Простой ключевой предрегулятор напряжения на оптодрайвере

Предрегулятор напряжения (далее по тексту - ПРН) предназначен для предварительного синхронного ключевого регулирования напряжения на входе регулируемого аналогового стабилизатора (далее по тексту - РАС) с целью улучшения энергоэффективности РАС за счет существенного повышения его КПД путем синхронного изменения входного и выходного напряжения с целью удержания фиксированного значения напряжения на регулирующем элементе РАС при любых значениях выходного напряжения и тока. Синхронность изменения напряжения на выходе и входе РАС достигается путем отслеживания падения напряжения на регулирующем элементе (далее по тексту - РЭ) РАС, в качестве которого обычно используются мощные полевые (ПТ), биполярные (БТ) транзисторы, или составные группы транзисторов. В результате синхронного изменения выходного и входного напряжения РАС, падение напряжения на РЭ всегда - фиксированное, в результате чего при различных значениях выходного напряжения, изменение значения мощности рассеивания на РЭ будет определяться только изменением тока нагрузки РАС. При этом становится оправданным применение интегральных регулируемых стабилизаторов (ИРС) с прекрасными эксплуатационными параметрами, но малой допустимой мощностью рассеяния, ограничивающей применение ИРС в режиме номинальных параметров по току и напряжению из-за риска превышения максимальной мощности. При совместном использовании ПРН и ИРС этот риск сводится к минимуму. Более того, схемотехника ИРС позволяет в связке с ПРН строить регулируемые стабилизаторы с входными и выходными значениями напряжений, превышающими стандартные для отдельно взятых ИРС, полностью реализуя потенциал последних . Это становится возможным из-за того, что значение напряжения между электродами ADJ-OUT практически не меняется при регулировке выходного напряжения, являясь опорным, а благодаря ПРН, остается фиксированным и между электродами IN-OUT. Большая часть выходного напряжения приложена к переменному управляющему резистору, включенному между ADJ и общим (минусовым) проводом схемы.

Функционально и схемотехнически ключевые ПРН обычно достаточно просты и состоят из трех основных узлов: 1. компаратор (или иное пороговое устройство), отслеживающий значение падения напряжения на входе-выходе РЭ; 2. драйвер ключа, формирующий сигнал управления мощным ключом; 3. собственно мощный ключ, коммутирующий напряжение на входе РАС в соответствии с состоянием компаратора (рис.1а). Зачастую вместо компараторов или в связке с ними для упрощения схемы слежения за падением напряжения на РЭ используют оптопары (рис.1б), практически снимающие проблемы преобразования уровня (что важно для схем с высокими значениями напряжений). Но, т.к. современные интегральные драйверы мощных ключей имеют собственные входные формирователи импульсов (в виде триггера Шмитта, например) в большинстве случаев, то и наличие дополнительного компаратора можно признать лишним, соединив выход оптопары непосредственно со входом драйвера. В данном же случае ПРН собран на драйвере HPCL3120, который, имея встроенную оптопару, становится самодостаточным монолитным устройством, замещая функции трех устройств. Сам оптодрайвер (ОД) HPCL3120 предназначен для импульсного управления одиночными мощными полевыми транзисторами с возможностью оптической развязки уровней управляющих сигналов.

