Компенсационный стабилизатор напряжения схема: Компенсационные стабилизаторы напряжения. | HomeElectronics

Компенсационные стабилизаторы напряжения. | HomeElectronics

Доброго всем времени суток! Сегодняшний мой пост продолжает рассказ о линейных стабилизаторах напряжения. Расскажу вам о компенсационных стабилизаторах напряжения (или сокращённо КСН).

Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Компенсационные стабилизаторы бывают двух типов: параллельными и последовательными. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов показаны ниже.

Основными элементами всех компенсационных стабилизаторов напряжения являются регулирующий элемент Р; источник опорного (эталонного) напряжения И; элемент сравнения ЭС; усилитель постоянного тока У.

Компенсационный стабилизатор последовательного типа

В стабилизаторах последовательного типа регулирующий элемент включён последовательно с источником входного напряжения U0 и нагрузкой R_H. Если по некоторым причинам напряжение на выходе U1 отклонилось от своего номинального значения, то разность опорного и выходного напряжений изменяется. Это напряжение усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически меняется и напряжение U0 распределится между Р и R_H таким образом, чтобы компенсировать произошедшие изменения напряжения на нагрузке.

Регулирующий элемент в компенсационных стабилизаторах напряжения выполняется, как правило, на транзисторах. Выбирая которые исходят из значений коэффициента передачи тока h_21e, напряжения насыщения между коллектором и эмиттером U_КЭнас.

Схемы элементов сравнения и усилители постоянного тока очень часто совмещают и выполняются на обычных усилителях, дифференциальных усилителях или операционных усилителях.

Рассмотрим схему компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа.

В этой схеме транзистор VT1 выполняет функции регулирующего элемента, транзистор VT2 является одновременно сравнивающим и усилительным элементом, а стабилитрон VD1 используется в качестве источника опорного напряжения. Напряжение между базой и эмиттером транзистора VT2 равно разности напряжений U_ОП и U_РЕГ. Если по какой-либо причине напряжение на нагрузке возрастает, то увеличивается напряжение U_РЕГ, которое приложено в прямом направлении к эмиттерному переходу транзистора VT2. Вследствие этого возрастут эмиттерный и коллекторный токи данного транзистора. Проходя по сопротивлению R1, коллекторный ток транзистора VT2 создаст на нем падение напряжения, которое по своей полярности является обратным для эмиттерного перехода транзистора VT1. Эмиттерный и коллекторные токи этого транзистора уменьшатся, что приведёт к восстановлению номинального напряжения на нагрузке. Точно так же можно проследить изменения токов при уменьшении напряжения на нагрузке.

Ступенчатую регулировку выходного напряжения можно осуществить, используя опорное напряжение, снимаемое с цепочки последовательно включённых стабилитронов. Плавная регулировка обычно производится с помощью делителя напряжения R3, R4, R5, включённого в выходную цепь стабилизатора.

Если пренебречь падением напряжения на эмиттерном переходе транзистора VT2, то выходное напряжение стабилизатора

где R4’ и R4’’ соответственно верхняя и нижняя по схеме часть резистора R4.

Улучшение параметров стабилизатора

Схему простого компенсационного стабилизатора напряжения можно улучшить, заменив резистор R1, который осуществляет питание транзистора VT2, на схему стабилизатора тока. Такой способ питания позволяет существенно повысить стабильность работы усилителя постоянного тока.

В тех случаях, когда требуется высокая температурная стабильность Компенсационного стабилизатора напряжения и малый временной дрейф (особенно при низких выходных напряжениях), применяют схемы дифференциальных усилителей. Для повышения качества выходного напряжения в усилителях постоянного тока стабилизатора применяются операционные усилители, которые обладают большим коэффициентом усиления и малым температурным уходом. Питание операционного усилителя может осуществляться непосредственно от выходного напряжения стабилизатора.

Расчёт последовательного стабилизатора

Пример расчёта простого компенсационного стабилизатора напряжения последовательного типа

Начальные условия: входное напряжение U0 = 24 В, нестабильность входного напряжения ΔU0 = ± 2 В, максимальный ток нагрузки I_Нmax = 1,5 А, коэффициент стабилизации К_СТ ≥ 10³. Предусмотреть плавную регулировку выходного напряжения в пределах от U_Нmin = 12 В до U_Нmax = 16 В.

1. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер регулирующего транзистора VT1:

2. Определим максимальную мощность, рассеиваемую на транзисторе VT1:

3. По данным расчёта выбираем транзистор VT1, который удовлетворяет условиям:

Этим условиям удовлетворяет транзистор типа П216В с параметрами: U_CEmax = 35 В, I_{C max} = 7,5 А, P_{C max} = 24 Вт, h_21e = 30.

4. Для создания опорного напряжения UОП выберем стабилитрон типа Д814А с параметрами U_СТ = 8 В, I_СТ = 20 мА, r_DIF = 6 Ом.

5. Определим максимальное напряжение коллектор – эмиттер усилительного транзистора VT2:

6. Исходя из условия U_CE2max < U_{CE max} выбираем в качестве усилительного элемента транзистор типа П416 с h_21e = 90 … 250.

7. Полагая, что I_K2 ≈ I_Е2 = 10 мА < I_{C max}, найдём сопротивление резистора R2:

8. Учитывая, что I_R1 = I_C(VT2) + I_B(VT1), I_B(VT1) = I_Hmax / (1 + h_21e(VT1)) = 1,5/(1 + 30) ≈ 48 mA, определим сопротивление R1:

9. Определим сопротивления резисторов R3, R4, R5. Условимся считать, что если движок потенциометра R4 стоит в крайнем верхнем положении, то выходное напряжение стабилизатора имеет заданное по условию минимальное значение U_Нmin. В крайнем нижнем положении движка выходное напряжение максимально. Тогда можно записать уравнения

Полагая

получим

Online калькулятор для расчёта компенсационного стабилизатора напряжения здесь.

Компенсационный стабилизатор параллельного типа

В схеме параллельного стабилизатора при отклонении напряжения на выходе от номинального выделяется сигнал рассогласования, равный разности опорного и выходного напряжений. Далее он усиливается и воздействуя на регулирующий элемент, включённый параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента I_P изменяется, на сопротивлении резистора R1 изменяется падение напряжения, а на напряжение на выходе U1 = U0 – I_BXR1 = const остаётся стабильным.

Типовая схема компенсационного стабилизатора напряжения параллельного типа приведена ниже. В качестве гасящего устройства в этих стабилизаторах применяются резисторы (R1 на схеме) или при высоких требованиях с стабильности выходного напряжения стабилизатора применяется стабилизатор тока описанный выше, имеющий большое внутреннее сопротивление.

В основном расчёт элементов компенсационного стабилизатора параллельного типа производится аналогично стабилизатору последовательного типа.

Стабилизаторы параллельного типа имеют невысокий КПД и применяются сравнительно редко, в случае стабилизации повышенных напряжений и токов, а также при переменных нагрузках в отличие от стабилизаторов последовательного типа. Их недостатком является то, что при возможном резком увеличении тока нагрузки (например, при коротком замыкании на выходе) к регулирующему элементу будет прикладываться повышенное напряжение, величина которого может превысить допустимое значение. Это обстоятельство необходимо учитывать при эксплуатации стабилизатора.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Компенсационные стабилизаторы напряжения, принцип работы, типовые неисправности и методы их устранения

Рис. 1. Структурные схемы стабилизаторов непрерывного типа.

Компенсационные стабилизаторы напряжения или стабилизаторы непрерывного действия — это система автоматического регулирования, представляющая усилители постоянного тока, охваченные глубокой отрицательной обратной связью.

Принцип работы стабилизаторов напряжения компенсационного типа

Упрощенные схемы стабилизаторов компенсационного типа с последовательной (а) и параллельной (б) регулировкой приведены на рисунке 1. В процессе работы происходит непрерывное сравнение напряжения на нагрузке R_н (или части его) U_н с опорным напряжением U_оп. Полученный сигнал рассогласования ΔU=U_оп-U_н усиливается и подается на вход регулирующего элемента, сопротивление которого изменяется в зависимости от сигнала рассогласования. Напряжение на нагрузке U_н=U_вх-ΔU_р (ΔU_р — падение напряжения на регулирующем элементе).

В качестве регулирующего элемента используют транзистор, коллектор и эмиттер которого включены в основную цепь, а на базу подается сигнал управления (рассогласования). В маломощных стабилизаторах регулирующий транзистор является необходимым элементом схемы. При больших токах нагрузки регулирующий элемент выполняется на составных или параллельно включенных транзисторах. Оконечный транзистор может быть дискретного исполнения. Регулирующий элемент одновременно выполняет функции сглаживающего фильтра. Наиболее широко распространены схемы с последовательным включением. Опорное напряжение снимается со стабилитрона, питание которого может осуществляться как со стороны выходного, так и входного напряжений.

Такие стабилизаторы выполняют на единой полупроводниковой микросхеме, обеспечивающей функции стабилизации напряжения, сглаживания пульсации, а также защиты от перегрузок.

Подробно устройство и принцип работы стабилизаторов напряжения в интегральном исполнении мы рассматривали в статье: Стабилизаторы напряжения в интегральном исполнении.

Рис.2. Схема компенсационного стабилизатора, выполненная в интегральном модуле (а) и схема его включения (б).

Приведенная на рисунке 2 схема компенсационного стабилизатора напряжения в интегральном исполнении на микросхеме К142ЕН1 содержит все функциональные узлы, показанные на рис. 1.

Источник опорного напряжения состоит из элементов VT1, VT3, VT10, R1, R2, дифференциальный усилитель — из элементов VT2, VT6, VT7, R3 регулирующий элемент VT4, VT5. Для функционирования схемы и получения заданного выходного напряжения подключаются внешние элементы — резисторы и конденсаторы (рис. 2,6).

Работает схема следующим образом. Опорное напряжение U_оп от внутреннего источника и напряжение, пропорциональное выходному ΔU_вых с внешнего делителя R5, R6, сравниваются дифференциальным усилителем. Разностный усиленный сигнал воздействует на базу составного транзистора VT4, VT5, изменяет сопротивление регулирующего органа и компенсирует изменение выходного напряжения на выводе 13.

