Понижающие стабилизаторы на микросхеме LM2675 от National Semiconductor

В последнее время не только производители радиоэлектронной аппаратуры, вычислительной техники, коммуникационного оборудования и свя­зи, но и радиолюбители все больше применяют импульсные источники питания (ИБП). Особое ме­сто среди ИБП, которые используют радиолюби­тели в своих конструкциях, занимают импульсные понижающие стабилизаторы. Они более эконо­мичны, чем линейные стабилизаторы, и удобны для применения вместо микросхем 7805, 7812 и им подобных.Общеизвестно, что КПД линейного стабилизато­ра напряжения невысок. Это объясняется тем, что включенный последовательно с нагрузкой регули­рующий элемент работает в усилительном режиме, и на нем создается большое падение напряжения. Свести к минимуму потери на регулирующем эле­менте можно, если использовать в стабилизаторе ключевой режим. При этом он управляется импуль­сами, длительность которых зависит от величины выходного напряжения стабилизатора и других дестабилизирующих факторов. На рис.1 показана упрощенная функциональная схема понижающего импульсного стабилизатора последовательного типа. В зарубежной литературе их называют стаби­лизаторами типа Buck или Step-Down.

Рис. 1

Разберемся в работе такого стабилизатора по рис.1. Он содержит:

• дроссель L;
• электронный ключ (транзистор биполярный или полевой);
• защитный диод D;
• широтно-импульсный модулятор (ШИМ).

Ключ открывается до насыщения импульсами от ШИМ и запирается в паузах между ними. Ког­да ключ открыт, накопительный конденсатор С за­ряжается через дроссель L. Когда ключ запирает­ся, в дросселе возникает ЭДС самоиндукции («плюс» справа, «минус» слева) дополнительно подзаряжающая конденсатор С через защитный диод D. Чем короче импульс и больше пауза, тем меньше напряжение, до которого зарядится нако­пительный конденсатор, а значит, меньше выход­ное напряжение. Чтобы уменьшить падение напря­жения на диоде D, а значит, снизить и потери, в этой позиции может использоваться диод Шоттки.

Теперь предположим, что напряжение на на­грузке (R_H) по какой-либо причине уменьшается. Импульсы на выходе ШИМ, поступающие на регу­лирующий элемент, за счет ООС с выхода стаби­лизатора на вход ШИМ, будут иметь большую, чем ранее, длительность. Это приведет к увеличению напряжения на выходе стабилизатора до прежнего значения. При увеличении напряжения на нагрузке схема ведет себя аналогично, но с точнос­тью «до наоборот».

Понижающие импульсные стабилизаторы после­довательного типа могут быть изготовлены как на дискретных элементах, так и на специализирован­ных микросхемах, которых существует множество. Так, например, фирмой National Semiconductor выпускается семейство микросхем для импульсных стабилизаторов SIMPLE SWITCHER®. Подробную информацию о микросхемах этого семейства, и не только, можно найти на сайте [1]. Ха­рактерным представителем этого се­мейства является микросхема LM2675. Эта микросхема обеспечивает жесткую стабилизацию выходных напряжений при увеличении входного напряжения до 40 В. Для стабилизатора 5 В диапа­зон изменения входного напряжения 8…40 В. Максимальный КПД микросхемы может достигать 96%. Частота преобразования 260 кГц. Гарантированный ток нагрузки до 1 А. Несомнен­ным достоинством микросхемы LM2675 является то, что для создания полноценного стабилизатора на ее базе необходимо всего пять внешних дета­лей. Еще одна важная особенность — это наличие у МС LM2675 дежурного режима.

Рис. 2

Микросхема выпускается в трех различных корпусах (рис.2), два из которых имеют по восемь выводов: SO-8 (микросхема LM2675M) и DIP-8 (LM2675N), а один LLP (LM2675LD) — шестнадцать. Назначение выводов микросхемы LM2675 в раз­ных корпусах приведено в табл. 1, а функциональ­ная схема показана на рис.3.

Рис. 3

Таблица 1

Кроме того, микросхема имеет четыре моди­фикации по выходным напряжениям, три из них фиксированные: 3,3 В, 5 В, 12 В и одно регу­лируемое, точнее, задающееся внешним дели­телем, от 1,7 В до 37 В. Модификацию микро­схемы легко определить по маркировке. Например, LM2675N-3.3 — это стабилизатор на­пряжения 3,3 В. Аналогично можно расшифро­вать и другие микросхемы (LM2675LD-5.0, LM2675M-12, LM2675LD-ADJ и т.д.), помня, что ADJ — это сокращение от английского слова ad­justment — регулировка.

Все модификации LM2675, кроме корпуса, отличаются номинальными сопротивлениями резисторов внутреннего делителя напряжения R1 и R2. Для стабилизатора 3,3 В номиналы этих резисторов указаны на схеме рис.3 воз­ле этих резисторов. Номиналы R1 и R2 для дру­гих модификаций микросхемы LM2675 — в ле­вой части рис.3.

Типовая схема стабилизатора на микросхе­мах с фиксированным напряжением стабили­зации показана на рис.4.

Рис. 4

Эта схема отличается от показанной на рис.1 наличием конденсатора вольтодобавки (BOOTSTRAP) С_в, который повышает экономичность (КПД) схемы (почти так, как в двухтактных транзисторных УМЗЧ).

Кроме того, микросхема LM2675 име­ет вход ON/OFF, низкий потенциал на ко­тором переводит микросхему в дежур­ный режим.

Для подбора дросселя существуют специальные номограммы, которые можно найти в [2]. По этим номограм­мам, зная максимальные значения тока нагрузки и входного напряжения, мож­но определить индуктивность дросселя, точнее, код этого дросселя (например, L13 или L21). Используя этот код, по специальной таблице можно подобрать конкретный типономинал этого дроссе­ля. Для дросселей фирмы Pulse Engineering [3] эта информация приве­дена в табл.2. Подобная информация по дросселям производства компаний Schott, Renco и Coilcraft также имеется в [2], но изделия этих фирм в постсоветских стра­нах менее распространены.

Таблица 2

Типовая схема стабилизатора на микросхемах с регулируемым напряжением стабилизации по­казана на рис.5.

Рис. 5

Эта схема отличается от предыдущей схемы (рис.4) наличием внешнего делителя напряжения R1R2 в цепи обратной связи. Сопротивление ре­зистора R1 выбирается равным 1,5 кОм, a R2 рас­считывается по формуле:

где U_REF = 1,21 В

Учитывая высокую частоту работы мик­росхемы (260 кГц), нужно тщательно разрабатывать пе­чатную плату стаби­лизатора с мини­мальной длиной печатных проводни­ков. Для микросхем в корпусе SO-8 (LM2675M) реко­мендуют использо­вать только SMD- компоненты и топологию печат­ных плат стабили­заторов размерами 31×25 мм, которая показана на рис.6 (для стабилизатора на микросхеме с фиксированным напряжением стабилизации) и рис.7 (для стаби­лизатора на микросхеме с регулируемым напря­жением стабилизации).

Рис. 6

Рис. 7

Ссылки

1. national.com — сайт компании National Semiconductor.
2. LM2675 SIMPLE SWITCHER® Power Converter High Efficiency, 1A, Step-Down Voltage Regulator. Ре­жим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/Im2675.pdf.
3. pulseeng.com — сайт компании Pulse Engineering.

Автор: Игорь Безверхний, г. Киев
Источник: журнал Радиоаматор №11-12, 2015