В схеме на рис.2 светодиод драйвера контролирует падение напряжения на РЭ РАС. Пока напряжение на РЭ не достигло контрольного значения и светодиод ОД VO1 погашен, на выходе ОД присутствует низкий логический уровень, транзисторы Q2, Q3 заперты, а транзистор Q1 достаточно быстро после подачи входного напряжения Vin отпирается напряжением, подаваемым на его затвор с выхода стабилизатора (+15,6В) схемы управления (Q4, R6, VZ1) через резистор R7, диод D2, резистор R1. Цепь РАС- нагрузка-дроссель (L1) так же принимают участие в отпирании Q1, вызывая рост напряжения на входе РАС до момента входа РАС в режим стабилизации выходного напряжения/тока. Как только на нагрузке устанавливаются заданные значения напряжения/тока, а падение напряжения на РЭ достигает достаточного для нормальной работы РАС уровня, светодиод ОД зажигается, определяя появление высокого уровня на выходе ОД. Высоким уровнем на выходе ОД отпираются транзисторы Q2, Q3, открытым каналом последнего шунтируется затвор Q1, который запирается, прекращая ток цепи L1-РАС-нагрузка. Диод D1 выполняет защитные функции, предотвращая попадание избыточного обратного напряжения на затвор Q1 при открытии канала Q3 (этот транзистор необходим в качестве инвертирующего элемента и преобразования уровня в управлении транзистором Q1). Q2 выполняет в данном случае роль активного демпфера, поглощая паразитные выбросы напряжения, образованные индуктивностью дросселя при коммутации силовым ключом на транзисторе Q1. Состояние ключей Q1-Q3 остается неизменным до момента спада напряжения на РЭ РАС до значения, прекращающего ток свечения светодиода ОД. Время свечения в данном случае будет определяться количеством запасенной энергии в системе L1, C6, входным напряжением Vin, мощностью нагрузки, выбранными режимами работы светодиода. После гашения светодиода, на выходе ОД вновь появляется низкий уровень и цикл работы всей этой релаксационной системы продолжается с изменением частоты генерации и ширины импульсов в зависимости от изменения мощности нагрузки и входного напряжения.  Т.к. ОД не содержит встроенного формирователя импульсов, обладающего гистерезисом, в схему ПРН введена ПОС посредством установки резистора R5 в цепь питания светодиода оптопары, создающая гистерезис, необходимый для работы ПРН.

Схема ПРН на рис.2 была смонтирована на перфорированной макетной плате размером 60Х40мм для проверки с первым попавшимся регулируемым стабилизатором. Силовые транзисторы (Q1, Q2) были смонтированы на этой же плате с приклеенными к их корпусам небольшими (от микросхем видеопамяти) радиаторами. Для подключения сменных дросселей (в качестве L1) на плату была установлена клеммная колодка(исполненная для печатного монтажа) с винтовыми зажимами. К сожалению, готового РАС в распоряжении не оказалось, поэтому пришлось собрать РАС на ИРС КР142ЕН22А (с прикрученным к ней небольшим радиатором) и только лишь. В распоряжении имелся БП +33В/0/-33В с максимальным током 2,5А и комбинированный стабилизатор, состоящий из отдельно взятых модулей ПРН и РАС на ИРС был подключен к этому БП. Для начала на вход ПРН подавалось +33В для общей проверки работоспособности устройств и работа в целом была удовлетворительной при использовании практически штатных режимов ИРС с той лишь разницей, что напряжение на входе ИРС было все время выше выходного напряжения на 2,2В. При выходном токе 2А пульсации практически отсутствовали на выходе ИРС, а сама микросхема нагревалась за 10 минут работы весьма незначительно (учитывая миниатюрность радиатора), как и ожидалось. При проверке использовались дроссели различных исполнений и индуктивностей в целях проверки на устойчивость, как схемы ПРН, так и работоспособности ИРС в связке с ПРН. При подаче на вход ПРН напряжения +66В, диапазон выходного напряжения (при котором падение напряжения на ИРС сохранялось на уровне 2,2В)  составил +1,2...+59В, как без нагрузки, так и с током нагрузки до 2А. При значениях выходного напряжения выше +59В падение напряжения на ИРС начинало уменьшаться, что могло привести к нарушению работы ИРС. Хотя схема не проверялась при больших значениях тока и напряжения, потенциал даже такой простой связки (ПРН-ИРС или ПРН с любым другим РАС) значительно выше. Что же в итоге? Регулируемый стабилизатор напряжения 1. с высоким КПД, характерным для импульсных стабилизаторов; 2. малыми пульсациями на выходе, 3. с диапазоном рабочих напряжений, недостижимым для обычных ИРС. Все это способствует построению мощных компактных (за счет уменьшения размеров системы охлаждения) регулируемых стабилизаторов с широким диапазоном выходных напряжений.

Пример комбинированного регулируемого стабилизатора в сочетании ПРН+ИРС показан на рис.3.

Теги:

• DC/DC преобразователь