Требуемое значение выходного напряжения устанавливается с помощью регулировочного резистора R5. Выходной делитель может быть заменен стабилитроном и резистором. Для увеличения выходного тока к выводам 13, 16 микросхемы может быть подключен внешний мощный транзистор. Функции защиты от перегрузок и коротких замыканий осуществляется элементами VT8, VT9, VT12, R4, R7-R9.

Неисправности компенсационных стабилизаторов, выполненных на транзисторах

Принцип работы компенсационных стабилизаторов, выполненных на транзисторах мы подробно рассматривали в статье:
Типовые схемы компенсационных стабилизаторов напряжения на транзисторах.

Основные неисправности в стабилизаторах напряжения отыскивают, проверяя режим по постоянному току с помощью вольтметра или осциллографа с открытым входом. Однако, многие неисправности возможно найти только с помощью осциллографа.

Возбуждение стабилизатора проявляется в виде быстрых периодических колебаний напряжения на его выходе, частота собственных колебаний возбуждающегося стабилизатора в зависимости от параметров и вида неисправности может лежать в диапазоне от единиц до сотен килогерц, а амплитуда — от десятков милливольт до единиц Вольт.

Причина возникновения колебаний заключается в следующем. Стабилизатор представляет собой усилитель с большим коэффициентом усиления, охваченным глубокой обратной связью. Для того чтобы схема стабилизатора была устойчива, фазовый сдвиг сигнала в петле обратной связи должен быть менее 180° во всей полосе частот, где коэффициент усиления превышает единицу. Обычно для соблюдения этого условия на выходе стабилизатора включают конденсатор большой емкости (С1 на рис. 1,6). Выход из строя этого конденсатора (обрыв или потеря емкости) может вызвать возбуждение стабилизатора. К такому же эффекту может привести увеличение сопротивления между выводом конденсатора и его обкладкой до нескольких десятых долей или единиц Ом, которое наблюдается в электролитических конденсаторах.

Такой отказ трудно обнаружить с помощью простых методов проверки электролитических конденсаторов (например, по броску стрелки Омметра). В некоторых схемах стабилизаторов в качестве С1 применяют два параллельно включенных конденсатора: электролитический большой емкости и какой-либо конденсатор с малой собственной индуктивностью. В этом случае возбуждение может быть вызвано обрывом второго конденсатора. Причиной возбуждения может быть также неправильный монтаж выходных цепей стабилизатора (конденсатор С1 связан с выходом длинными проводами), в этом случае возбуждение вызывается падением напряжения на паразитной индуктивности и сопротивлении проводов.

Возбуждение стабилизатора возможно при индуктивном характере нагрузки, если запас устойчивости в контуре обратной связи стабилизатора мал, т. е. при активной нагрузке фазовый сдвиг на частоте единичного усиления, хотя и не достигает 180°, но превышает 135°.

Затухающий колебательный процесс на выходе стабилизатора при перепаде (подключении или снятии) нагрузки указывает на малый запас устойчивости. Возможные причины этого дефекта в основном те же, что и возбуждения. Стабилизатор с малым запасом устойчивости потенциально ненадежен, так как небольшие дестабилизирующие влияния могут сделать его неустойчивым.

Повышенный уровень пульсаций на выходе стабилизатора при нормальных пульсациях на входе и нормальном режиме стабилизатора по постоянному току указывает на обрыв конденсатора, блокирующего резистор R1 (С2 на рис. 1,а и б).

Материалы по теме на Времонт.su:
Стабилизированные источники питания — ремонт и поиск неисправностей
Справочник радиолюбителя

Типы регуляторов напряжения и принцип работы | Артикул

СКАЧАТЬ PDF

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц

Подписаться

Мы ценим вашу конфиденциальность

Как работает регулятор напряжения?

Регулятор напряжения представляет собой схему, которая создает и поддерживает фиксированное выходное напряжение независимо от изменений входного напряжения или условий нагрузки.

Регуляторы напряжения (VR) поддерживают напряжение от источника питания в диапазоне, совместимом с другими электрическими компонентами. Хотя регуляторы напряжения чаще всего используются для преобразования мощности постоянного тока в постоянный, некоторые из них также могут выполнять преобразование мощности переменного тока в переменный или переменный в постоянный. В этой статье речь пойдет о регуляторах напряжения постоянного/постоянного тока.

Типы регуляторов напряжения: линейные и импульсные

Существует два основных типа регуляторов напряжения: линейные и импульсные. Оба типа регулируют напряжение системы, но линейные стабилизаторы работают с низким КПД, а импульсные стабилизаторы — с высоким КПД. В высокоэффективных импульсных стабилизаторах большая часть входной мощности передается на выход без рассеяния.

Линейные регуляторы

В линейном регуляторе напряжения используется активное проходное устройство (такое как BJT или MOSFET), которое управляется операционным усилителем с высоким коэффициентом усиления. Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, линейный регулятор регулирует сопротивление проходного устройства, сравнивая внутреннее опорное напряжение с дискретизированным выходным напряжением, а затем сводя ошибку к нулю.

Линейные регуляторы представляют собой понижающие преобразователи, поэтому по определению выходное напряжение всегда ниже входного. Однако у этих стабилизаторов есть несколько преимуществ: они, как правило, просты в конструкции, надежны, экономичны и обеспечивают низкий уровень шума, а также низкие пульсации выходного напряжения.

Для работы линейных регуляторов, таких как MP2018, требуется только входной и выходной конденсатор (см. рис. 1) . Их простота и надежность делают их интуитивными и простыми устройствами для инженеров, и часто они очень рентабельны.

Рис. 1: Линейный регулятор MP2018

Импульсные регуляторы

Схема импульсного регулятора, как правило, более сложная для проектирования, чем линейный регулятор, и требует выбора номиналов внешних компонентов, настройки контуров управления для обеспечения стабильности и тщательной компоновки схемы.

Импульсные стабилизаторы могут быть понижающими преобразователями, повышающими преобразователями или их комбинацией, что делает их более универсальными, чем линейный регулятор.

Преимущества импульсных стабилизаторов заключаются в том, что они высокоэффективны, имеют лучшие тепловые характеристики и могут поддерживать более высокие токи и более широкие приложения VIN/VOUT. Они могут достичь более 9Эффективность 5% в зависимости от требований приложения. В отличие от линейных стабилизаторов, для импульсной системы питания могут потребоваться дополнительные внешние компоненты, такие как катушки индуктивности, конденсаторы, полевые транзисторы или резисторы обратной связи. HF920 является примером импульсного стабилизатора, обеспечивающего высокую надежность и эффективное регулирование мощности (см. рис. 2) .

Рис. 2: Импульсный регулятор HF920

Ограничения регуляторов напряжения

Одним из основных недостатков линейных регуляторов является то, что они могут быть неэффективными, поскольку в некоторых случаях рассеивают большое количество энергии. Падение напряжения линейного регулятора сравнимо с падением напряжения на резисторе. Например, при входном напряжении 5 В и выходном напряжении 3 В падение между выводами составляет 2 В, а КПД ограничен 3 В/5 В (60%). Это означает, что линейные регуляторы лучше всего подходят для приложений с более низкими дифференциалами VIN/VOUT.

Важно учитывать предполагаемое рассеивание мощности линейного стабилизатора при применении, поскольку использование более высоких входных напряжений приводит к высокому рассеиванию мощности, что может привести к перегреву и повреждению компонентов.

Другим ограничением линейных стабилизаторов напряжения является то, что они способны только к понижающему (понижающему) преобразованию, в отличие от импульсных стабилизаторов, которые также обеспечивают повышающее (повышающее) и понижающе-повышающее преобразование.

Импульсные стабилизаторы очень эффективны, но некоторые недостатки включают то, что они, как правило, менее рентабельны, чем линейные регуляторы, больше по размеру, более сложны и могут создавать больше шума, если их внешние компоненты не выбраны тщательно. Шум может быть очень важен для данного приложения, так как шум может влиять на работу и характеристики схемы, а также на характеристики электромагнитных помех.

Топологии импульсных регуляторов: понижающий, повышающий, линейный, LDO и регулируемый

Существуют различные топологии линейных и импульсных регуляторов. Линейные регуляторы часто полагаются на топологии с малым падением напряжения (LDO). Импульсные стабилизаторы бывают трех распространенных топологий: понижающие преобразователи, повышающие преобразователи и повышающе-понижающие преобразователи. Каждая топология описана ниже:

Регуляторы LDO

Одной из популярных топологий для линейных стабилизаторов является регулятор с малым падением напряжения (LDO). Линейные стабилизаторы обычно требуют, чтобы входное напряжение было как минимум на 2 В выше выходного напряжения. Однако регулятор LDO предназначен для работы с очень небольшой разницей напряжения между входными и выходными клеммами, иногда всего 100 мВ.

Понижающие и повышающие преобразователи

Понижающие преобразователи (также называемые понижающими преобразователями) принимают более высокое входное напряжение и производят более низкое выходное напряжение. И наоборот, повышающие преобразователи (также называемые повышающими преобразователями) потребляют более низкое входное напряжение и производят более высокое выходное напряжение.

Понижающе-повышающие преобразователи

Понижающе-повышающий преобразователь представляет собой одноступенчатый преобразователь, который сочетает в себе функции понижающего и повышающего преобразователя для регулирования выходного напряжения в широком диапазоне входных напряжений, которые могут быть больше или меньше выходного Напряжение.

Управление регулятором напряжения

Четыре основных компонента линейного регулятора — проходной транзистор, усилитель ошибки, источник опорного напряжения и резисторная цепь обратной связи. Один из входов усилителя ошибки устанавливается двумя резисторами (R1 и R2) для контроля выходного напряжения в процентах. Другой вход представляет собой стабильное опорное напряжение (VREF). Если дискретизированное выходное напряжение изменяется относительно VREF, усилитель ошибки изменяет сопротивление проходного транзистора для поддержания постоянного выходного напряжения (VOUT).

Для работы линейных регуляторов обычно требуется только внешний входной и выходной конденсатор, что упрощает их реализацию.

