Импульсный регулятор обеспечивает выходное напряжение ±15 В без трансформатора

Brian Huffman, Радиолоцман №1-2/2024, ст.110

Во многих системах для питания аналого­вых схем используется напряжение ±15 В, получаемое из входного напряжения, которое может быть выше или ниже 15 В. Расщеплен­ное питание обычно реализуется с помощью импульсного преобразователя и трансформа­тора с несколькими вторичными обмотками или с помощью нескольких им-пульсных пре­образователей. В альтернативном решении, показанном на Рисунке 1, для создания источника питания с двумя выходами, работающе­го в широком диапазоне входных напряжений, используются микросхема импульсного регу­лятора LT1074, два дросселя и «плавающий» конденсатор. Такой подход особенно приме­чателен тем, что в нем используется только одна микросхема им-пульсного регулятора и не требуется трансформатор. Дроссели пред­почтительнее трансформаторов, поскольку они более доступны и менее дороги.

Рабочие осциллограммы сигналов этой схемы показаны на Рисунке 2. Во время цикла переключения напряжение на выводе V_SW микросхемы LT1074 изменяется от вход­ного напряжения (V_IN) до отрицательного выходного напряжения (-V_OUT). (Не все мик­росхемы импульсных стабилизаторов могут работать при напряжении коммутационного узла ниже уровня земли, но LT1074 способна на это). Осциллограмма A показывает форму напряжения на выводе V_SW, а осциллограм­ма B — ток, протекающий через силовой ключ микросхемы.

Когда силовой ключ микросхемы LT1074 замкнут, ток от источника входного напряже­ния течет в нагрузку через ключ, конденсатор C2 и дроссель L1 (осциллограмма C). Часть коммутируемого тока протекает через дрос­сель L2 (осциллограмма D). Этот ток исполь­зуется для того, чтобы во время разомкнутого состояния ключа подзаряжать конденсаторы C2 и C4 до потенциала, равного положитель­ному выходному напряжению (V_OUT). Токи обоих дросселей имеют одинаковую форму и смещены вверх на постоянный уровень. Формы сигналов практически идентичны, поскольку дроссели имеют одинаковые индуктивности, и напряжения, которые при­кладываются к ним во время циклов пере­ключения, одинаковы.

Когда ключ размыкается, ток в дросселях L1 и L2 начинает снижаться, в результате чего полярность напряжений на них изменя­ется, и напряжение на выводе V_SW опускает­ся ниже уровня земли. Напряжение на выво­де VSW падает до тех пор, пока диоды D1 (осциллограмма E) и D2 (осциллограмма F) не будут смещены в прямом направлении. В течение этого интервала напряжение на выводе VSW ниже отрицательного выходного напряжения (-V_OUT) на величину падения на диоде. Затем ток дросселя L2 циркулирует между диодами D1 и D2, заряжая конденса­торы C2 и C4. Энергия, накопленная в L1, используется для возмещения энергии, поте­рянной конденсаторами C2 и C4 во время разомкнутого состояния ключа. Осциллог­рамма G — это импульсы тока через конден­сатор C2. Форма тока конденсатора C4 (осциллограмма F) совпадает с током диода D2 за вычетом постоянной составляющей. Если предположить, что прямые падения напряжения на диодах D1 и D2 одинаковы, отрицательное выходное напряжение (-V_OUT) будет равно положительному выходному напряжению (V_OUT). После повторного замы­кания ключа цикл повторяется.

На Рисунке 3 показана превосходная ста­билизация отрицательного выходного напряжения при различных выходных токах I_OUT. При изменении тока нагрузки от 50 мА до 500 мА отрицательное выходное напряжение отслеживает положительное напряжение (V_OUT) с ошибкой не более 200 мВ. Отрица­тельный выходной ток нагрузки не должен превышать положительный выходной ток более чем в 4 раза; дисбаланс приводит к неустойчивости контура регулирования. При обычной нагрузке два выходных напряжения идеально отслеживают друг друга.

Еще одним преимуществом этой схемы является то, что дроссель L1 работает и как накопитель энергии, и как сглаживающий фильтр для положительного выходного напряжения (VOUT). Выходные пульсации напряжения имеют форму треугольных импульсов, амплитуда которых определяет­ся током пульсаций дросселя (см. осциллог­рамму C на Рисунке 2) и ESR (эффективным последовательным сопротивлением) выход­ного конденсатора (C3). Пульсации этого типа обычно невелики, поэтому постфильтр не требуется.

На Рисунке 4 показан КПД для общей нагрузки 0.5 А при различных входных напря­жениях. Двумя основными элементами, вно­сящими потери, являются выходные диоды (D1 и D2) и внутренний ключ микросхемы LT1074. При низких входных напряжениях КПД схемы падает, поскольку доля напряже­ния насыщения ключа от доступного входно­го напряжения увеличивается.

Выходное напряжение контролируется внутренним усилителем ошибки микросхемы LT1074. Этот усилитель ошибки сравнивает часть выходного напряжения, подаваемого с делителя R2-R3, показанного на Рисунке 1, с внутренним опорным напряжением 2.21 В и изменяет коэффициент заполнения до тех пор, пока эти два значения не сравняются. RC-цепь (R1 и C5 на Рисунке 1), подключен­ная к выводу V_C, вместе с цепями R4/R5 и C6/C7, обеспечивает достаточную коррекцию для стабилизации контура управления. Для определения выходного напряжения можно использовать формулу (1) на Рисунке 1.

Вариант схемы с номиналами, изменен­ными для выходных напряжений ±5 В при токе 1 А, приведен на Рисунке 5.

На Рисунке 6 показана характеристика стабилизации выходного напряжения -5 В, а на Рисунке 7 — зависимость КПД от входного напряжения.