Работа практически любой электронной схемы требует наличия одного или нескольких источников постоянного напряжения, причем в подавляющем большинстве случаев используется стабилизированное напряжение. В стабилизированных источниках питания применяются либо линейные, либо импульсные стабилизаторы. Каждый тип преобразователей имеет свои достоинства и, соответственно, свою нишу в схемах электропитания. К несомненным достоинствам импульсных стабилизаторов относятся более высокие значения коэффициента полезного действия, возможность получения высоких значений выходного тока и высокая эффективность при большой разнице между значениями входного и выходного напряжений.

Принцип работы понижающего импульсного стабилизатора

На рисунке 1 представлена упрощенная схема силовой части ИПСН.

Рис. 1.

Полевой транзистор VT осуществляет высокочастотную коммутацию тока. В импульсных стабилизаторах транзистор работает в ключевом режиме, то есть может находиться в одном из двух стабильных состояний: полной проводимости и отсечки. Соответственно, работа ИПСН состоит из двух сменяющих друг друга фаз — фазы накачки энергии (когда транзистор VT открыт) и фазы разряда (когда транзистор закрыт). Работа ИПСН иллюстрируется рисунком 2.

Рис. 2. Принцип работы ИПСН: а) фаза накачки; б) фаза разряда; в) временные диаграммы

Фаза накачки энергии продолжается на протяжении интервала времени Т И. В это время ключ замкнут и проводит ток I VT . Далее ток проходит через дроссель L к нагрузке R, шунтированной выходным конденсатором C OUT . В первой части фазы конденсатор отдает ток I C в нагрузку, а во второй половине — отбирает часть тока I L от нагрузки. Величина тока I L непрерывно увеличивается, и происходит накопление энергии в дросселе L, а во второй части фазы — и на конденсаторе C OUT . Напряжение на диоде V D равно U IN (за вычетом падения напряжения на открытом транзисторе), и диод на протяжении этой фазы закрыт — ток через него не протекает. Ток I R , протекающий через нагрузку R, постоянен (разность I L — I C), соответственно, напряжение U OUT на выходе также постоянно.

Фаза разряда протекает в течение времени Т П: ключ разомкнут и ток через него не протекает. Известно, что ток, протекающий через дроссель, не может измениться мгновенно. Ток IL, постоянно уменьшаясь, протекает через нагрузку и замыкается через диод V D . В первой части этой фазы конденсатор C OUT продолжает накапливать энергию, отбирая часть тока I L от нагрузки. Во второй половине фазы разряда конденсатор тоже начинает отдавать ток в нагрузку. На протяжении этой фазы ток I R , протекающий через нагрузку, также постоянен. Следовательно, напряжение на выходе также стабильно.

Основные параметры

В первую очередь отметим, что по функциональному исполнению различают ИПСН с регулируемым и с фиксированным выходным напряжением. Типичные схемы включения обоих типов ИПСН представлены на рисунке 3. Различие между ними заключается в том, что в первом случае резисторный делитель, определяющий значение выходного напряжения, находится вне интегральной схемы, а во втором — внутри. Соответственно, в первом случае значение выходного напряжения задается пользователем, а во втором — устанавливается при изготовлении микросхемы.

Рис. 3. Типичная схема включения ИПСН: а) с регулируемым и б) с фиксированным выходным напряжением

К важнейшим параметрам ИПСН относят:

