что не составит большого труда. В этом случае решение будет иметь и удобную регулировку, и приемлемую температурную стабильность.

Как можно видеть оба предложенных решения имеют свои достоинства и недостатки, но они могут с успехом быть использованы в том или ином конкретном конечном приложении.

 

Литература:

1. LM317, NCV317 Voltage Regulator -Adjustable Output, Positive 1.5 A. Semiconductor Components Industries, LLC, October, 2019 − Rev. 16 // https://www.onsemi.com/pub/Collateral/LM317-D.PDF

2. Рентюк В. Низковольтный стабилизатор напряжения // Радиоаматор. −2010. −№2.

3. Рентюк В. Регулируемый источник напряжения (0-3) В // Электрик. −2011. −№9.

4. Frederik Dostal. RAQ Issue 181: Generating Very Low Voltages with Standard Regulators. // https://www.analog.com/media/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-181.pdf

5. LTC3822 No RSENSE™, Low Input Voltage, Synchronous Step-Down DC/DC Controller // https://www.analog.com/ru/products/ltc3822.html

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus