効率を高めたスイッチング電圧安定器。スキーム、説明

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効率を高めたスイッチング電圧安定器

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この記事では、特殊な UC3843 マイクロ回路で作られた、高効率の強力なスイッチングレギュレータについて説明します。このデバイスには過電流保護機能があります。

電源の効率向上の問題は、低出力電圧 (3 ～ 5V) の高出力コンバータに特に関係します。この問題は、特殊な制御マイクロ回路という現代の外来要素を使用して解決されました。電圧降下と回復時間が低いダイオード。オン抵抗の低い電界効果トランジスタを採用。

この図は、過電流保護機能を備えた強力なスイッチング電圧レギュレータの図を示しています。

効率を高めたスイッチング電圧安定器

主な技術的特徴

入力電圧、V ...... 8 ... 16
出力電圧、V ..... 5
最大負荷電流、A .... 10
出力電圧リップル振幅、mV、100以下
入力電圧、負荷電流、周囲温度の変化に伴う出力電圧の公称値からの不安定性 (%)......2
周囲動作温度範囲、°С......-10 ... + 70
変換周波数、kHz ...... 100
入力電圧変動全範囲にわたる最大負荷電流における効率の平均値、%......90

スタビライザは、UNITRODE CORP の UC3843 制御チップを使用します (詳細については、書籍「Integrated Circuits: Microcircuits for Switching Power Supplies and Their Applications」を参照してください。-M .: DODEKA. 1997)。ここでは、スタビライザーの動作に関係するノードの主な機能についてのみ説明します。

UC3843 マイクロ回路にはスタートアップノードが組み込まれており、電源電圧が 7,5 ～ 8 V (ピン 7) を超えると、すべてのノードがスタンバイモードから動作状態に切り替わります。この場合、例示的な電圧源 (ピン 8) は 5 V の安定化電圧を生成し、マスター発振器 (ピン 4) は鋸歯状電圧を生成します。その周波数と立ち上がり時間と立ち下がり時間の比率は、要素 R3 と C10 の定格によって決まります。出力の強力なバッファアンプ (ピン 6) は、マイクロ回路の電源電圧よりわずかに小さい振幅を持つ方形の制御電圧を生成します。その周波数、パルス幅、休止時間は、マスターオシレーターのノコギリ波電圧の同様のパラメーターと一致します。

制御チップは、出力電圧を安定させるためのパルス幅方式を実装しています。これを行うために、OS 上に比較ノードが含まれています。基準電圧 (2.5 V) の一部が一方の入力に供給され、抵抗分圧器 R1R4 からの出力の一部がもう一方の入力に供給されます。要素 R2C8 - このアンプの補正回路。レギュレーション中、マイクロ回路のピン 2 の電圧が 2,5 V を超えるとすぐに、出力パルスの持続時間は元のパルスに比べて減少し始めます。パルスの周波数は一定のままです。

スタビライザーを過電流から保護するために、超小型回路に高速コンパレーターが設けられています。内蔵電源からの例示的な 1 V の電圧が入力の一方に印加され、オープントランジスタ VT3 を流れる電流に比例する電圧がもう一方 (ピン 2) に印加されます。この電圧は変流器 T1 を形成し、その一次巻線はトランジスタ VT2 と直列に接続されます。開いているとき。電流は変圧器の二次巻線、ダイオードVD1、抵抗R5を流れます。これは一次巻線の電流のk分の1です。ここで、k \u1d wp / w5は変圧比T2です。したがって、抵抗器Ｒ５に電圧が形成され、トランジスタＶＴ２の電流の形状が正確に繰り返される。各瞬間の瞬時値は次の式から決定されます: Ur5 = lvT2・R5/k。

各期間の開始時に、マイクロ回路の制御出力電圧によりトランジスタ VT2 が開き、ピン 3 の電圧が 1 V に達すると強制的に閉じられます。スタビライザの過負荷中、このプロセスは周期ごとに発生するため、トランジスタ VT2 を流れる電流の増加が防止されます。したがって、負荷を介して。

IRF4905 - INTERNATIONAL RECTIFIER の p チャネル電界効果トランジスタ。開放抵抗は約20mΩです。開閉の遅れは 0,1 μs 未満です。このような特性は、ゲート-ソース間およびゲート-ドレイン間容量に大きな(数A)再充電電流を供給する強力なパルスアンプから制御された場合にのみ得られます。検討中の電圧レギュレータでは、このアンプはマイクロアセンブリトランジスタ VT1.1、VT1.2 で作られています。さらに、マイクロ回路によって生成された制御信号を反転します。