• Диапазон допустимых значений входного напряжения U IN_MIN …U IN_MAX .
• Максимальное значение выходного тока (тока в нагрузке) I OUT_MAX .
• Номинальное значение выходного напряжения U OUT (для ИПСН с фиксированным значением выходного напряжения) или диапазон значений выходного напряжения U OUT_MIN …U OUT_MAX (для ИПСН с регулируемым значением выходного напряжения). Часто в справочных материалах указывается, что максимальное значение выходного напряжения U OUT_MAX равно максимальному значению входного напряжения U IN_MAX . В действительности это не совсем так. В любом случае выходное напряжение меньше входного, как минимум, на величину падения напряжения на ключевом транзисторе U DROP . При значении выходного тока, равного, например, 3А, величина U DROP составит 0,1…1,0В (в зависимости от выбранной микросхемы ИПСН). Примерное равенство U OUT_MAX и U IN_MAX возможно только при очень малых значениях тока нагрузки. Отметим также, что и сам процесс стабилизации выходного напряжения предполагает потерю нескольких процентов входного напряжения. Декларируемое равенство U OUT_MAX и U IN_MAX следует понимать только в том смысле, что других причин снижения U OUT_MAX , кроме тех, что указаны выше в конкретном изделии, не существует (в частности, нет явных ограничений на максимальную величину коэффициента заполнения D). В качестве U OUT_MIN обычно указывают значение напряжения обратной связи U FB . В реальности U OUT_MIN всегда должно быть на несколько процентов выше (из тех же соображений стабилизации).
• Точность установления выходного напряжения. Задается в процентах. Имеет смысл только в случае ИПСН с фиксированным значением выходного напряжения, поскольку в этом случае резисторы делителя напряжения находятся внутри микросхемы, а их точность является параметром, контролируемым при изготовлении. В случае ИПСН с регулируемым значением выходного напряжения параметр теряет смысл, поскольку точность резисторов делителя выбирается пользователем. В этом случае можно говорить только о величине колебаний выходного напряжения относительно некоторого среднего значения (точность отработки сигнала обратной связи). Напомним, что в любом случае этот параметр для импульсных стабилизаторов напряжения в 3…5 раз хуже по сравнению с линейными стабилизаторами.
• Падение напряжения на открытом транзисторе R DS_ON . Как уже отмечалось, с этим параметром связано неизбежное уменьшение напряжения на выходе по отношению к входному напряжению. Но важнее другое- чем выше значение сопротивления открытого канала, тем большая часть энергии рассеивается в виде тепла. Для современных микросхем ИПСН хорошим значением являются величины до 300мОм. Более высокие значения характерны для микросхем, разработанных не менее чем пять лет назад. Заметим также, что значение R DS_ON не является константой, а зависит от величины выходного тока I OUT .
• Длительность рабочего цикла Т и частота коммутации F SW . Длительность рабочего цикла Т определяется как сумма интервалов Т И (длительность импульса) и Т П (длительность паузы). Соответственно, частота F SW — величина, обратная длительности рабочего цикла. Для некоторой части ИПСН частота коммутации — величина постоянная, определяемая внутренними элементами интегральной схемы. Для другой части ИПСН частота коммутации задается внешними элементами (как правило, внешней RC-цепью), в этом случае определяется диапазон допустимых частот F SW_MIN …F SW_MAX . Более высокая частота коммутации позволяет применять дроссели с меньшим значением индуктивности, что положительно сказывается и на габаритах изделия, и на его цене. В большинстве ИСПН используется ШИМ-регулирование, то есть величина Т постоянна, а в процессе стабилизации регулируется величина Т И. Существенно реже используется частотно-импульсная модуляция (ЧИМ-регулирование). В этом случае величина Т И постоянна, а стабилизация осуществляется за счет изменения длительности паузы Т П. Таким образом величины Т и, соответственно, F SW становятся переменными. В справочных материалах в этом случае, как правило, задается частота, соответствующая скважности, равной 2. Отметим, что следует отличать диапазон частот F SW_MIN …F SW_MAX регулируемой частоты от «ворот» допуска на фиксированную частоту, поскольку величина допуска часто указывается в справочных материалах производителя.
• Коэффициент заполнения D, который равен процентно
  му отношению Т И к Т. Часто в справочных материалах указывают «до 100%». Очевидно, что это преувеличение, поскольку если ключевой транзистор постоянно открыт, то отсутствует процесс стабилизации. В большинстве моделей, выпущенных на рынок примерно до 2005-го года, из-за ряда технологических ограничений значение этого коэффициента было ограничено сверху величиной 90%. В современных моделях ИПСН большая часть этих ограничений преодолена, но фразу «до 100%» не следует понимать дословно.
• Коэффициент полезного действия (или эффективность). Как известно, для линейных стабилизаторов (принципиально понижающих) это процентное отношение выходного напряжения ко входному, поскольку величины входного и выходного тока почти равны. Для импульсных стабилизаторов входной и выходной токи могут существенно отличаться, поэтому в качестве КПД берется процентное отношение выходной мощности ко входной. Строго говоря, для одной и той же микросхемы ИПСН значение этого коэффициента может существенно отличаться в зависимости от соотношения значений входного и выходного напряжения, величины тока в нагрузке и частоты коммутации. Для большинства ИПСН максимум КПД достигается при значении тока в нагрузке порядка 20…30% от максимально допустимого значения, поэтому численное значение не очень информативно. Целесообразнее пользоваться графиками зависимости, которые приводятся в справочных материалах производителя. На рисунке4 в качестве примера приведены графики эффективности для стабилизатора . Очевидно, что использование высоковольтного стабилизатора при невысоких реальных значениях входного напряжения не является хорошим решением, поскольку значение КПД существенно падает при приближении тока в нагрузке к максимальному значению. Вторая группа графиков иллюстрирует более предпочтительный режим, поскольку значение эффективности слабо зависит от колебаний выходного тока. Критерием правильного выбора преобразователя является даже не столько численное значение КПД, сколько именно плавность графика функции от тока в нагрузке (отсутствие «завала» в области больших токов).