С другой стороны, импульсный регулятор требует больше компонентов для создания цепи. Силовой каскад переключается между VIN и землей для создания пакетов заряда для доставки на выход. Подобно линейному регулятору, имеется операционный усилитель, который считывает выходное напряжение постоянного тока из сети обратной связи и сравнивает его с внутренним опорным напряжением. Затем сигнал ошибки усиливается, компенсируется и фильтруется. Этот сигнал используется для модуляции рабочего цикла ШИМ, чтобы вернуть выход в режим регулирования. Например, если ток нагрузки быстро увеличивается и вызывает падение выходного напряжения, контур управления увеличивает рабочий цикл ШИМ, чтобы обеспечить больший заряд нагрузки и вернуть шину в режим регулирования.

Линейные и импульсные регуляторы

Линейные регуляторы часто используются в приложениях, которые чувствительны к стоимости, шуму, слабому току или ограниченному пространству. Некоторые примеры включают бытовую электронику, такую ​​как наушники, носимые устройства и устройства Интернета вещей (IoT). Например, в таких приложениях, как слуховой аппарат, может использоваться линейный регулятор, поскольку в них нет переключающего элемента, который может создавать нежелательные шумы и мешать работе устройства.

Кроме того, если разработчики в основном заинтересованы в создании недорогого приложения, им не нужно так беспокоиться о рассеиваемой мощности, и они могут положиться на линейный регулятор.

Импульсные регуляторы выгодны для более общих применений и особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и производительности, таких как потребительские, промышленные, корпоративные и автомобильные приложения (см. рис. 3) . Например, если приложение требует большого понижающего решения, лучше подойдет импульсный регулятор, так как линейный регулятор может создавать рассеивание высокой мощности, которое может повредить другие электрические компоненты.

Рисунок 3: Понижающий регулятор MPQ4430-AEC1

Каковы основные параметры микросхемы регулятора напряжения?

Некоторые из основных параметров, которые следует учитывать при использовании регулятора напряжения, — это входное напряжение, выходное напряжение и выходной ток. Эти параметры используются для определения того, какая топология VR совместима с IC пользователя.

Другие параметры, включая ток покоя, частоту переключения, тепловое сопротивление и напряжение обратной связи, могут иметь значение в зависимости от применения.

Ток покоя важен, когда эффективность при малой нагрузке или в режиме ожидания является приоритетом. При рассмотрении частоты коммутации в качестве параметра максимизация частоты коммутации приводит к меньшим системным решениям.

Кроме того, тепловое сопротивление имеет решающее значение для отвода тепла от устройства и рассеивания его по системе. Если в состав контроллера входит внутренний МОП-транзистор, то все потери (кондуктивные и динамические) рассеиваются в корпусе и должны учитываться при расчете максимальной температуры ИС.

Напряжение обратной связи — еще один важный параметр, который необходимо проверить, поскольку он определяет минимальное выходное напряжение, которое может поддерживать регулятор напряжения. Стандартно смотреть на опорные параметры напряжения. Это ограничивает более низкое выходное напряжение, точность которого влияет на точность регулирования выходного напряжения.

Как правильно выбрать регулятор напряжения

Чтобы правильно выбрать регулятор напряжения, разработчик должен сначала понять его ключевые параметры, такие как V _IN , V _OUT , I _OUT , приоритеты системы (например, эффективность, производительность, стоимость) и любые дополнительные ключевые функции, такие как индикация исправности (PG) или включение управления.

После того как разработчик определил эти требования, используйте таблицу параметрического поиска, чтобы найти лучшее устройство, отвечающее заданным требованиям. Таблица параметрического поиска является ценным инструментом для проектировщиков, поскольку она предлагает различные функции и пакеты, доступные для соответствия требуемым параметрам вашего приложения.

Каждое устройство MPS поставляется с техническим описанием, в котором указано, какие внешние детали необходимы, и как рассчитать их значения для достижения эффективной, стабильной и высокопроизводительной конструкции. Техническое описание можно использовать для расчета значений компонентов, таких как выходная емкость, выходная индуктивность, сопротивление обратной связи и других ключевых компонентов системы. Кроме того, вы можете использовать инструменты моделирования, такие как DC/DC Designer или программное обеспечение MPSmart, обращаться к примечаниям по применению или обращаться к местному FAE с вопросами.

MPS предлагает широкий выбор эффективных, компактных линейных и импульсных регуляторов напряжения, включая семейство HF500-x, семейство MP171x, MP20056, MP28310, MPQ4572-AEC1 и MPQ2013-AEC1.

Ссылки

Глоссарий по электронике

_________________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылка раз в месяц!

Технический форум

Получить техническую поддержку

Автоматическая компенсация улучшает конструкцию источников питания

Практически все конструкции импульсных источников питания включают замкнутый контур управления с отрицательной обратной связью от выхода к входу. Для этого требуется компенсационная сеть для регулировки частотной характеристики замкнутого контура источника питания, чтобы обеспечить стабильность и оптимизировать переходную характеристику. Сегодня в некоторых ИС стабилизаторов напряжения используется автоматическая компенсация, которая упрощает и улучшает эту задачу проектирования. Для получения дополнительной информации см. врезку «Компенсация регулятора напряжения».

