понижающий, 5-амперный ключевой DC-DC регулятор

» Подробное описание МХL 1074

MXL1074 — монолитный, биполярный с широтно-импульсной модуляцией (PWM), ключевой DC-DC понижающий регулятор. Рабочий выходной ток этой микросхемы достигает 5-ти ампер. При этом выходное напряжение можно регулировать от 2,5 до 35 вольт. Требуется минимальное количество внешних, пассивных компонентов чтобы схема стала работать в стандартном включении. (См. рис. 1).

Рис. 1. Понижающий преобразователь на 5 В; 5 A

Силовой ключ, генератор, схема управления — все эти узлы находятся на одном кристалле. Используя классическую топологию импульсного понижающего стабилизатора, данный прибор выполняет функцию сильнотокового регулятора. Но этот же прибор может быть конфигурирован как инвертор, или импульсный повышающий регулятор отрицательного напряжения, или конвертер обратного хода.

Регулятор имеет превосходные динамическую и переходную характеристики. Ограничение тока, возможное в каждом цикле, предотвращает отказы при сверхтоках и при коротком замыкании выхода схемы.

Регуляторы MXL1074 имеют широкий диапазон входного напряжения, который составляет 8…40 вольт. При инвертировании или в режиме повышения входное напряжение может находиться в пределах от 5 В и выше.

В регулятор встроен генератор с предварительно установленной частотой 100 КГц. Внутреннее ограничение тока лимитировано на уровне 6,5 ампер.

MXL1074 выпускается в 5-ти выводном корпусе ТО-220 (см. рис. 2). Задняя, металлическая часть соединена с землёй. Стандартный корпус имеет выводы, расположенные уступами. При необходимости, можно заказать на заводе-изготовителе корпуса с прямыми выводами.

Диапазон рабочих температур 0…+70°С (С) или -40°С…+85°С (Е).

Рис. 2. 5-выводной TO-220

Эти приборы могут найти самое широкое применение в источниках питания и в преобразователях DC-DC для различной электронной аппаратуры.

Для получения дополнительной информации звоните по телефону: (095) 797-89-93. https://betonmobile.ru/mobile-liga-stavok .

Линейные регуляторы с увеличением отдаваемой мощности начинают сильно греться, да и эффективность их низка. С повышением температуры прибора очень часто не могут помочь и радиаторы, так как большинство систем выполняются в закрытом виде и с низкой тепловой передачей от внутреннего источника тепла на «внешнюю сторону».

MXL 1074, регулятор переключающего типа, специально разработан для преобразования входного напряжения в необходимое для нагрузки с током до 5-ти Ампер и при этом прост в использовании. Однако, чтобы получить максимальную отдачу от этих приборов, разработчику необходимо знать внутреннее устройство регулятора и его принцип работы.

На рис.1 представлена блок-схема регулятора MXL 1074.

Цикл включения MXL 1074 осуществляет генератор установкой R\S-триггера-защелки. Импульс, который устанавливает защелку, одновременно блокирует ключ через затвор элемента G1. Эффективная ширина этого импульса приблизительно 700 нсек. При 100-килогерцовой частоте переключения он равен максимуму рабочего цикла, что соответствует 93% эффективности. Ключ также может отключаться от триггера-защелки, когда последний устанавливается в «0» от компаратора С1. На компаратор подаются 2 сигнала: один - пилообразное напряжение, второй – с аналогового умножителя. На выходе умножителя формируется сигнал по формуле , где: Х - сигнал усилителя ошибки А1; У – внутреннее опорное напряжение; Z - входное напряжение.

В стандартном импульсном понижающем регуляторе это означает, что напряжение на выходе А1 для сохранения постоянным выходного напряжения регулятора не зависит от входного напряжения.

Усилитель ошибки – усилитель тока, управляемый напряжением с проводимостью в нуле, примерно, 5000мкСм. Положительное значение тока составляет 140 μА, а отрицательное –до 1,1 m А.

Такая асимметричная информация предотвращает перерегулирование при запуске. Контур частотной компенсации формируется последовательной RC-цепочкой от вывода Vс к земле. Ток непрерывно контролируется компаратором С2, который сбрасывает триггер-защелку в «О», если ток через ключ превышает установленный порог. Задержка на отключение составляет примерно 600 нсек. При закороченном выходе, рабочий цикл ключа может быть менее 2% для поддержки управления выходным током. Это требует 200 нсек времени открытого ключа при 100-килогерцевой частоте переключения. Таким образом, частота уменьшается при очень низком напряжении обратной связи на FB, причем, понижение частоты происходит линейно, если сигнал FB ниже 1,3В. Внутреннее ограничение по току установлено, приблизительно на уровне 6,5 А. Выходной ключ в микросхеме выполнен на биполярных транзисторах N-P-N структуры (по схеме включения Дарлингтона), которые управляются насыщенным P-N-P транзистором. Для быстрого включения и выключения P-N-P транзистора используется специальная патентованная схема. Такое построение ключа позволяет изменяться выходному напряжению относительно земли до 40 В.

Вывод «U вх.»(U in) используется для подачи питания к внутренним схемам управления и к силовому ключу. При переключении больших токов (до 5А) на этой ножке могут быть большие выбросы импульсного напряжения которые зависят от скорости переключения и индуктивностей (например, у входного конденсатора) подключенных к выводу Uвх. Поэтому входной конденсатор необходимо разместить максимально близко к регулятору. Шины подключения должны быть широкими для избежания дополнительной индуктивности. Конденсаторы используйте с радиальными выводами. Пики выбросов напряжения от индуктивности на выводе U вх. Определяется значениям .Lp, что приблизительно равно 2 В на дюйм длины вывода для MXL 1074.

Вывод «Земля» (Ground).

Для качественного регулирования выходного напряжения должно быть правильное соединение этого вывода с нагрузкой. Внутреннее опорное напряжение связано с выводом «Земля». Поэтому все колебания относительно нуля передаются на выход регулятора согласно выражению DU_вых=.

Для получения хороших результатов при регулировании необходимо чтобы вывод «Земля», резистор делителя обратной связи и прибор для измерения напряжения на нагрузке были объединены в одном узле, как это показано на рис.2.

Вывод обратной связи.

Вывод обратной связи является инвертирующим входом усилителя рассогласования, который управляет регулятором настройки длительности рабочего цикла. На неинвертирующий вход усилителя рассогласования подается опорное напряжение, величиной 2,21 В. Для снижения перерегулирования при запуске этот усилитель имеет асимметричный коэффициент усиления относительно входного сигнала. Поэтому усилитель более чувствителен к большим напряжениям пульсации по цепи обратной связи. 100 mВ пульсация на входе усилителя эквивалентно сдвигу на 0,7% выходного напряжения. Для снижения значения ошибки выхода необходимо выполнять требование, по которому значение пульсации (от пика до пика) не должно превышать 4% от выходного напряжения по постоянному току.

При запуске выход микросхемы может быть закорочен. В этом случае частота переключения может снизится со 100 кГц до 20 кГц, а время открытого состояния силового ключа (при Uвх=25 В, Uвых=0В и f=100кГц) составляет 0,2 mсек. Теоретически время открытого состояния ключа рассчитывается:

t отк.=, где:

Ud – прямое падение напряжение на диоде (=0,5В)
f - частота переключения

При старте частота снижена так, что выходное напряжение не превышает 60% нормального значения. При этом, пока выходное напряжение не достигнет » 20% нормального значения, частота переключения составляет » 20 кГц. Для соблюдения соотношения внутренних параметров с внешним резистором делителя (на рис.2 – R 2),последний должен быть не более 4 кОм.

Усилитель рассогласования.

У этого усилителя входные сигналы - напряжение, а на выходе – ток. Коэффициент передачи Gm порядка 5000 мкСм. Коэффициент усиления по напряжению зависит от частоты и корректирующей цепочки Rc и Сс. Значение его меняются от 2000 для постоянного тока до величины Ku = на средних частотах и Ku=Gm Rc на высоких частотах.

Как показано в типовой схеме включения понижающего преобразователя, значение индуктивности составляет 50 mГн. Эта величина позволяет иметь непрерывный ток, по крайней мере до 3 А. Вообще, типовое значение индуктивности от 5 mГн до 200 mГн. Малые значения применяются при малой мощности, а максимальные – при большой мощности и/или малых пульсациях. Длительность рабочего цикла, практически не зависит от тока нагрузки и определяется по формуле Тр.ц.= , где

Ud – прямое падение напряжения на обратном диоде Шоттки.
Uкл –падение напряжения на ключе в открытом состоянии.

Например: U вх = 25 В, Ud = 0,5В, Uкл= 2 В, U вых = 5 В

Тр.ц.=

Ток будет оставаться непрерывным до значения определяемого выражением:

Iвых(крит) = =0,42 А

В прерывистом режиме протекания тока за счет ёмкости ключа, обратного диода и индуктивности образуется колебательный контур, который «звонит» на частоте 2050 МГц.

Для уменьшения амплитуды колебания «звона» необходимо все соединения делать очень короткими. Желательно так же на вывод диода Шоттки установить ферритовую бусинку.

Входной конденсатор.

Входной блокировочный конденсатор необходим для сглаживания пульсаций входного напряжения, возникающих при работе преобразователя. Величина его должна быть достаточно большой чтобы не допустить перегрева из-за ESR (эквивалентного последовательного сопротивления) и (среднеквадратичного значения) пульсирующий составляющей тока, который протекает через входной конденсатор.

I _ср.кв = I_вых.

Наихудший случай, когда V вх= 2 Vвых.

Например: I вых=3А, Uвых=5В.

Наихудший случай при Uвх = 2Uвых = 10В, так что желательно использовать Uвх=20В.

I_ср.кв.= 3 А = 1,3 А (ср.кв)

Во многих случаях ESR более важный параметр, чем фактическое значение емкости, так как электролитические конденсаторы практически не работают на частоте 100кГц. Значение ESR и среднеквадратическое значение пульсирующего тока для этого случая можно найти в технических условиях на электролитические или танталовые конденсаторы. Для данных преобразователей входной конденсатор может иметь величину от 200мкФ до 220 мкФ.

Конденсатор выходного фильтра.

Здесь также очень важен ESR конденсатора. В непрерывном режиме пульсации на выходе можно рассчитать по формуле:

Uр-р =

Свыше 10 кГц конденсатор можно считать как простое сопротивление. Если индуктивность уже выбрана, то выбор конденсатора проводим по ESR

ESR (max) =

Например: U вх=25 В, Uвых=5 В, I вых=3 А, L1 = 50 mГн, t = 100 кГц.

Требуется Uр-р не более 25 mB.

ESR= =0,03 Ом

Десятивольтовый конденсатор с таким ESR должен иметь несколько тысяч микрофарад и поэтому имеет довольно большие размеры. При необходимости, можно поставить несколько конденсаторов меньшего номинала в параллель.

Выбор индуктивности.

Если использовать катушку с низким значением индуктивности, то на выходе не получим ту мощность, на которую рассчитываем. Слишком большая индуктивность имеет большие габариты и плохую переходную характеристику. С другой стороны, индуктивность должна работать и не входить в насыщение при пульсации тока, который может быть значительно выше, чем ток нагрузки. Пульсирующий ток вызывает эффект нагревания сердечника. Поэтому величина его для данной катушки не должна приводить к аварийному состоянию (перегреву). С повышением рабочей частоты индуктивность должна снижаться обратно пропорционально. Но тогда потеря энергии от пульсации тока должна рассеиваться в меньшем сердечнике. Поэтому повышение температуры и эффективность ограничивают уменьшение размеров сердечника. Надо учесть, что малые габариты сердечника к тому же усложняют возможность намотки провода.

Обычные сердечники из порошкового железа работают примерно до 40 кГц. Для 100 килогерцовой частоты требуется уже другой материал. Это может быть молибденовый пермаллой, феррит и др. Они имеют низкие потери на этих частотах, но существенно дороже железных сердечников. Поэтому выбор катушки индуктивности является важным этапом в разработке преобразователя. Наиболее часто применяют тороидальные сердечники. Они позволяют максимально использовать сечение сердечника, уменьшаются размеры и у них самые низкие электромагнитные излучения краевого поля. Расчет минимальной индуктивности для непрерывного тока I вых £ I м

L min =

Для инвертирующего режима при I вых £

L min =

Для повышающего конвертера при I вых £

Lmin=

Где: I m –максимальный ток ограничения через выходной транзисторный ключ.

Для более точного расчета индуктивности можно применить формулу, которая учитывает габариты, характеристику материала сердечника и пр. Однако, нужно знать, что изменение индуктивности от 20 mГн до 100 mГн дает непрерывность выходного тока I вых. , соответственно, от 4,5 А и до 5,1 А. Поэтому указанная в схеме индуктивность в 50 mГн, применима в большинстве случаев при работе MXL 1074 на частоте @ 100 кГц.