Рис. 4.

Приведенным перечнем весь список параметров ИПСН не исчерпывается. С менее значимыми параметрами можно ознакомиться в литературе .

Специальные функции
импульсных стабилизаторов напряжения

В большинстве случаев ИПСН имеют ряд дополнительных функций, расширяющих возможности их практического применения. Наиболее часто встречаются следующие:

• Вход отключения нагрузки «On/Off» или «Shutdown» позволяет разомкнуть ключевой транзистор и, таким образом, отключить напряжение от нагрузки. Как правило, используется для дистанционного управления группой стабилизаторов, реализуя определенный алгоритм подачи и отключения отдельных напряжений в системе электропитания. Кроме того, может применяться как вход для аварийного выключения питания при нештатной ситуации.
• Выход нормального состояния «Power Good»- обобщающий выходной сигнал, подтверждающий, что ИПСН находится в нормальном рабочем состоянии. Активный уровень сигнала формируется после завершения переходных процессов от подачи входного напряжения и, как правило, используется или в качестве признака исправности ИПСН, или для запуска следующих ИСПН в последовательных системах электропитания. Причины, по которым этот сигнал может быть сброшен: падение входного напряжения ниже определенного уровня, выход выходного напряжения за определенные рамки, отключение нагрузки по сигналу Shutdown, превышение максимального значения тока в нагрузке (в частности, факт короткого замыкания), температурное отключение нагрузки и некоторые другие. Факторы, которые учитываются при формировании этого сигнала, зависят от конкретной модели ИПСН.
• Вывод внешней синхронизации «Sync» обеспечивает возможность синхронизации внутреннего генератора с внешним синхросигналом. Используется для организации совместной синхронизации нескольких стабилизаторов в сложных системах электропитания. Отметим, что частота внешнего синхросигнала не обязательно должна совпадать с собственной частотой FSW, однако, она должна лежать в допустимых пределах, оговоренных в материалах производителя.
• Функция плавного старта «Soft Start» обеспечивает относительно медленное нарастание выходного напряжения при подаче напряжения на вход ИПСН или при включении по заднему фронту сигнала Shutdown. Данная функция позволяет снизить броски тока в нагрузке при включении микросхемы. Параметры работы схемы плавного старта чаще всего являются фиксированными и определяются внутренними компонентами стабилизатора. В некоторых моделях ИПСН присутствует специальный вывод Soft Start. В этом случае параметры запуска определяются номиналами внешних элементов (резистор, конденсатор, RC-цепь), подключенных к данному выводу.
• Температурная защита предназначена для предотвращения выхода из строя микросхемы в случае перегрева кристалла. Повышение температуры кристалла (независимо от причины) выше определенного уровня вызывает срабатывание защитного механизма — снижение тока в нагрузке или ее полное отключение. Это предотвращает дальнейшее повышение температуры кристалла и повреждение микросхемы. Возврат схемы в режим стабилизации напряжения возможен только после остывания микросхемы. Отметим, что температурная защита реализована в подавляющем большинстве современных микросхем ИПСН, однако отдельная индикация именно этого состояния не предусмотрена. Инженеру предстоит самому догадаться, что причиной отключения нагрузки является именно срабатывание температурной защиты.
• Защита по току заключается либо в ограничении величины тока, протекающего через нагрузку, либо в отключении нагрузки. Защита срабатывает, если сопротивление нагрузки оказывается слишком малым (например, имеет место короткое замыкание), а ток превышает определенное пороговое значение, что может привести к выходу микросхемы из строя. Как и в предыдущем случае, диагностика этого состояния является заботой инженера.

