Импульсные преобразователи напряжения

Неотъемлемой частью любого электронного устройства является сетевой блок питания. По основным своим характеристикам, он должен обеспечивать необходимый уровень выходного напряжения и тока, иметь минимальный уровень пульсаций, хороший отвод тепла и обеспечивать надёжную работу устройства на протяжении длительного времени. Кроме того, блок питания должен иметь минимально возможные габариты и массу - это особенно актуально для портативных переносных приборов и аппаратуры.


Классические схемы блоков питания построены по следующему принципу – понижающий трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр и стабилизатор выходного напряжения (рис.1).

Рис.1. Структурная схема блока питания


Основными недостатками таких блоков являются большие габариты, низкий коэффициент полезного действия вследствие теплового рассеивания мощности на выходном стабилизаторе. Поэтому, в последнее время всё чаще применяют импульсные стабилизаторы. Они позволяют значительно увеличить КПД блока питания, однако, не избавляют от таких громоздких элементов, как понижающий трансформатор и сглаживающий фильтр, в качестве которого применяют электролитический конденсатор большой емкости – от 1000 мкФ и выше. Особенно это актуально в устройствах, которые потребляют небольшой ток – до 300 мА. В них зачастую габариты блока питания в несколько раз превышают вес и габариты собственно самого устройства. Кроме того, «трансформаторные» блоки питания очень чувствительны к повышенному напряжению в питающей сети. При повышенном напряжении они интенсивно нагреваются, что может привести к возгоранию трансформатора – поэтому, многие производители снабжают их «термопредохранителем», который должен разорвать сетевую обмотку в случае достижения трансформатором критической температуры. Отсюда получаем ещё один недостаток таких блоков питания – узкий диапазон входного напряжения. Если при повышенном входном напряжении можно получить перегрев трансформатора, о чём говорилось выше, то при пониженном напряжении блок питания попросту не обеспечит заданных параметров выходного напряжения.


Поэтому, здесь мы остановимся на импульсных преобразователях напряжения, которые позволяют построить бестрансформаторные блоки питания с широким диапазоном входного напряжения и минимальными габаритами и массой. В качестве примера рассмотрим линейку LinkSwitch-TN LNK302 – LNK306, выпускаемых компанией Power Integrationws. Семейство LinkSwitch-TN разработано специально для замены всех линейных и на конденсаторных балластах неизолированных источников питания с током нагрузки до 360 мА при равной себестоимости системы, но предлагая более высокую эффективность и качество функционирования. 


Среди заявленных производителем возможностей преобразователей LNK302 – LNK306 выделим следующие характерные особенности:


- Эффективная по стоимости замена линейных/емкостных источников питания
- Понижающий преобразователь с минимальной стоимостью и числом компонентов
- Полностью интегрированные схемы защиты от короткого замыкания с автоматическим перезапуском и защиты от обрыва цепи обратной связи, что уменьшает количество внешних компонентов
- Работа на частоте 66 кГц с точным порогом тока, что позволяет использовать недорогую индуктивность 1 мГн при токах нагрузки до 120 мА
- Высокая стабильность и малая чувствительность к температуре
- Высокое напряжение пробоя 700В обеспечивает превосходную стойкость к выбросам на входе
- Намного более высокая эффективность по сравнению с дискретными понижающими преобразователями и пассивными стабилизаторами
- Защиты от перегрева, короткого замыкания выхода и обрыва обратной связи
- Превосходная стабилизация при изменениях входного напряжения и тока нагрузки даже в типичной конфигурации
- Широкий частотный диапазон обеспечивает быстроту включения без перерегулирования
- Работа схемы ограничения тока подавляет пульсации
- Универсальный входной диапазон напряжения (~85…265В)
- Встроенное ограничение тока и термозащита с гистерезисом
- Более высокий КПД. по сравнению с пассивными решениями
- Поддержка SMD-технологии
- Собственное типичное потребление всего лишь 50/80 мВт при реализации понижающей топологии при входном напряжении ~ 115/230В без нагрузки (оптронная обратная связь)


Рассмотрим структурную схему преобразователей линейки LinkSwitch-TN (рис.2)