Чтобы понять технику автокомпенсации, мы сначала должны проследить эволюцию этой технологии. Один из самых ранних методов компенсации предусматривал стабилизатор напряжения с внешними узлами, чтобы разработчик мог вставлять компоненты компенсации. Определение значений компонентов компенсации включало анализ полюсов и нулей, связанных с регулятором IC и его внешними компонентами. После определения требуемой компенсации проектировщик смоделировал или измерил схему регулятора с установленными компонентами компенсации. Этот процесс обычно требовал нескольких итераций, прежде чем были получены желаемые результаты.

Для правильной реализации компенсационной сети требовались инженеры со специальными инструментами, навыками и опытом. Если схема была смоделирована, а не измерена, разработчику приходилось в конечном итоге вставлять фактические компенсационные компоненты для измерения характеристик источника питания. Моделирование было настолько хорошим, насколько хорошо дизайнер знал компоненты и паразиты. Модель могла быть неполной или отличаться от фактической цепи, поэтому компенсацию необходимо было проверить измерением фактической цепи. Неизменно требовалась доработка из-за возможных ошибок, связанных с заменой компонентов. Переделка также может изменить характеристики источника питания и повредить цепи, питаемые от регулятора.

Некоторые поставщики интегральных схем регуляторов включали внутренние компенсационные компоненты, поэтому дальнейший анализ конструкции не требовался. Однако разработчику пришлось использовать внешние компоненты, указанные поставщиком.

Единый компенсационный узел стал следующим этапом этой эволюции. Примером этого является импульсный стабилизатор LM21305 от Texas Instruments (, рис. 1 ). Для компенсации LM21305 обычно требуется только один резистор и конденсатор. Однако иногда требовался еще один конденсатор.

Рис. 1. LM21305 представляет собой импульсный регулятор IC, в котором используется один компенсационный узел, требующий компенсационных компонентов Rc и Cc1, подключенных между выводом COMP и AGND.

Несмотря на то, что вы можете определить и вставить компенсационные компоненты, их значения могут меняться в зависимости от температуры и от агрегата к агрегату в производстве; это может повлиять на работу регулятора напряжения. Кроме того, стоимость компонентов может меняться со временем и влиять на производительность. Таким образом, вы не можете обеспечить оптимальную долгосрочную производительность на основе значений и качества компонентов компенсации.

Автокомпенсация

Для устранения проблем, связанных с ручной компенсацией электропитания, несколько компаний разработали технологию автоматической компенсации. Это привело к созданию ИС регулятора смешанного сигнала с автоматической компенсацией. Это освободило проектировщика от необходимости в специальных инструментах, знаниях или опыте для оптимизации производительности. Автоматическая компенсация устанавливает выходные характеристики таким образом, чтобы изменения, вызванные допусками компонентов, старением, температурой, входным напряжением и другими факторами, не влияли на производительность.

CUI (Туалатин, Орегон) имеет три семейства цифровых модулей точки нагрузки, которые включают автоматическую компенсацию: NDM2Z, NDM2P и NSM2P. NDM2Z использует микросхему регулятора Intersil/Zilker ZL8101M, тогда как NDM2P и NSM2P используют Powervation PV3012

.
ИС регулятора. Автоматическая компенсация обходит традиционную практику создания запасов для учета изменений компонентов, что может привести к более высокой стоимости компонентов и более длительным циклам проектирования.

Несмотря на функциональное сходство, NDM2P использует I ² С подключением и NSM2P нет. Это позволяет управлять NDM2P хост-процессором, который может выполнять команды PMBus.

Рис. 2. Источник питания CUI NDM2Z использует автоматическую компенсацию, которая позволяет динамически устанавливать оптимальную стабильность и переходную характеристику.

NDM2Z на 50 А ( рис. 2 ), NDM2P и NSM2P обеспечивают КПД 91% при входном напряжении 12 В постоянного тока и выходе постоянного тока 1,0 В при нагрузке 50 %. Все эти модули точки нагрузки имеют входной диапазон от 4,5 до 14 В пост. тока и программируемый выход от 0,6 до 5,0 В пост. тока в версии на 12 А и от 0,6 до 3,3 В пост. тока в версиях на 25 А и 50 А. В таблице 1 указаны размеры модулей.

Функции модуля включают в себя активное распределение тока, определение последовательности напряжения, отслеживание напряжения, синхронизацию и распределение фаз, программируемый плавный пуск и останов, а также множество возможностей мониторинга. Простой и удобный графический интерфейс CUI Novum ACE™ помогает этим проектам.

В NMD2Z используется синхронный понижающий контроллер Intersil/Zilker ZL8101, работающий по напряжению, с широтно-импульсным модулятором (ШИМ) с постоянной частотой. Этот цифровой контроллер третьего поколения использует специальный оптимизированный конечный автомат для генерации точных импульсов ШИМ и собственный микроконтроллер, используемый для настройки, обслуживания и оптимизации. Для этого требуются внешние драйверы, силовые МОП-транзисторы, конденсаторы и катушки индуктивности (9).0154 Рис. 3 ). Встроенная дополнительная регулировка позволяет работать от одного источника питания от 4,5 В до 14 В. Используя простые штырьковые соединения или стандартные команды PMBus, вы можете настроить обширный набор функций управления питанием с помощью графического пользовательского интерфейса Intersil PowerNavigator.

Рис. 3. Блок-схема микросхемы Intersil/Zilog ZL8101 показывает выходы ШИМ (PWMH и PWML), которые взаимодействуют с внешним драйвером, таким как ZL1505.

Первоначально автоматическая компенсация ZL8101 измеряет характеристики силовой передачи и определяет требуемую компенсацию. IC сохраняет значения компенсации и использует их при последующих вводах. После включения ZL8101 готов регулировать питание и выполнять задачи управления питанием без необходимости программирования. Расширенные параметры конфигурации и изменения конфигурации в режиме реального времени доступны через I ² Интерфейс C/SMBus. Встроенная энергонезависимая память (NVM) сохраняет данные конфигурации.

Цифровой ШИМ-контур ZL8101 взаимодействует с внешними драйверами, такими как Intersil/Zilker ZL1505. Он может работать с другими драйверами, имеющими входное напряжение от 2,5 В до 5,5 В, включая устройства DrMOS и драйвер удвоителя фазы Intersil ISL6611.

Вы должны выбирать внешние силовые МОП-транзисторы в первую очередь на R _DS(ON) и, во вторую очередь, на общий заряд затвора. Фактический выходной ток силового преобразователя зависит от характеристик драйверов и выходных МОП-транзисторов.

Настраиваемые функции защиты цепи постоянно защищают микросхему и нагрузку от повреждений из-за системных сбоев. ZL8101 постоянно контролирует входное напряжение, выходное напряжение/ток, внутреннюю температуру и температуру внешнего термодиода. Вы также можете установить параметры мониторинга для оповещений о конкретных неисправностях.

Контур нелинейного отклика (NLR) улучшает время отклика и снижает переходные отклонения выхода нагрузки. Для оптимизации эффективности силового преобразователя ZL8101 отслеживает условия его работы и постоянно регулирует время включения и выключения мощных МОП-транзисторов верхнего и нижнего плеча. Адаптивные алгоритмы оптимизации производительности, такие как управление мертвым временем, эмуляция диодов и адаптивная частота, обеспечивают большее повышение эффективности.

Сигнал Power-Good (PG) указывает на то, что выходное напряжение находится в пределах заданного допуска целевого уровня, и не существует условий неисправности. По умолчанию вывод PG определяет, находится ли выходное напряжение в пределах -10 %/+15 % от целевого напряжения. Вы можете изменить эти пределы и полярность через интерфейс I ² C/SMBus.

Внутренняя петля фазовой автоподстройки частоты (PLL) служит в качестве часов для внутренней схемы. Вы можете управлять PLL от внешнего источника синхронизации, подключенного к выводу SYNC. Вы можете установить частоту переключения от 200 кГц до 1,33 МГц.

Графический интерфейс пользователя на базе Windows™ обеспечивает полную настройку и возможности мониторинга через интерфейс I2C/SMBus.Подробнее Автокомпенсация

Рис. 4. ИС Powervation PV3012 представляет собой ИС автоматической компенсации в реальном времени с одним выходом, двух- или однофазным цифровым синхронным понижающим контроллером для приложений POL.

Powervation PV3012, используемый в модулях CUI NDM2P и NSM2P, представляет собой одноканальный, двух- или однофазный цифровой синхронный понижающий контроллер с адаптивной компенсацией контура в реальном времени для приложений в точке нагрузки (POL) ( Рис. 4 ). Работая от источника питания 3,3 В, он может обеспечить программируемый выходной сигнал от 0,6 В до 5,5 В. Вы можете настроить и управлять им с помощью PMBus, одного резистора или с помощью программирования, сохраненного в NVM. Его автоматическая компенсация обеспечивает эксплуатационную гибкость для нагрузок, которые могут меняться в течение срока службы источника питания.

Для реализации компенсации с обратной связью в PV3012 используется алгоритм адаптивного управления с дискретным временем, обновляемый в режиме реального времени на основе цикл за циклом переключения. Это самокомпенсирующее адаптивное управление для преобразования мощности постоянного тока в постоянный использует запатентованную технологию Auto-Control® PV3012. Если условия электропитания или окружающая среда изменяются с течением времени, Auto-Control постоянно отслеживает работу системы управления и корректирует коэффициенты компенсации контроллера.

Автоматическое управление устраняет внешние компоненты компенсации и необходимость ручной перенастройки компенсации при изменении характеристик нагрузки. Адаптивный алгоритм ядра DSP, оптимизированный для обеспечения высокой производительности при низком энергопотреблении, не зависит от общих задач обслуживания, управления неисправностями и настройки.

Прецизионный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с малой задержкой производит выборку и квантизацию напряжений, токов и температур. DSP принимает эти результаты, решает результирующую матрицу и регулирует выходной сигнал цифрового широтно-импульсного модулятора (DPWM) цикл за циклом. DPWM обеспечивает разрешение рабочего цикла не менее 15 бит, эффективно устраняя цикличность и шумы квантования. Процессор управления питанием также получает результаты АЦП, предоставляя эти значения через коммуникационный интерфейс PMBus для удаленного измерения и предоставления информации о токе, напряжении и температуре. Чтобы максимизировать производительность и надежность системы, микросхема также обеспечивает температурную коррекцию/компенсацию нескольких параметров.