Последнее замечание, касающееся параметров и функций ИПСН. На рисунках 1 и 2 присутствует разрядный диод V D . В довольно старых стабилизаторах этот диод реализован именно как внешний кремниевый. Недостатком такого схемотехнического решения было высокое падение напряжения (примерно 0,6 В) на диоде в открытом состоянии. В более поздних схемах использовался диод Шоттки, падение напряжения на котором составляло примерно 0,3 В. В разработках последних пяти лет эти решения используются только для высоковольтных преобразователей. В большинстве современных изделий разрядный диод выполняется в виде внутреннего полевого транзистора, работающего в противофазе с ключевым транзистором. В этом случае падение напряжения определяется сопротивлением открытого канала и при небольших токах нагрузки дает дополнительный выигрыш. Стабилизаторы, использующие это схемотехническое решение, называются синхронными. Обратим внимание, что возможность работы от внешнего синхросигнала и термин «синхронный» не связаны никаким образом.

с малым входным напряжением

Учитывая тот факт, что в номенклатуре STMicroelectronics присутствует примерно 70 типов ИПСН с встроенным ключевым транзистором, имеет смысл систематизировать все многообразие. Если в качестве критерия взять такой параметр, как максимальное значение входного напряжения, то можно выделить четыре группы:

1. ИПСН с малым входным напряжением (6 В и менее);

2. ИПСН с входным напряжением 10…28 В;

3. ИПСН с входным напряжением 36…38 В;

4. ИПСН с высоким входным напряжением (46 В и выше).

Параметры стабилизаторов первой группы приведены в таблице 1.

Таблица 1. ИПСН с малым входным напряжением

Еще в 2005 году линейка стабилизаторов этого типа была неполной. Она ограничивалась микросхемами . Эти микросхемы обладали хорошими характеристиками: высокой точностью и КПД, отсутствием ограничений на значение коэффициента заполнения, возможностью регулировки частоты при работе от внешнего синхросигнала, приемлемым значением R DSON . Все это делает данные изделия востребованными и в настоящее время. Существенный недостаток — невысокие значения максимального выходного тока. Стабилизаторы на токи нагрузки от 1 А и выше в линейке низковольтных ИПСН компании STMicroelectronics отсутствовали. В дальнейшем этот пробел был ликвидирован: сначала появились стабилизаторы на 1,5 и 2 А ( и ), а в последние годы — на 3 и 4 А ( , и ). Кроме повышения выходного тока, увеличилась частота коммутации, снизилось значение сопротивления открытого канала, что положительно сказалось на потребительских свойствах конечных изделий. Отметим также появление микросхем ИПСН с фиксированным выходным напряжением ( и ) — в линейке STMicroelectronics таких изделий не очень много. Последняя новинка — со значением RDSON в 35 мОм — это один из лучших показателей в отрасли, что в сочетании с широкими функциональными возможностями обещает этому изделию хорошие перспективы.

Основная область применения изделий данного типа — мобильные устройства с батарейным питанием. Широкий диапазон входного напряжения обеспечивает устойчивую работу аппаратуры при различных уровнях заряда аккумуляторной батареи, а высокий КПД минимизирует преобразование входной энергии в тепло. Последнее обстоятельство определяет преимущества импульсных стабилизаторов по сравнению с линейными именно в этой области пользовательских приложений.

