Двухполярный стабилизированный ИИП со сверхнизким напряжением питания

Идея

Представленный в статье блок питания был разработан и собран для ранее опубликованного усилителя для наушников "LOTOS". Специфическим требованием к данному ИИП было питание от Li-ion аккумулятора и/или USB порта и сохранение работоспособности, а так же стабильности выходного напряжения во всем диапазоне питающих напряжений. Требования к мощности данного источника питания невысокие, питание 2х каналов усилителя c выходной мощностью 2х1Вт, а так же сопутствующих ему блоков, таких как защита наушников и/или предусилитель/ темброблок.

Такой источник питания может быть использован в портативных усилителях небольшой мощности требующих двухполярное питание. 

Схема

Для компактности блок питания выполнен из двух модулей, модуля ШИМ и силовой части. Ниже приведены схемы данных модулей.

Модуль ШИМ

Главной проблемой при разработке модулятора является низковольтное питание схемы. Популярные микросхемы такие как TL494 и SG3525 имеют нижний порог питающих напряжений 7V и 8V соответственно. Напряжения Li-ion аккумулятора явно не достаточно для питания этих ШИМ контроллеров. Попытка найти ШИМ контроллер с питанием от 3В способный выступить двухтактным драйвером была неудачной. После чего было обращено внимание на доступную микросхему MT3608 предназначенную для DC-DC инверторов с питанием от 2.8V

Автором было проведено эксперименты с инвертором  на базе MT3608 по топологии показанной ниже. 

Однако мощности преобразователя на базе MT3608 показалось недостаточно для питания 2х каналов усилителя и дополнительных узлов. 

Следующим этапом было проведено ряд экспериментов по созданию дискретного ШИМ модулятора, однако полученная дискретная схема выходила черезмерно усложненной относительно блоков питания на интегральных контроллерах.

В результате экспериментов автор пришел к тому, что наиболее надежным и простым способом конструирования низковольтного модуля ШИМ является использование step-up конвертера для питания специализированной микросхемы типа SG3525 содержащей внутри ШИМ модулятор и драйвер полевых транзисторов.

В результате была получена следующая схема:

На основании микросхемы IC1 (MT3608) построен SEPIC конвертер для питания SG3525. Топология SEPIC выбрана для снижения потребления от АКБ при выключенном "Enable". Данная схема позволила гальванически развязать источник питания от микросхемы ШИМ, что свело потребление выключенного БП от АКБ практически к нулю.

Схема преобразователя типовая, выходное напряжение задано резисторами ООС R3, R5 и примерно равно 9V, что достаточно для питания SG3525.
Резистор R7 подтягивающий для входа "Enable" активирующего преобразователь при замыкании на "+" питания. 
Номиналы индуктивностей и конденсаторов взяты из даташита на микросхему "Inductor Selection The recommended values of inductor are 4.7 to 22μH.", "Input and output ceramic capacitors of 22μF are recommended for MT3608 applications.".
На микросхеме IC2 (SG3525) реализован двухтактный ШИМ модулятор, по типовой схеме. В рамках данной статьи не будем останавливаться на схемотехнике ШИМ на SG3525, об этом есть много информации в интернете.  
Частота генерации модуля равна 46кГц (задана резистором R2 и конденсатором C4). 

Силовая часть

Силовая часть ИИП выполнена по топологии пуш-пул, которая является хорошим вариантом для построения низковольтных преобразователей, так как к первичной обмотке трансформатора прикладывается полное напряжение питания (а не половина как в полумостовых преобразователях). Одновременно с этим данная топология легка в управлении, ибо не требует специализированного драйвера ключей полумоста, что позволяет подключить затворы транзисторов непосредственно к выходам SG3525.

Назначение компонентов
Резисторы R1, R4 ограничивают ток заряда затвора, резисторы R2, R3 подтягивают затворы к истокам для исключения самопроизвольного открытия мосфета.
Цепи R5, R6, C1, C2 снабберные для подавления возможных выбросов.
Диодный мост VD1-VD4 выполнен на быстрых диодах ES1J.
Конденсаторы С4-С9 являются конденсаторами фильтра.
Транзисторы VT1, VT2 являются силовыми ключами.
Обратная связь реализована с помощью распространенного оптрона PC817 (U1), а так же стабилитрона ZD1 (11V) и токоограничивающего резистора R7.

Компоненты

Перед запайкой элементов необходимо проверить каждый элемент на работоспособность и соответствие номиналу.

Резисторы

Все резисторы применены SMD типоразмера 1206.

