1.2. Понижающий преобразователь

Микросхема может работать в диапазоне входных напряжений 2,5..9,8 В. Благодаря низкому значению опорного напряжения, схему можно использовать для стабилизации низких напряжений от 0,8 В и выше. Максимальный ток нагрузки — 150 мА. Схема внутреннего устройства микросхемы LTC1779 показана на рис.1.2.1. Схема содержит: .

-задающий генератор OSC опорной частоты 550 кГц;

-сборку из 25 параллельно включенных полевых транзисторов (один транзистор из сборки включен через резистор 2 Ом для возможности контроля тока);

-усилитель контроля тока IСМР;

-источник опорного напряжения VREF= 0,8 В (VoltageReference);

-компаратор сигнала ошибки обратной связи по напряжению ЕАМР;

-элементы защиты от перегрева и др.

Рисунок 1.2.1 - Внутреннее устройство микросхемы LTC1779

При обнаружении короткого замыкания в нагрузке, частота генератора уменьшается до 100 кГц, что уменьшает нагрузку на элементы преобразователя.

На функциональной схеме обозначены следующие выводы:

- ITH/RUN - вход компенсации частотной характеристики цепи обратной связи, или запрета работы схемы (при нулевом напряжении); оптимальные значения параметров RC-цепочки компенсации определяются значением индуктивности дросселя, емкостью фильтра, сопротивлением нагрузки;

-GND - ‘‘земля”.

-VFB (FeedBack) — вход обратной связи по напряжению; используется для контроля выходного напряжения преобразователя;

-SENSE — управление чувствительностью по току; подключение внешнего резистора или перемычки на вход определяет чувствительность схемы по выходному току; при отключении вывода контроль по току отключается;

-VIN — входное напряжение питания; используется для питания элементов схемы;

-SW (Switch) — выход ключевых транзисторов; при открытом ключе выход SW замыкается на источник питания.

Выходное напряжение преобразователя можно регулировать с помощью резистивного делителя в цепи обратной связи.

Выходное напряжение V_0UT, поступая на резистивный делитель R2, R3, формирует напряжение обратной связи

(3)

Равновесное состояние схемы устанавливается при равенстве внутреннего опорного напряжения и напряжения обратной связи .При этом

(4)

Для значений сопротивлений =76кОм 0.8 В получим

Таким образом, для схемы рис 1.2.2 делитель настроен на выходное напряжение схемы 2.5 В.

Диод DFLS220L(диод Шоттки). Транзистор PNP. Схема импульсного понижающего преобразователя напряжения LT1779.

Для исследования влияния R1 взять значения R1/10, R1, 3*R1, 4*R1.

Для исследования влияния Q взять значения от 0 до 1 с шагом 0.1*Tperiod (Q=Ton/Tperiod).

Для исследования влияния корректирующей RC-цепочки частотной зависимости обратной связи взять R5 - R5/2, R5, 5*R5, 1ГОм.

Таблица 3 - Исходные данные

N	L1, мкГн	C1, мкФ	R2, кОм	R3, кОм	Rload, Ом	R1, Ом	R5, кОм	C2, пФ	Vinitial	Tdelay	Von, В	Tris, мкс	Tfall,мкс	Ton, мкс	Tperiod,мкс
12	19	49	167	76	7.75	2.2	7.75	498	0	0	5	0,01	0,01	1,1	2

Рисунок 1.2.2 - Схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779

Рисунок 1.2.3 - Зависимость выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1)

Рисунок 1.2.4 - Изменение во времени тока диода I(D1) и выхода ключа микросхемы Ix(U1:SW)

Рисунок 1.2.5 - Схема с параметрическим заданием R1

Рисунок 1.2.6 - Влияние сопротивления контроля тока R1 на выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1)

Рисунок 1.2.7 - Схема с R5=R5/2

Рисунок 1.2.8 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = R5/2;

Рисунок 1.2.9 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1мс

Рисунок 1.2.10 - Схема с R5=R5

Рисунок 1.2.11 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = 7.75 кОм

Рисунок 1.2.12 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1мс

Рисунок 1.2.13 - Схема с R5=5*R5

Рисунок 1.2.14 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = 38.75 кОм

Рисунок 1.2.15 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1мс

Рисунок 1.2.16 - Схема с R5=1ГОм

Рисунок 1.2.17 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = 1ГОм

Рисунок 1.2.18 - Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1мс

Рисунок 1.2.19 - Упрощенная схема импульсного понижающего преобразователя

Рисунок 1.2.20 - Изменение выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) в упрощенной схеме импульсного понижающего преобразователя

