Одно из основных требований при разработке любых электронных устройств — снижение потребляемой мощности. Особенно это касается устройств, питаемых от автономных первичных источников питания, таких как аккумуляторы, солевые или щелочные гальванические элементы, когда продолжительность непрерывной работы устройств напрямую зависит не только от ёмкости источника питания, но и от потребляемого нагрузкой тока. Не всегда такие источники питания подключают напрямую к нагрузке. Как правило, для питания большинства устройств требуется стабильное напряжение, а значит, необходимо наличие стабилизатора напряжения, причём с высоким КПД, иначе продолжительность непрерывной работы будет сокращаться.
Автора интересовало схемотехническое решение этой проблемы применительно к устройствам, питаемым стабильным выходным напряжением 5 В при токе нагрузки 50…100 мкА. При решении задачи сначала встал выбор первичного источника. Применение солевых или щелочных элементов подразумевает замену отработавших на новые. Это вполне допустимый вариант несмотря на некоторые финансовые расходы, но привлёк другой Наверное, у каждого из нас имеются, если не утилизировать как 01х0ды, отслужившие свой срок Li-Ion аккумуляторы. Например, от сотовых телефонов. Зачастую причина их неработоспособности — возросшее внутреннее сопротивление или частичная потеря емкости. Но при малом токе нагрузки внутреннее сопротивление не имеет особого значения, и такой аккумулятор может иметь даже заявленную производителем ёмкость. Вариант “бесплатного приобретения” такого источника питания меня вполне устраивал, а зарядка, например, раз в полгода, не представляла проблемы.
Поскольку номинальное напряжение Li-Ion (или полимерного) аккумулятора — 3,7 В, для получения 5 В требуется повышающий преобразователь, как уже сказано выше, с относительно высоким КПД. Для его построения можно применить доступные и недорогие импульсные преобразователи серии NCP1402. В отличие от близкого аналога — серии NCP1400A, в которой выходное напряжение регулируется с помощью ШИ-модуляции (PWM) на частоте 180 кГц, в серии NCP1402 применена частотно-импульсная модуляция (PFM). При малых нагрузках это даёт выигрыш в КПД, поскольку частота переключения силового ключа, выполненного на полевом транзисторе, значительно падает (до десятков Гц), а значит, уменьшаются и потери на переключение С несколькими экземплярами разных партий микросхем NCP1402SN50T1 были проведены эксперименты на токах нагрузки 50…100 мкА. Типовая схема включения преобразователя на этой микросхеме показана на рисунке.
При индуктивности накопительного дросселя 47 мкГн (рекомендованной производителем) и токе нагрузки 50 мкА (резистор сопротивлением 100 кОм) потребляемый от источника ток — около 150 мкА, Такой КПД явно был слишком мал. Поэтому были приведены эксперименты, смысл которых заключался в измерении КПД для указанного тока нагрузки и разных индуктивностей накопительного дросселя. В результате оказалось, что максимальный КПД (78 %) достигается при индуктивности дросселя 300…600 мкГн. При этом потребляемый от источника ток (80 мкА) увеличивался для дросселя с индуктивностью за пределами указанного интервала. Все измерения проводились при напряжении питания 4 В. Накопительный дроссель L1 — выводной серии ЕС24. Для другого тока нагрузки оптимальное значение индуктивности дросселя следует подобрать экспериментально по максимуму КПД.
Также выяснилось, что в выпрямителе желательно применить диод Шоттки с максимальным допустимым обратным напряжением 30…40 В, например MRB0530LT1. Применение диодов с меньшим допустимым обратным напряжением приводит к снижению КПД из-за влияния большего обратного тока.
Autor: С. ГЛИБИН, г. Москва
Источник: Радио №5/2017
