Регуляторы напряжения с гистерезисным управлением обладают потенциальными преимуществами простоты, быстрой реакции, возможности реализации 100-процентного коэффициента заполнения, высокого КПД при небольшой нагрузке и низкой стоимости. Им не нужны элементы частотной коррекции петли обратной связи для добавления задержек, поэтому время отклика на изменение нагрузки составляет менее одного периода переключения. В чем же подвох? Нужно смириться с тем, что частота переключения не может контролироваться точно, а чувствительность схемы к помехам требует навыков компоновки платы.
На Рисунке 1 показан простой гистерезисный импульсный регулятор, состоящий из компаратора с фиксированной шириной петли гистерезиса и p-канального MOSFET. Компаратор включает MOSFET всякий раз, когда VOUT опускается до его нижнего порога, и снова выключает, когда VOUT поднимается до верхнего порога. Время, за которое VOUT проходит между порогами, определяет время включенного состояния и, следовательно, частоту переключения. Прерывистый ток дросселя, протекающий через ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) конденсатора COUT, создает пульсации напряжения треугольной формы, что делает работу схемы непредсказуемой.
 |
|
| Рисунок 1. | Недостатком этого гистерезисного регулятора является непредсказуемость частоты переключения, обусловленная разбросом ESR конденсатора COUT. |
В этом и заключается потенциальная проблема с простыми схемами такого типа. ESR является основным фактором, определяющим частоту переключения, и ESR может варьироваться в широком диапазоне для любого типа конденсатора. Этот разброс ESR редко бывает полезным и может привести к насыщению дросселя, если частота падает слишком низко, или к перегреву MOSFET из-за коммутационных потерь, если частота становится слишком высокой. Простое решение проблемы разброса ESR состоит в использовании резистора, включенного последовательно с керамическим конденсатором COUT. Но хотя этот метод хорошо работает в лаборатории, в реальном мире он часто создает проблемы, когда нагрузки шунтируются несколькими керамическими конденсаторами.
Другой подход к предсказуемому контролю частоты позволяет использовать конденсаторы с низким ESR (Рисунок 2). Эта схема почти идентична схеме на Рисунке 1, за исключением добавленного резистора RSERIES и новой точки подключения конденсатора CFF. Пульсирующий ток дросселя создает на резисторе RSERIES переменное напряжение, которое подается на компаратор через конденсатор CFF. Это контролируемое переменное напряжение устраняет зависимость от ESR конденсатора COUT. Петля обратной связи компенсирует падение постоянного напряжения на резисторе RSERIES. Эта новая конфигурация обеспечивает предсказуемость частоты переключения даже при использовании конденсаторов с нулевым ESR и позволяет снизить пульсации напряжения VOUT почти до нуля ценой добавления единственного резистора RSERIES, пропускающего весь ток нагрузки, и небольшого увеличения потерь из-за рассеиваемой на резисторе мощности.
 |
|
| Рисунок 2. | Дополнительный последовательный резистор делает частоту переключения этой схемы более предсказуемой. |
Следующая формула аппроксимирует частоту переключения для любой схемы при условии, что реактивное сопротивление конденсатора COUT на частоте переключения ниже, чем ESR, а реактивное сопротивление CFF намного ниже, чем сопротивление резистора RFB1:
где
ESR – сумма эквивалентного последовательного сопротивления конденсатора COUT и сопротивления резистора RSERIES,
VHYST – напряжение гистерезиса компаратора,
TPD – средняя задержка распространения в компараторе и MOSFET.
Схемы, изображенные на Рисунках 1 и 2, можно собрать, используя такой компаратор, как LMV7219 со встроенным гистерезисом 7.5 мВ, или контроллер, такой как LM3485, который обеспечивает ограничение тока, более широкий диапазон входных напряжений VIN и более низкую стоимость. Ни в коем случае нельзя недооценивать чувствительность гистерезисных регуляторов к компоновке печатной платы. Дроссели открытой конструкции привлекательны с точки зрения стоимости, но сложны в использовании, поскольку любые напряжения, наведенные магнитными полями рассеяния, могут стать причиной непредсказуемости частоты переключения и пульсаций.
Схему на Рисунке 3 можно собрать на плате площадью меньше почтовой марки. Эта схема обеспечивает выходной ток не менее 1 А при использовании небольших керамических конденсаторов, p-канального MOSFET в корпусе TSOP-6, дросселя размером 6×7 мм и диода Шоттки в корпусе SMB для поверхностного монтажа. Частота переключения FS изменяется от 600 до 700 кГц в диапазоне входных напряжений VIN от 5 до 15 В при выходном напряжении VOUT = 1.8 В и пульсациях выходного напряжения 5 мВ пик-пик. Резистор 30.1 кОм и сопротивление открытого MOSFET 0.1 Ом устанавливают порог ограничения тока на уровне 1.5 А. В отсутствие нагрузки ток составляет менее 500 мкА. Наиболее впечатляющим является динамическое изменение VOUT всего на 10 мВ при скачке тока нагрузки более 0.5 А.
 |
|
| Рисунок 3. | Эта схема занимает площадь меньше почтовой марки. |
Купить LM3485 на РадиоЛоцман.Цены
