Новости микроэлектроники

ПРОМЭЛЕКТРОНИКА → Как превратить понижающий стабилизатор в повышающе-понижающий

В практике применения понижающих стабилизаторов в  питающих устройствах бывают ситуации, когда питающее напряжение преобразователя имеет провалы или может понижаться ниже уровня выходного напряжения. Ярким примером тому является источник бесперебойного питания с выходным напряжением 12В, где для поддержания выходного напряжения при пропадании сети 220В используется кислотная аккумуляторная батарея. При заряде  батареи,  для того, чтобы батарея  полностью зарядилась, на контактах батареи необходимо поддерживать напряжение  до 14,5В. В тоже время выходное напряжение аккумулятора при полном  разряде батарей падает до 10,5В. Таким образом, диапазон входного напряжения от 10,5 до 14,5В, а выходное напряжение источника питания должно оставаться равным 12В.  Что делать в  таком случае? Конечно можно использовать повышающе-понижающий стабилизатор,  например, на микросхеме LM5118, произодства Texas Ins. или построить преобразователь  по топологии SEPIC, однако , как правило, схемы таких преобразователей довольно  сложны и недешевы, а «городить огород» для питания какого-то простого  устройства не хочется. Есть ли выход из такой ситуации? Оказывается есть. 

Руководствуясь рекомендациями приложения AN1723  STMicroelectornics, попробуем превратить понижающий стабилизатор напряжения на  микросхеме L5973AD в повышающе-понижающий. Для этого мы доработаем  оценочную плату L5973AD EVAL производства STMicroelectronics,  принципиальная схема которой приведена на  рис.1. Как должна выглядеть принципиальная схема преобразователя после  модификации можно увидеть на рис. 2. Для доработки  платы нам понадобятся всего два  дополнительных элемента: полевой транзистор и диод.  Кроме того, значение выходного напряжения платы L5973AD EVAL равно 3,3В, что не очень удобно для экспериментов, поэтому я предлагаю увеличить выходное  напряжение до 5В. Для этого номинал резистора R1 в делителе напряжения обратной  связи увеличиваем до 10кОм. В результате такой замены у меня получилось на  выходе преобразователя 4.96В, что, тоже годится.

О подборе замен. Вместо устаревшего STN4NE03L можно  взять его аналог IRLL3303 или поставить более современный транзистор STN4NF03L. Диод был взят такой же, как рекомендует первоисточник: STPS2L25U. Подбирая транзистор на замену, обращайте  внимание на допустимое напряжение затвор-исток, т.к. он управляется напряжением, практически равным значению питающего напряжения стабилизатора.

Как это работает?Обратимся к схеме принципиальной преобразователя. Что получилось в итоге? В правая часть  принципиальной схемы как была, так и осталась понижающим преобразователем,  а левая часть схемы у нас приобрела вид классического повышающего преобразователя, ключ M1 которого управляется ШИМ с вывода 1 (OUT) микросхемы L5972AD. В начале рабочего цикла преобразователя внутренний ключ микросхемы и транзистор M1 открываются одновременно. В этот момент начинает протекать ток через индуктивность L1. Происходит накопление энергии. После закрывания ключей, начинается цикл передачи энергии накопленной в индуктивности, ток начинает протекать через диоды D1 и D2 в нагрузку. В целом работа схемы практически не отличается от действия классического повышающего преобразователя,  с одной лишь разницей, что напряжение на выходе стабилизатора может опускаться ниже напряжения питания. Напомню, в классике жанра такие вольности не дозволяются, напряжение на выходе у повышающего преобразователя ниже входного быть не может, это определено схемой.
Выходное напряжение нашего преобразователя рассчитывается по формуле:

Uвых = Uвх * (1-D) / D

где:
D – это коэффициент заполнения, ton/T, длительность временного промежутка, в течении которого ключ ( в данном преобразователе оба ключа) находится в открытом состоянии на период частоты преобразования стабилизатора.

При значении коэффициента заполнения <0,5  преобразователь будет работать как повышающий, при более высоких значения коэффициента заполнения, как понижающий.  Более подробно принцип работы описывается в приложении AN1723. Работа преобразователей, построенных по различным топологиям, а также необходимые для расчета формулы описаны здесь.

Что получилось?После доработки плата L5973AD EVAL приобрела вид:


Дополнительные элементы хорошо разместились, только выходной танталовый конденсатор перекочевал  на обратную сторону платы, да картину слегка портит провод, идущий к затвору транзистора. Преобразователь показал устойчивую работу в диапазоне входного напряжения от 3,5В до 12В, при значении выходного тока 0,5А. (напомню выходное напряжение 5В). Максимальный выходной ток, который может выдать такой стабилизатор, можно рассчитать по формуле:

Iвых. = I max * (1-D)

Т.е например, при значении входного напряжения 3,5В, а выходном напряжении 5В, стабилизатор на микросхеме L5973AD, у которой максимальное значение выходного тока 1,5А, такой преобразователь может выдать ток:
Iвых. Макс.=1,5*0,41~0.6А

Измеренное КПД преобразователя составляет порядка 72% при входном напряжении 3,5В, и повышается при увеличении входного напряжения, максимальное значение получилось порядка 80%.

Сфера применения - миниатюрные DC-DC преобразователи с широким диапазоном входного напряжения

За получением более подробной информации вы можете обратиться:

Бренд-менеджер:
Сорокин Сергей
E-mail: info@promelec.ru
Телефон: +7 (343) 245-68-20

Задать вопрос техподдержке вы можете на нашем форуме.


  "ПРОМЭЛЕКТРОНИКА" - официальный прямой дистрибьютор компании "STMicroelectronics"