Рисунок 1.2.21 - Схема опорного генератора

Рисунок 1.2.22 - Изменение выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) для разных значений заполнения Q

Рисунок 1.2.23 - Изменение тока индуктивности I(L1) для разных значений заполнения Q

2 Исследование широтно-импульсной модуляции

2.1 Упрощенная схема широтно-импульсного модулятора

Заполнение Q сигнала нашего ШИМ генератора изменяется по пилообразному закону, заполнение Q определяется отношение длительности открытого состояния к периоду повторений изменений состояния ключа. Импульсный сигнал имеет минимальное заполнение Q=0 в точках кратных 1ms, т.е. в точках 0 и l ms графика. Максимальное заполнение сигнала Q=1 реализуется через 0.5ms.

Выходное напряжение V(out) с небольшим запаздыванием воспроизводит изменение заполнения Q ШИМ сигнала: минимум — около 0 и 1 мс, максимум — около0,5 мс. На рис. 2.1.3-5 показаны фрагменты изменений напряжения импульсного ШИМ сигнала на выходе ключа V(SW), выходного напряжения V(out) для интервалов времени с различным значением заполнения Q.

Как видно из этих зависимостей, выходное напряжение V(out) примерно про­порционально заполнению Q импульсного ШИМ сигнала. Однако эта зависимость, несколько искажена отставанием изменений выходного напряжения от изменений заполнения.

Для характеристики степени отклонения выходного сигнала от изменений заполнения добавим на график выходного напряжения график изменений заполнения.

Для описания пилообразного закона изменения заполнения при заданном периоде повторения импульсного сигнала Т1 = 1 мс удобно использовать следующую Spice-функцию:

if (time<0.5, time, lm-time)

Здесь if (<условие>, <значение1>, <значение2>) —условный опе­ратор, принимающий значение 1, если условие истинно, в противном случае — <значение2>. Переменная time зарезервирована для времени.

Здесь значительно лучше видна степень отклонения выходного сигнала от пилообразного значения. Эти уклонения обусловлены слишком большой емкостью конденсатора фильтра С1.

Оптимальное значение емкости фильтра определяется соотношением между активным сопротивлением нагрузки Rload и реактивного сопротивления Хс емкости С фильтра на частоте преобразователя f:

(5)

В нашем случае реактивное сопротивление равно сопротивлению нагрузки при значении емкости

Таким образом, значение емкости фильтра близко к оптимальному значению, когда значения активного сопротивления нагрузки и реактивного сопротивления конденсатора фильтра близки. Это необходимо учитывать при выборе емкости фильтра для схемы ШИМ.

Заметим, что для схем импульсных стабилизаторов напряжения критерии выбора емкости фильтра несколько иные. В этой схеме основными критерием является размах пульсаций выходного напряжения. Чем меньше пульсации, тем лучше. По той причине значение емкость фильтра стараются выбрать максимально большим при этом ограничивающим фактором являются габариты конденсатора.

Диод DFSL220L (диод Шоттки). Транзистор PNP

Для исследования влияния Q взять значения от 0.2, 0.5, 0.8

Для исследования влияния С1 взять значения 0.1*С1, 0.01*С1, 0.001*С1

Таблица 4 - Исходные данные

N	L1, мкГн	C1, мкФ	А, В	Т1, мкс	Т2, мс	R1, Ом	Rload, Ом
12	19	49	5	2	1	448	7.75

Рисунок 2.1.1 - Упрощенная схема широтно-импульсного модулятора

Рисунок 2.1.2 - Зависимость изменений выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) от времени для ШИМ-сигнала с изменяемым заполнением

Рисунок 2.1.3 - Зависимость напряжения ключа V(SW) и выходного напряжения V(out) для разных значений Q: Q = 0.2

Рисунок 2.1.4 - Зависимость напряжения ключа V(SW) и выходного напряжения V(out) для разных значений Q: Q = 0.5

Рисунок 2.1.5 - Зависимость напряжения ключа V(SW) и выходного напряжения V(out) для разных значений Q: Q = 0.8

Рисунок 2.1.6 - Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q=if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 0.1*C1

Рисунок 2.1.7 - Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q=if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 0.01*C1

Рисунок 2.1.8 - Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q=if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 0.001*C1