Для преобразования высокого входного напряжения в выходное +5В можно использовать типовую схему включения, представленную на рис.3. Эта схема может использоваться как для непрерывного тока, так и прерывистого. Только нужно помнить, что если схема включена в режиме непрерывного тока, а нагрузка резко уменьшилась, то схема войдет в режим прерывистого тока. MXL1074 одинаково хорошо работает в любом из указанных режимов.

Токоотводящий диод.

Диод MBR 745 используется для протекания тока от L1 через нагрузку в момент, когда ключ MXL1074 выключен. Наиболее тяжелый режим работы этого диода, когда выход закорочен, т.е. Uвых. = 0. Ограничение по току происходит только на уровне, установленном в самой микросхеме MXL1074. Если необходимо точно ограничить ток каким-либо значением, то можно использовать схему , показанную на рис. 4.

Что бы снизить потери в диоде, необходимо что бы время обратного восстановления диода было минимальным ( обычно не более 100 нсек). Диоды с жестким переключением имеют характеристику с высокой колебательностью при восстановлении, и большая часть рассеиваемой мощности перейдет на транзисторный ключ. Диоды с мягким восстановлением (апериодический закон) имеют, как правило, достаточно высокое значение t_rr ( время обратного восстановления ) и большая часть рассеиваемой мощности падает непосредственно на диоде. Мощность потерь на диоде можно рассчитать по формуле

Pt_rr = где:

t_rr – время обратного восстановления диода

Например: U вх=25 В, f= 10 Гц ,trr= 100 нсек, I вых= 3А, тогда

Pt_rr = 25 вт

Недопустимо высокая мощность рассеяния диода может привести к тепловому пробою и выходу прибора из строя.

Выходной делитель

Резисторы R 1 м R2 устанавливают выходное напряжение преобразователя. R2 обычно берут сопротивлением 2,21 кОм (стандартные , 1%), что соответствует опорному напряжению MXL 1074, равному 2,21 В. Получаем ток делителя величиной 1 m А.

R1 рассчитывается из следующего выражения

R 1 =

Если R2 = 2,21 кОм, то R 1= ( Uвых.- U оп) кОм

Ограничение тока.

Если максимальный ток нагрузки существенно меньше, чем 6,5 А (внутренний токовый предел), а размеры катушки индуктивности или диода имеют большое значение, можно использовать схему, представленную на рис.4. L2 - это токовый трансформатор, который в течение времени выключенного ключа дает информацию, пропорциональную протекающему току. Потери в схеме измерителя тока меньше 0,1 Вт. Катушка L2 имеет 100 витков и, следовательно, передает 1/100 часть измеряемого тока на резистор R_s в момент, когда диод D1 проводит. Предел тока устанавливается резистором R_s исходя из следующего выражения:

Rs = где I x =

Здесь: Ube- прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора Q1 (при Iк=500 mА, Uбэ = 600 mB)

Iогр. – желаемое ограничение выходного тока. Обычно устанавливают равные 1,25 от максимального тока нагрузки, чтобы учесть изменения в Uбэ и допуски составляющих элементов.

Например, необходим максимальный ток нагрузки 3А. Тогда устанавливаем Iогр.= 3,75 А. При Uвх. = 25 В и U_вых =5B имеем:

Ix=

Rs =

R5, C3 и D3 дают возможность управлять частотой компенсации петли токового ограничения.

Понижающий конвертор с расщепленной обмоткой.

Выходной ток понижающего конвертора обычно ограничивается максимальным током ключа. Если необходимо увеличить выходной ток, то используют расщепленную обмотку, как показано на рис.5. «Входная» часть индуктора имеет отношение к «выходной», как N :1, где N³1.

Это приводит к более длительному времени передачи энергии от индуктора в нагрузку. Максимальный выходной ток для такой схемы можно рассчитать по формуле:

I вых.(max)=0,95

Здесь L – полная индуктивность .

Например: Uвх.= 20 В, N = 3, L=100 mГн, Uвых = 5 В. Падение напряжения на диоде U = 0,55 В, F=100 кГц, I кл=5,5 А ( максимум для MXL 1074)

V вых^’ = 5 В+ 0,55 В=5,55 В, U вх^’ = 20 В-2 В=18 В.