出力平滑フィルタはコンデンサ C12 ～ C17 で構成されます。それらの数 (XNUMX つ) とタイプの選択は、追加の高周波フィルターなしで出力電圧の高品質フィルター処理を行うのに十分です。

入力 U 字型フィルターは、スタビライザーによって消費される電流のパルス状の性質によって発生する高周波干渉を抑制するために必要です。

VD2に電圧降下が低く、リカバリタイムが約0,05μsのショットキーダイオードを採用することで、スタビライザの効率を高めながらスイッチング損失を低減することが可能になりました。

この装置は、巻線を除いて標準的な要素で作られています。インダクタ L1 は、パーマロイ MP 10 で作られた K6x4.5x140 リングに巻かれており、5 本のワイヤ PEV 6 に 0,5 回巻かれています。リングの全周に均等に配置されます。チョーク L2 は同じ材質の K19X11x4,8 リングで作られており、同じ直径の 12 本のワイヤーが 10 回巻かれています。トランス T1 はフェライト 1NM6 製の K2000x1x0.2 リングに巻かれています。二次巻線 wn は PEV 200 ワイヤで作られ、リングの全周に均等に巻かれた 2 ターンが含まれています。一次巻線はリングの穴を通過するワイヤであり、その端はそれぞれコンデンサC7〜C2の正端子とトランジスタVTXNUMXのソースに接続されています。変圧器を接続するときは、巻線の正しい位相を注意深く観察する必要があります。

高周波干渉を高品質にフィルタリングするには、NEC、ニチコン、TDKなどのパッケージD（表面実装用コンデンサ）のリードレスタンタルコンデンサ（C1～C7、C12～C17）が使用されており、国産では酸化物コンデンサK53-28、K53-25、K53-22が適しています。確かに、最後の XNUMX 種類のコンデンサは、取り付け後に密閉する必要があります。

もちろん、取り付けが高品質であれば、スタビライザーを調整する必要はありません。 DA1マイクロ回路の動作の特徴には、2未満の制御パルスのデューティ・サイクル、つまり低電源電圧での動作が「好まない」という事実が含まれます。これは、隣接する周期のパルスのペアが、与えられた電源電圧に対して異なるが一定の持続時間を有するという事実で明らかです。実際、これは、出力電圧リップルの形状が、ある周波数で別のエンベロープを受けることを意味します。

マスターオシレーターの半分の周波数。この機能は、3 ... 4 kOhmの抵抗を持つ抵抗器と0,1 ... 2 pFの容量を持つコンデンサからなる直列回路超小型回路の端子1000と10000の間に接続することによって取り除くことができます。ただし、これらの「寄生」発振の周波数は高く、実際には出力電圧リップルの振幅を増加させることはなく、スタビライザー全体の動的特性に影響を与えることはありません。

スイッチングレギュレータは、短くて幅の広い導体を備えたプリント基板に取り付ける必要があります。サイズが小さいほど、誘発される干渉は少なくなり、デバイス全体の安定性が大きく決まります。トランジスタ VT2 とダイオード VD2 は、有効表面積が少なくとも 100 cm2 のヒートシンク上に設置され、誘導干渉を減らすために、これらの要素は絶縁スペーサーを介して設置する必要があり、ヒートシンク自体はマイナス側に電気的に接続されています。コンデンサC2〜C7の端子。図によるとインダクタ１２の右側の出力はコンデンサＣ１２の正の出力に接続され、図によると右側の抵抗器Ｒ４の出力はコンデンサＣ１７の正の出力に接続されるべきである。また、出力電圧を負荷に供給します。スタビライザーのレイアウトは、サイズ 12x12 mm、厚さ 4 mm の両面プリント基板上に作成されました。ボードの上側にはチョーク、トランス、マイクロ回路などの「高」要素があり、「下」側にはフィルタリングタンタルコンデンサ、VT17トランジスタアセンブリ、VT60トランジスタ、および外側にフランジが付いたVD90ダイオードがあります。。周囲に等間隔に配置された 2 つの穴を通して、ボードはボードと同じサイズで厚さ 1 mm のアルミニウムヒートシンクプレートにネジで固定されます。その結果、厚さ2mmのフラットなデザインが実現しました。効果的な冷却を実現するために、スタビライザーは垂直に取り付けられています。

著者: A.Mironov、リュベルツイ、モスクワ地方

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