При использовании в двухфазном режиме фазы могут сбрасываться при изменении нагрузки, что обеспечивает максимальную эффективность во всем диапазоне нагрузки. Кроме того, чередование выходов каждой фазы удваивает эффективную частоту коммутации. Благодаря Powervation Digital Stress Share™ (DSS) и синхронизации PLL вы можете параллельно использовать несколько PV3012, чтобы увеличить количество фаз, поддерживающих нагрузку приложения.

PV3012 использует аналоговые и цифровые функции для максимальной защиты системы за счет непрерывного мониторинга состояния системы преобразования энергии. Он генерирует состояния ошибок и предупреждений, защищает силовой каскад и активно управляет попытками перезапуска системы. Он контролирует условия пониженного и повышенного напряжения (UVLO, OVLO) на входе и выходе. Он отслеживает и реализует два монитора перегрузки по току: один быстродействующий аналоговый (SCP) для защиты внешних цепей и другой (OCP), рассчитанный на основе показаний АЦП для системного использования. Контроль температуры возможен с помощью встроенного датчика или внешнего датчика.

Используя инструмент проектирования PowerSMART™ с графическим интерфейсом, разработчик может взаимодействовать с контроллером PV3012 для получения/отслеживания информации от источника питания и микросхемы, а также программных настроек для контроллера. Это позволяет разработчику просматривать состояние источника питания, входное/выходное напряжение, выходной ток, распределение фазного тока и условия неисправности, обнаруженные контроллером.

Архитектура решений для цифрового управления питанием представляет собой многопроцессорную систему на кристалле (SoC) с ультратонкими запатентованными двухъядерными процессорами DSP и RISC. Он содержит как ОЗУ, так и энергонезависимую память, блоки преобразования питания, последовательный интерфейс SMBus, АЦП и ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), а также генератор и источники синхронизации контура фазовой синхронизации.

DSP обеспечивает вычислительные возможности для сложных алгоритмов, таких как компенсация контура Auto-Control® в реальном времени. 16-разрядный RISC-процессор с частотой 64 МГц обеспечивает быстрое выполнение инструкций и устраняет накладные расходы и рассеивание мощности для других вариантов обработки.

NVM хранит как коды программы, так и коды PMBus. При включении содержимое NVM загружается в оперативную память для быстрого доступа к процессору. NVM служит долговременным хранилищем кода, который определяет данные о функции источника питания, хранящиеся при повышенных температурах и времени.

Боковая панель: Компенсация регулятора напряжения

Рис. 5. Диаграмма Боде для регулятора LTC1736 IC показывает частоту кроссовера, коэффициент усиления и запас по фазе для схемы на рис. 6.

Рис. 6. Схема IC регулятора LTC1736, показывающая компоненты компенсации, подключенные к выводу ITH.

Коэффициент усиления и фаза регулятора напряжения с замкнутым контуром зависят от частоты, как показано на рис. 5 , диаграмме Боде для схемы LTC1736 на рис. 6. Ключом к диаграмме Боде регулятора напряжения являются полюса и нули каждого компонента. Каждый полюс имеет угловую частоту, вызванную сопротивлением и емкостью, которые определяют начало падения усиления по напряжению на 20 дБ/декаду. Полюс также вызывает уменьшение фазы на 90°. Нуль имеет противоположный эффект, он вызывает увеличение усиления на 20 дБ/декаду, начиная с угловой частоты «RC», и добавляет фазовый сдвиг на 90°. Эффекты полюсов и нулей суммируются, так что два полюса на одной частоте вызывают спад усиления на 40 дБ/декаду и фазовый сдвиг на 180° в течение двух декад. Если полюс и ноль встречаются на одной и той же частоте, их эффекты аннулируются. Частота, на которой коэффициент усиления контура управления пересекает единицу (0 дБ), является частотой кроссовера, определяющей полосу пропускания регулятора и переходную характеристику.

Используя анализатор цепей, вы можете определить запасы устойчивости, измерив коэффициент усиления и фазу контура управления, а затем наблюдая за результирующей диаграммой Боде. Запас по фазе представляет собой разницу между фазой сигнала и –360°, когда коэффициент усиления по напряжению равен единице (0 дБ). Предпочтителен запас по фазе 60°, но обычно приемлем 45°. Запас усиления — это количество отрицательного усиления, присутствующего, когда фаза сигнала равна нулю (–360°). Запас по усилению –10 дБ обычно считается приемлемым. Усиление и запас по фазе важны, поскольку фактические значения компонентов могут меняться в зависимости от температуры. Таким образом, номиналы компонентов могут различаться в зависимости от производства, что приводит к соответствующим изменениям коэффициента усиления и фазы контура управления. Кроме того, значения компонентов могут изменяться со временем и вызывать нестабильность.

Если значения компонентов приводят к тому, что фаза становится равной нулю на частоте кроссовера, регулятор становится нестабильным и колеблется. Цель компенсации состоит в том, чтобы обеспечить наилучшие запасы по усилению и фазе с максимально возможной частотой кроссовера. Высокая частота кроссовера обеспечивает быструю реакцию на изменения тока нагрузки, в то время как высокий коэффициент усиления на низких частотах приводит к быстрой стабилизации выходного напряжения.