Повышающий DC/DC преобразователь на ZXSC300

Микросхема ZXSC300 является повышающим DC/DC преобразователем, работающим по принципу частотно-импульсной модуляции (PFM, Pulse Frequency Modulation). Главное её достоинство - работа от питающего напряжения, равного 0,8 В, и высокий КПД. Недостаток - нормальный режим работы контроллера подразумевает работу на токовую нагрузку, например, светодиоды, что не позволяет его использовать в качестве источника напряжения. Этот недостаток можно решить, используя незначительные изменения в схемотехнике включения ZXSC300. Схема представлена ниже.

Элементы DA1, VT1, L1, VD1, R2, C1, C2, C3, C5 определяют стандартное включение ZXSC300 для работы на токовую нагрузку. Резистор R2 определяет максимальный ток транзистора VT1. Источник опорного напряжения для DA1 - 0,019В, соответственно максимальный ток для VT1 равен 0,019В/R2 = 1,137 А. Элементы VT2, VT3, VD2, C4, R1, R3...R7 обеспечивают обратную связь по напряжению на нагрузке. Основой ограничения выходного напряжения служат элементы VD2, VT3, R6, R7, C4. Ток, протекающий через цепочку VD2, R6, R7 вызывает открытие транзистора VT3. Напряжение ограничения на выходе преобразователя при этом составляет величину, равную падению напряжения на стабилитроне VD2 и переходе база - эмиттер транзистора VT3: Uвых = Uvd2+UбэVT3 = 0,6 + 8,2 = 8,8 В. Конденсатор C4 обеспечивает замедление скорости реакции транзистора VT3 на изменение значения выходного напряжения, что исключает колебательные процессы на выходе преобразователя. Открытие транзистора VT3 способствует открытию транзистора VT2, вследствие чего происходит протекание тока через резистор R1, падение напряжения на выв. 4 DA1 оказывается более опорного 0,019 В, что вынуждает контроллер DA1 закрыть транзистор VT1. Накопление энергии на дросселе L1 заканчивается, и следующие 1,2...3,2 мкс накопленная энергия через диод VD1 отдаётся в нагрузку. Далее транзистор VT1 открывается вновь, дроссель L1 накапливает энергию, и так цикл за циклом.

Предлагаемый вариант повышающего преобразователя ориентирован на использование от низковольтного источника питания и хорошо подойдёт для питания мультиметров, ток потребления которых, за исключением подсветки и прозвонки, 32 и 23 мА соответственно для модели MS8265, составляет единицы миллиампер.

Характеристики преобразователя:

• Питающее напряжение: 1...3,7 В;
• Напряжение на нагрузке: 8,8...8,88 В;
• Холостой ход при питании 1 В: 3,9 мА:
• Холостой ход при питании 1,5 В: 2,9 мА;
• Холостой ход при питании 3,5 В: <1 мА;
• Максимальный ток в нагрузке при питании 1 В: 35 мА;
• Максимальный ток в нагрузке при питании 1,5 В: 50 мА;

Осциллограмма пульсаций на нагрузке при питании 1,5 В и токе 49 мА:

На холостом ходу поддержка уровня выходного напряжения осуществляется пачками коротких импульсов, осциллограмма:

Изменение частоты преобразования при сопротивлении нагрузки 300, 220, 180 Ом, питающее напряжение 1,15В, осциллограмма:

КПД преобразователя при разных нагрузках, график:

КПД преобразователя при разных питающих напряжениях:

Фото собранного устройства:

Габариты платы преобразователя меньше, чем габариты элемента питания АА "316" и существенно меньше 6F22 "Кроны":

Напряжение на выходе преобразователя можно установить иным, подобрав необходимый стабилитрон VD2 по указанной выше формуле Uвых = Uvd2+UбэVT3. Допустимый ток в нагрузке в основном будет зависеть от минимального напряжения питания преобразователя и номинала резистора R2. Мощность, потребляемая преобразователем от источника питания, равна: Iп*Uп*КПД = Iн*Uн, где Iп - ток, потребляемый от источника питания, Uп - напряжение питания, Iн - ток нагрузки, Uн - напряжение на нагрузке. Из этого соотношения видно, что с увеличением разницы между питающим и выходным напряжением ток, потребляемый от источника питания, растет. На практике это выглядит так:

Обратите внимание, что при входном напряжении питания менее 1,2 В выходное напряжение преобразователя также начинает уменьшаться. Это как раз и связано с ростом тока коллектора транзистора VT1. Дело в том, что потребляемый преобразователем ток - это среднее значение, пиковое значение тока VT1 примерно в два раза больше, и его величина определяется резистором R2. В данном случае это 1,137А. Поэтому при уменьшении напряжения питания с 1,2 В начинается ограничение тока коллектора, и как следствие - снижение выходного напряжения. Уменьшив сопротивление резистора R2, можно увеличить пиковый ток VT1, что позволит удерживать выходное напряжение на необходимом уровне. Однако тут есть одно ограничение. Согласно справочной информации на FMMT617, постоянный ток коллектора 3А, пиковый - 12А, тут всё хорошо. Напряжение насыщения коллектор - эмиттер 70...100 мВ, но это при токе базы в 10 мА. Выходной же ток ZXSC300 лежит в пределах 1,5...3,6 мА, при минимальном питающем напряжении преобразователя он, скорее всего, может быть ещё меньше. Это означает, что насыщение коллектор - эмиттер VT1 будет больше, и на сколько именно, судить трудно, поскольку зависимость напряжения насыщения от тока базы нелинейная. При температуре кристалла 75 градусов максимальная мощность составляет около 375 мВт, при 100 - уже 250 мВт. Таким образом получается, что при некоторых значениях тока коллектора, мощность, выделяемая за счет увеличения напряжения насыщения коллектор - эмиттер может превысить допустимое значение, что приведёт к тепловому пробою транзистора. Поэтому после сборки устройства необходимо убедиться в отсутствии перегрева транзистора при минимальном питающем напряжении и максимальном выходном токе в нагрузке.

Можно заранее обезопасить себя от подобной ситуации, выбрав номинал резистора R2 равным 0,025 Ом, или даже больше. КПД при этом ухудшится, максимальный ток в нагрузке, при котором на выходе преобразователя будет поддерживаться напряжение 8,8 В, тоже. Но ограничение максимального тока коллектора не позволит привести транзистор VT1 к тепловому пробою.

КПД преобразователя при разных нагрузках, R2=0,025 Ом, график:

Выходное напряжение при R2=0,025 Ом:

При сборке устройства необходимо выбирать дроссель с максимальным значением добротности Q и минимальным сопротивлением по постоянному току - это минимизирует потери и увеличит КПД в целом. Причём добротность дросселя имеет решающее значение. Разумеется, он не должен входить в насыщение при максимальных значениях тока в нагрузке. Танталовые конденсаторы C1, C3, в зависимости он номинальной ёмкости и рабочего напряжения могут отличаться по величине эквивалентного последовательного сопротивления. Если есть возможность его измерения, надо выбирать меньшие значения ESR, так будут меньшие по амплитуде пульсации напряжения на нагрузке, даже если ёмкость конденсаторов будет меньше, чем указаны на схеме. Для уменьшения амплитуды "иголок" на выходе преобразователя при необходимости параллельно конденсатору C2 можно припаять одну - две ёмкости номиналом 0,1...0,47 мкФ.

В заключение отмечу, что при уменьшении выходного напряжения преобразователя КПД будет выше, чем представленные значения.

Собранное без ошибок устройство в настройке не нуждается, необходимые файлы находятся в архиве.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• DC/DC
• Повышающий преобразователь