Конденсаторы

Конденсаторы основной платы С4-С7 электролитические. Рабочее напряжение конденсаторов 16В или выше.

Остальные конденсаторы в схеме неполярные, керамические SMD типоразмера 1206.
Рабочее напряжение керамических конденсаторов 22мкФ допускается 6,3В или выше, остальные конденсаторы допускается устанавливать на напряжение 16В или выше.

Диоды и стабилитроны

Диоды VD1-VD4 ES1J или аналогичный в корпусе SMA.

Стабилитрон ZD1 на напряжение 11В в корпусе SOD-80.

Оптопары

Оптопара U1 PC817 или аналогичная, для SMD монтажа.

Транзисторы

В качестве силовых ключей VT1, VT2 выбраны маломощные недорогие мосфеты IRLML2502 в корпусе sot-23.

Которые имеют следующие параметры:
Структура: N-канал
Максимальное напряжение сток-исток: 20 В
Максимальный ток сток-исток при 25 С: 4.2 А
Максимальное напряжение затвор-исток: ±12 В
Сопротивление канала в открытом состоянии: 45 мОм
Максимальная рассеиваемая мощность: 1.25 Вт
Корпус: SOT23
Пороговое напряжение на затворе: 1.2 В.

Моточные изделия

Схема содержит 2 моточных изделия, трансформатор TR1 и дроссель групповой стабилизации L1. 
Они могут быть пересчитаны под любые необходимые параметры, ниже приведены моточные данные использованные автором.

Сердечником трансформатора TR1 служит ферритовое кольцо 2000НМ  габаритами D=16мм, d=10мм, h=6мм.
Первичная обмотка содержит 11х2 витков проводом 0.6 мм. (11 витков намотано в 2 провода, подключены последовательно, конец одной обмотки с началом другой, образуя среднюю точку)
Вторичная обмотка содержит 56х2 витков проводом 0.3 мм. (56 витков намотано в 2 провода, подключены последовательно, конец одной обмотки с началом другой, образуя среднюю точку).

Сердечником ДГС L1 служит кольцо T50-52 (материал -52) с габаритами  D=13мм, d=8мм, h=5мм.

Намотка 90х2 витков проводом 0.3мм. 

Технические характеристики

Напряжение питания: 2.8В...5В*;

Выходное напряжение: +-12В*;

Выходная мощность (не менее): 5Вт*.

*-характеристики могут варьироваться в зависимости от параметров трансформатора и/или цепи ОС.

Печатная плата

Плата блока питания выполнена односторонней, для удобства домашнего изготовления.

Габариты основной платы составили 60мм*30мм. Для подключения источника питания и нагрузки использованы винтовые клеммы с шагом 3,5мм.

Для подключения модуля управления использован разъем PBS-5.

Плата содержит перемычку на земляном слое (помечена *), что позволяет при необходимости (не впаивая перемычку) получить гальваническую развязку между входом и выходом блока питания.

Габариты модуля ШИМ составили 38мм*25мм. Для подключения к основной плате в модуль запаяны перемычки длинной 18мм.

Фото готового устройства

Подключение

Подключение источника питания 3-5 В ко входу БП производится на клемму "Vin".

ВАЖНО: Подключение входа ИИП следует произвести как можно более коротким медным проводом сечения не менее 0.75мм2.

Подключение нагрузки производится на клемму "Vout" которая имеет 3 полюса, "+" питания, "-" питания и общий провод "GND".

Первый запуск

После запайки всех компонентов на печатную плату необходимо смыть остатки флюса и внимательно осмотреть печатную плату, проверив отсутствие замыкания случайно оставшейся каплей припоя. Проверить все ли компоненты установлены верно (направления диодов, полярность конденсаторов, ориентация в пространстве микросхем и т.п.).

Если все в порядке, можно подключать источник питания, первый запуск следует проводить контролируя потребляемый ток, при выключенном "ENABLE" (контакты разомкнуты) потребляемый ток должен быть практически равен 0, при включении "ENABLE" без нагрузки ток ХХ составит в пределах 200-300мА. Выходное напряжение должно быть в пределах 12-13В относительно общего выхода "GND". Если ток покоя без нагрузки значительно превышает данное значение или же блок питания не выдает заданное напряжение на выходе, это свидетельствует о неисправности блока питания, не смытом флюсе, ошибке монтажа или неисправном компоненте.

После успешного запуска можно подключать нагрузку и использовать блок питания.

P.S. Внизу прикреплен .lay файл для самостоятельного изготовления печатной платы.
С уважением, Алексей Рослик (Alex Ground).

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ШИМ
• Блок питания
• ИИП
• Sprint-Layout