I вых.(max) = 0,95= 0,95 =10,08 А

Таким образом, увеличив ток нагрузки до 10,08 А, ток через ключ микросхемы остаётся на прежнем уровне – 5,5 А.

Преобразование положительного напряжения в отрицательное

Микросхема MXL 1074 позволяет легко получить отрицательное напряжение из положительного. При этом абсолютное значение суммы входного и выходного напряжения должна быть более 8В. На рис.6 показана схема включения преобразователя для такого случая.

Элементы R1, R2, С4 добавились к основной схеме для гарантированной стабилизации по петле обратной связи при низком входном напряжении. Они могут отсутствовать при отношении Uвх/ U вых 2. Максимальный выходной ток зависит как от входного, так и выходного напряжения. Так если на входе Uвх= 30 В, то выходной ток может быть 4A, а вот при Uвх = 5В, более 1,3А вы не получите. Зависимость максимального выходного тока от входного напряжения при преобразовании положительного напряжения в отрицательное показана на рис.7. Все расчеты по выбору элементов (индуктивность, входной и выходной конденсатор) и выбор режима работы можно посмотреть в технической документации на данный прибор.

Повышающий преобразователь отрицательного напряжения

MXL 1074 может быть сконфигурирован как повышающий преобразователь отрицательного напряжения (см.рис.8). В этой схеме вывод «Земля» микросхемы соединяют с отрицательной шиной преобразователя. Это позволяет работать от входного напряжения – 4,5 В, если выходное напряжение по меньшей мере – 8 В. R1 и R2 устанавливают выходное напряжение как при обычном подключении. R1 рассчитывается по формуле:

R 1 =

Надо отметить, что из-за специфики этого режима значение L1 должно быть небольшим. Иначе затруднена стабилизация регулятора, особенно при низком входном напряжении. Если Uвх больше 10 Вольт, то L1 может быть увеличено до 50 mГн. Есть 2 важных момента для данного типа преобразователя. Входное напряжение должно быть всегда меньше выходного, по крайней мере на величину прямого падения напряжения на диоде D1, и выходное напряжение не должно проваливаться, т.е. не должно быть выше чем входное. Например, при коротком замыкании на выходе и большом токе, который может отдавать источник питания, возможно выгорание диода D1, даже если поставить плавкий предохранитель. Номинальный ток D1 должен быть в 2-3 раза больше выходного тока.

Повышающий преобразователь должен иметь ключ, у которого максимальный ток существенно превышает выходной ток нагрузки.

Так для максимального тока через ключ Iм = 5,5А, ток нагрузки соответствует 0,82 А при Uвх= 4,5 В, 1,8 А при Uвх = 8 В и 3,1 А при Uвх = 12 В.

Выходной фильтр

Если пульсации выходного напряжения должны быть менее 2% от Uвых., то ставят дополнительно выходной фильтр (см. рис.8). Это существенно лучше, чем просто ставить конденсаторы очень большой емкости. Выходной фильтр состоит из малой индуктивности ( 2mГн-10mГн) и конденсатора, обычно 50-200 мкФ. Если сначала выбран конденсатор, то значение индуктивность находят из требований пульсаций:

Lf = , где: ESR – эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора фильтра; Косл- отношение выходных пульсации к требуемым.

Например: При 100 кГц рабочей частоты пульсации на выходе преобразователя составляют 150 mВ ( р-р). Необходимо понизить пульсации до 20 mВ. Косл = 150 : 20 =7,5. ESR выбранного конденсатора фильтра равно 0,3 Ом.

L = = 2,8 mГн

Этот материал дает разработчикам источников питания первичное представление о структуре преобразователя и показывает некоторые особенности при включении MXL 1074. Более полную информацию и выбор преобразователя можно найти в технической документации фирм-производителей.

Нужно отметить, что MAXIM выпускает аналогичные микросхемы преобразователей собственной разработки. Так МАХ 724 имеет, практически, те же параметры и схему включения, что и МXL 1074.Микросхемы МАХ 787, 788, 789 имеют на выходе фиксированное напряжение, соответственно 5 В; 3,3 В; 3 В. Все эти приборы выпускаются в корпусе ТО-220 с 5-ю выводами.

Указанные конверторы могут найти самое широкое применение в источниках питания и в преобразователях DC-DC для различной электронной аппаратуры.

Для получения дополнительной информации звоните по телефону: (095) 797-89-93.
https://betonmobile.ru/mobile-liga-stavok .

версия для печати