Рис.2. Структурная схема преобразователей линейки LinkSwitch-TN 


Представители LinkSwitch-TN содержат 700В-ый МОП-транзистор, генератор, простую схему управления включением/отключением, высоковольтный импульсный источник тока, генератор плавающей частоты, пошаговое ограничение тока и термозащиту в одной интегральной схеме. Напряжение питания берется непосредственно с вывода DRAIN, что исключает необходимость формирования напряжения смещения и связанной с этим схемой в понижающих или обратноходовых преобразователях. Полностью интегрированная схема автоматического перезапуска в LNK304-306 безопасно ограничивает выходную мощность при выявлении аварийных ситуаций, например, короткого замыкания или обрыва обратной связи, за счет чего снижается количество внешних компонентов и себестоимость схемы защиты. Локальное питание, генерируемое самой ИС, позволяет использовать оптопару для сдвига уровня, что позволяет улучшить характеристики стабильности выходного напряжения при изменении входного напряжения и нагрузки в понижающих и понижающих/повышающих преобразователях.


Микросхемы LNK выпускаются в двух типах корпусов – DIP-8B и SMD-8B (рис.3)

Рис.3. Варианты корпусов LinkSwitch-TN 


Назначение выводов:


DRAIN (D) - Сток внутреннего силового МОП-транзистора. Выступает в качестве вывода питания как при запуске, так и в процессе работы.


BYPASS (BP) - Точка подключения внешнего блокировочного конденсатора 0.1 мкФ для внутреннего источника напряжения 5,8В.


FEEDBACK (FB) - В процессе нормальной работы данный вывод управляет состоянием силового МОП-транзистора. Включение МОП-транзистора происходит, если ток через данный вывод превышает 49 мкА.


SOURCE (S) - Исток внутреннего силового МОП-транзистора. Выступает в качестве общего для выводов BYPASS и FEEDBACK.


Структурно-принципиальная схема включения LNK302 показана на рисунке 4. Она характеризуется минимальным числом использованных внешних компонентов и является типовой для всей линейки рассматриваемых микросхем:

Рис.4. Схема включения LNK-302 


На рисунке 5 показана принципиальная схема со всеми номиналами внешних элементов импульсного преобразователя 230В/12В-120 мА на микросхеме LNK304. Причём, данную схему довольно просто пересчитать под другое заданное выходное напряжение – она зависит от номиналов резисторов R1 и R3 и рассчитывается по формуле: Uвых = 1,65(1 + R1/R3). Интервал входного сетевого напряжения находится в диапазоне 85 – 265 В, обеспечивая при этом стабильные 12 постоянного напряжения на выходе.


Так как данный блок питания работает на частоте примерно 66 кГц, для фильтрации выходного напряжения достаточно электрического конденсатора емкость 100 мкФ. Особое внимание нужно уделить диоду D1 - он должен быть "высокоскоростным" - так называемый ультрафаст-диод. Недостаток приведённой схемы - это отсутствие гальванической развязки с питающей сетью. Но к сожалению, это особенность всех бестрансформаторных источников питания.

Рис.5. Принципиальная схема блока питания на LNK-304


При изготовлении печатной платы блока питания на преобразователях LNK следует придерживаться определённых требований. Например, с целью максимальной помехозащищённости подобных схем, производитель советует оставлять проводящее покрытие (фольгу печатной платы) под всей поверхностью микросхемы (рис.6)

Рис.6. Печатная плата блока питания на LNK-304 


Подобная схема блока применена в одном из авторских проектов – Устройство защиты от перепадов напряжения. Блок питания, используемый в данной разработке, гарантировано выдаёт стабильное напряжение 12 при входном напряжении от 40 до 400В. Но там дополнительно на входе блока питания используется конденсаторный делитель, что позволило расширить верхний уровень входного напряжения почти до 500 В. Кроме того, эксперименты с данным преобразователем показали, что он запускается при напряжении значительно меньшим, чем заявлено производителем – устойчивая работа начиналась всего при 30 В на входе.


На основе преобразователей LinkSwitch-TN LNK302 - LNK306 можно создавать компактные бестрансформаторные блоки питания. В качестве примера на рис. 7 показан такой блок питания, собранный на макетной плате, которая имеет размеры всего 30x30 мм. По схемной реализации он аналогичен блоку питания, описаному выше - при входном напряжении 230В выходное напряжение составляет 12В при токе до 100 мА

Рис. 7. Макет блока питания