В целом, данная группа у компании STMicroelectronics развивается достаточно динамично — примерно половина всей линейки появилась на рынке в последние 3-4 года.

Импульсные понижающие стабилизаторы
с входным напряжением 10…28 В

Параметры преобразователей этой группы приведены в таблице 2.

Таблица 2. ИПСН со входным напряжением 10…28 В

Восемь лет назад данная группа была представлена только микросхемами , и с входным напряжением до 11 В. Диапазон от 16 до 28 В оставался не заполненным. Из всех перечисленных модификаций в настоящее время в линейке присутствует только , но параметры этого ИПСН современным требованиям соответствуют слабо. Можно считать, что за это время номенклатура рассматриваемой группы обновлена полностью.

В настоящее время база данной группы — микросхемы . Данная линейка рассчитана на весь диапазон токов нагрузки от 0,7 до 4 А, обеспечивает полный комплект специальных функций, частота коммутации регулируется в достаточно широких пределах, отсутствуют ограничения на значение коэффициента заполнения, значения КПД и сопротивления открытого канала отвечают современным требованиям. Существенных минусов в данной серии два. Во-первых, отсутствует встроенный разрядный диод (кроме микросхем с суффиксом D). Точность регулирования выходного напряжения достаточно высока (2%), но наличие трех и более внешних элементов в цепи компенсации обратной связи нельзя отнести к достоинствам. Микросхемы и отличаются от серии L598x только иным диапазоном входных напряжений, но схемотехника, а, следовательно, достоинства и недостатки аналогичны семейству L598x. В качестве примера на рисунке 5 представлена типовая схема включения трехамперной микросхемы . Присутствует и разрядный диод D, и элементы цепи компенсации R4, C4 и C5. Входы F SW и SYNCH остаются свободными, следовательно, преобразователь работает от внутреннего генератора с частотой F SW , заданной по умолчанию.

Здравствуйте. Предлагаю вниманию обзор интегрального линейного регулируемого стабилизатора напряжения (или тока) LM317 по цене 18 центов за штуку. В местном магазине такой стабилизатор стоит на порядок больше, поэтому меня и заинтересовал этот лот. Решил проверить, что продаётся по такой цене и оказалось, что стабилизатор вполне качественный, но об этом ниже.
В обзоре тестирование в режиме стабилизатора напряжения и тока, а также проверка защиты от перегрева.
Заинтересовавшихся прошу…

Немного теории:

Герой обзора:

Тестирование:
Подобные стабилизаторы выпускаются многими производителями, вот .
Расположение ножек следующее:
1 - регулировка;
2 - выход;
3 - вход.
Собираем простейший стабилизатор напряжения по схеме из руководства:


Вот что удалось получить при 3 положениях переменного резистора:
Результаты, прямо скажем так, не очень. Стабилизатором это назвать язык не поворачивается.
Далее я нагрузил стабилизатор 25 Омным резистором и картина полностью преобразилась:

Далее я решил проверить зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, для чего задал входное напряжения 15В, подстроечным резистором выставил выходное напряжение около 5В, и выход нагрузил переменным 100 Омным проволочным резистором. Вот что получилось:
Ток более 0,8А получить не удалось, т.к. начало падать входное напряжение (БП слабый). В результате этого тестирования, стабилизатор с радиатором нагрелся до 65 градусов:

Для проверки работы стабилизатора тока, была собрана следующая схема:


Вместо переменного резистора я использовал постоянный, вот результаты тестирования:
Стабилизация по току тоже хорошая.
Ну и как обзор может быть без сжигания героя? Для этого я собрал снова стабилизатор напряжения, на вход подал 15В, выход настроил на 5В, т.е. на стабилизаторе упало 10В, и нагрузил на 0,8А, т.е. на стабилизаторе выделялось 8Вт мощности. Радиатор убрал.
Результат продемонстрировал на следующем видео:

Итог:

На сём разрешите откланяться, удачи!

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.