Источник постоянного тока на основе регулятора LM317, программируемого ШИМ

Поклонники LM317 узнают в Рисунке 1 традиционную топологию источника постоянного тока на регуляторе напряжения LM317. Он точно стабилизирует I_OUT = V_ADJ/R_S, заставляя выходное напряжение на выводе OUT быть на V_ADJ = 1.25 В положительнее напряжения на выводе ADJ. Таким образом, с очень хорошим приближением, I_OUT = V_ADJ/R_S. Шеф-повар по микросхемам Боб Пиз приготовил это именно так!

Рисунок 1.	Классический источник постоянного тока с микросхемой LM317. IOUT = VADJ/RS + IADJ ≈ VADJ/RS = 1.25/RS.

В обычной практике I_OUT намного больше тока I_ADJ, типовое значение которого указывается равным 50 мкА, а максимальное 100 мкА. Это упрощает математику, позволяя безопасно игнорировать ток смещения I_ADJ без вреда для точности. Это отлично работало в течение 50 лет, но у такого включения есть очевидный недостаток: ток I_OUT программируется изменением сопротивления R_S.

На Рисунке 2 показана новая (более новая) топология с другим (более гибким) методом программирования выходного тока I_OUT.

Рисунок 2.	Новая топология LM317 позволяет управлять амперами выходного тока IOUT с помощью всего лишь миллиампер тока IC; IOUT = (VADJ – (IC – IADJ)·RC)/RS – IC + IADJ ≈ (VADJ – (IC – IADJ) RC)/RS.

Обычно R_C > 100R_S, что позволяет схеме на Рисунке 2 управлять током I_OUT до 1.5 А с помощью всего нескольких миллиампер тока I_C. Конечно, просто игнорировать ток I_ADJ теперь может быть не очень хорошо.

На Рисунке 3 показана идея, воплощенная в полностью управляемом ШИМ источнике тока 15 В/1 А с заземленной нагрузкой, включающим компенсацию тока I_ADJ. Вот как это работает.

Рисунок 3.	Новая топология программируемого ШИМ источника тока 1 А/15 В с заземленной нагрузкой на основе LM317. Резисторы, отмеченные звездочкой, имеют допуск 1% или лучше, а RS = 1.25 Ом.

Будем считать, что на выходе ШИМ импульсы с пиковой амплитудой 5 В имеют частоту (F_PWM) 10 кГц или около того. Если это не так, соответствующим образом масштабируйте емкость C₁ в соответствии с формулой

В результате коммутации импульсами ШИМ транзистор Q₂ образует переменное сопротивление, усредняемое конденсатором C₁ до значения

где D – коэффициент заполнения ШИМ от 0 до 1. Таким образом

и в суммирующую точку регулятора Z₁ течет ток

Напряжение V₁ регулятора Z₁ управляет затвором транзистора Q₁, чтобы поддерживать на его истоке точное опорное напряжение 2.5 В для ШИМ-преобразования и сдвига уровня тока I_C для слежения за выводом ADJ микросхемы U₁. Кроме того, с током I_C суммируется ток компенсации смещения I_ADJ (2.5 В/51 кОм = 50 мкА), задаваемый резистором R₁.

Неприглядная гирлянда из шести диодов 1N4001 нужна для того, чтобы обеспечить рабочее смещение транзистора Q₁. Я открыто признаю, что это не очень красиво. Надеюсь, новизна Рисунка 2 это компенсирует!

Обратите внимание, что точность и линейность в основном зависят только от согласованности сопротивлений резисторов R_C и точности внутренних опорных напряжений микросхем Z₁ и U₁. По счастливому совпадению, соотношение 2:1 между напряжением 2.5 В микросхемы TL431 и 1.25 В регулятора LM317 позволяет удобно использовать три одинаковых резистора R_C.

Если R_S = 1.25 Ом, то максимальный выходной ток I_OUT(MAX) равен 1 А, и зависимость I_OUT от D имеет вид, показанный на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Зависимость IOUT от D, где D (ось X) – коэффициент заполнения ШИМ, а IOUT (ось Y) – это 1 – 2/(1 + 1/D) от полной шкалы VADJ/1.25 = 1 А.

Зависимость коэффициента заполнения D от тока I_OUT показана на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Зависимость D от IOUT, где полная шкала IOUT (ось X) составляет 1 А, а D (ось Y) – это 1/(2/(1 – IOUT) – 1).

Обратите внимание, что микросхеме U₁, возможно, придется рассеивать мощность:

• 20 Вт, если R_S = 1.25 Ом и максимальный ток I_OUT(MAX) = 1 A;
• 30 Вт, если R_S = 0.83 Ом и максимальный ток I_OUT(MAX) = 1.5 A.

Мораль этой истории: не скупитесь на радиатор! Также обратите внимание, что резистор R_S должен быть рассчитан на мощность не менее 1.252/R_S.

Кроме того, необходимо учитывать переходные процессы при включении/выключении питания. При первом включении системы конденсатор C₁ разряжен, и у контроллера будет от 4 до 8 миллисекунд на инициализацию логики ШИМ, прежде чем C₁ зарядится настолько, чтобы позволить регулятору U₁ включиться и начать выдавать ток. Не забывайте об этой детали при разработке программы! При выключении питания транзистор Q₃ начинает работать, когда напряжение +5 В падает ниже примерно 2 В. При этом транзистор Q₁ насыщается, и ток I_OUT становится равным нулю, чтобы защитить нагрузку, а также разрядить конденсатор C₁ для подготовки к следующему включению питания.

В заключение

Спасибо (еще раз) проницательным читателям за предположенные улучшения схемы. Спасибо постоянному участнику Кристоферу Р. Полу за комментарий, подсказавший идею на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Конденсатор C3 добавляет фильтрацию пульсаций ШИМ 2-го порядка для примерно на 500% меньшего времени установления.

Спасибо комментатору Валу Филимонову за предложение, показанное на Рисунке 7.

Рисунок 7.	Аналоговое вычитание пульсаций [1] с помощью резистора R4 обеспечивает еще один метод подавления пульсаций ШИМ второго порядка.

Кристофер Р. Пол также предлагает улучшить подавление пульсаций питания с помощью конденсатора C_C (Рисунок 8). Спасибо, Крис.

Рисунок 8.	Конденсатор CC улучшает подавление пульсаций питания, а также делает программирование линейным относительно D. Для приложений, в которых время установления не имеет значения, это полезная модификация.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием

Материалы по теме

1. Datasheet Fairchild LM317
2. Datasheet Diodes TL431
3. Datasheet Microchip TN0104