Силовая электроника №4'2009

Современная схемотехника преобразователей положительного напряжения в отрицательное

Виктор Хасиев

Юанжуан Сан

Перевод: Роман Щеблыкин

Преобразование положительного напряжения в отрицательное широко используется в устройствах с ЖКИ, усилителях мощности звуковой частоты, промышленном и измерительном оборудовании, а в последнее время — и в схемах управления свето-диодами и зарядных устройствах. В статье рассматриваются причины этой тенденции. Представленные в данной статье схемы преобразователей положительного напряжения в отрицательное помогут инженерам в выборе схемотехнического решения и необходимых компонентов для конкретных применений.

Введение

Преобразование положительного напряжения в отрицательное широко используется в устройствах с ЖКИ, усилителях мощности звуковой частоты, промышленном и измерительном оборудовании, а в последнее время — и в схемах управления светодиодами и зарядных устройствах. Можно отметить две основные причины этой тенденции. Первая — стремление проектировщиков использовать один и, желательно, стандартный тип входного напряжения (например, 5 или 12 B) без применения относительно дорогих, сложных и габаритных трансформаторов. А вторая — это развитие высоковольтных микросхем, которые легко могут быть применены для инвентирующих преобразователей.

Основными преимуществами рассмотренных в этой статье преобразователей (рис. 1) являются простота исполнения и высокий КПД.

Силовая часть данной схемы (рис. 2) включает транзистор Q1, дроссель L1, диод или транзистор Q2 и выходной фильтр. Выходное напряжение управляется понижающим преобразователем, обычно выполненным в виде интегральной схемы. Силовая часть может быть уменьшена до двух или даже одного компонента, если применить микросхемы или модули с еще большей степенью интеграции (рис. 3, 4).

 

Описание работы и электрическая нагрузка на компоненты схемы. Передаточная функция

В этом разделе мы обсудим только общую функциональную схему и уравнения, необходимые для понимания работы преобразователя. Для режимa непрерывного тока величину рабочего цикла и среднего тока через дроссель можно найти из следующих выражений:

Основное отличие данного устройства от понижающего преобразователя в том, что индуктивность не выдает мощность и ток в нагрузку непрерывно. Дроссель L1 отключен от нагрузки (рис. 1а), когда транзистор Q1 открыт, a Q2 закрыт. Только когда транзистор Q1 закроется, а Q2 откроется, ток, накопленный в дросселе L1, будет протекать через выходной фильтр и нагрузку (рис. 1б). В понижающем преобразователе ток непрерывно поступает в нагрузку через дроссель. Среднее и пиковое значения тока через дроссель при такой схеме и таком алгоритме работы больше, чем в понижающем преобразователе при одинаковом токе нагрузки. Например, для схемы, изображенной на рис. 2:

  • выходной ток — 4 А;
  • средний ток индуктивности при этом 6,22 А;
  • пиковое значение среднего тока индуктивности — 7,32 А при входном напряжении 9 В.

Данное обстоятельство имеет серьезное значение при выборе компонентов, влияет на КПД и величину пульсаций выходного напряжения. При правильном выборе составляющих можно достичь КПД 95% и более.

Напряжение Vmax = Vin + |V0| — максимальное напряжение, приложенное к транзисторам Q1 и Q2. Максимальный ток Imax, протекающий через транзисторы Q1 и Q2, дроссель L1 и диод D, может быть найден с помощью следующих выражений:

Средний ток, протекающий через транзистор Q1, равен IL×D, а средний ток, протекающий через транзистор Q2, равен I0. Выбор контроллера, управляющего работой схемы преобразователя, производится в соответствии с максимальным рабочим напряжением на управляющем выводе и на выводе датчика тока. Например, для микросхемы LTC3834-1 эти значения напряжения составляют 36 и 11 В соответственно.

Схемотехника преобразователей из положительного напряжения в отрицательное

Далее приведены описания схем, демонстрирующие практическую реализацию рассмотренного инвертирующего преобразователя. Схема, представленная на рис. 2, является наиболее гибкой. Она выполнена с применением большого числа внешних компонентов: двух транзисторов, индуктивности, контроллера LTC3834-1, входного и выходного фильтров. Микросхема LTC3834-1 позволяет выбрать любую из трех возможных частот переключения: 250, 530 или 400 кГц, соответствующим образом подключив вывод PLLLPF. Микросхема запрограммирована на три режима работы: Burst, Skip Pulse (пропуск тактовых импульсов) и Force Continues (режим многократного изменения направления тока через индуктивность), которые выбираются с помощью вывода PLLIN/MODE. КПД преобразователя, выполненного по данной схеме, составляет 92-93%.

Схема, представленная на рис. 3, намного проще, занимает меньше места, так как ключевые МОП-транзисторы встроены в микросхему LTC3608, которая является монолитным синхронным понижающим DC/DC-преобразователем. Другое преимущество данной микросхемы — наличие внутренних цепей для построения датчика тока без применения внешних компонентов. Это возможно благодаря измерению тока канала встроенного нижнего (по схеме) МОП-транзистора. Рабочая частота определяется одноходо-вым таймером, который устанавливает время включения верхнего по схеме МОП-транзистора. Частота выбирается резистором R_FRQ и в данном случае равна 300 кГц. КПД составляет 93-94%.

Схема, показанная на рис. 4, позволяет уменьшить размеры, существенно упростить и более рационально использовать объем конечного устройства в случае применения микромодуля LTM4601. Этот микромодуль занимает всего 15×15 мм площади печатной платы и полностью готов к работе без затрат времени на выбор внешних компонентов и наладку разрабатываемого источника питания. Такой результат достигнут за счет встроенных в модуль ключевых МОП-транзисторов и дросселя. Минимальное входное напряжение такого источника равно 4,5 В, максимальное напряжение Vmax и ток Imax составляют 20 В и 12 А соответственно.

Все эти три схемы работоспособны при напряжении от 5 до 14 В, однако номинальный выходной ток они могут обеспечить в более узком диапазоне — от 9 до 14 В. Выходной ток придется снижать при напряжении менее 9 В. Кроме того, выходное напряжение можно менять в пределах от 1,2 до -5 В, необходимая величина выбирается подстройкой резистора RFB. Кривые зависимостей КПД представлены на рис. 5.

Заключение

Преобразование напряжения из положительного в отрицательное широко используется в устройствах с жидкокристаллическим индикатором, усилителях мощности звуковой частоты, промышленном и измерительном оборудовании. Представленные в данной статье схемы помогут инженерам в выборе схемотехнического решения и необходимых компонентов для конкретных применений. Технические решения на описанной элементной базе позволяют уменьшить габариты разрабатываемых устройств и время разработки.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо