7 ± ± ± ±.þ

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

2

DOPORUÈENÁ APLIKAÈNÍ ZAPOJENÍ SPÍNANÝCH ZDROJÙ

Program Micropower SwitcherCAD obsahuje celou øadu doporuèených aplikaèních zapojení. K tìmto zapojením budou dále doplnìny odsimulované parametry návrhu a vysvìtlení èinnosti jednotlivých zdrojù. Tato aplikaèní zapojení jsou stejnì jako v programu rozdìlena podle typu užitého integrovabného obvodu. Program používá celou øadu integrovaných obvodù (LT1073, LT1110, LT1173, LT1111, LT1107, LT1108, LT1109, LT1109A, LT1300, LT1301, LT1303 a LTC1174) firmy Linear Technology, z nichž však vìtšina není v ÈR dostupná. Tab. 2.1 Seznam obvodù, které lze zakoupit (èerven 1999, Praha) W\S

/7 /7 /7 /7 /7

*0

6FKXULFKW

KWWSZZZHOHF]

*(6

±.þ

'0

.þ

±.þ

±.þ

±

.þ

±

±.þ

±'0

.þ

±

±

'0

±

±

±

±

±

±.þ

Poznámka: Firma Schuricht prodává na objednávku za Kè podle aktuálního kurzu Kè vzhledem k DM.

2.1 Aplikaèní zapojení s obvodem LT1073 LT1073 je obvod pro DC-DC mìnièe bez zvláštních specifických vlastností. Dá se použít v celé øadì zapojení. Jeho doporuèené aplikace jsou pagery, kamery, pøevodníky napìtí jednoho èlánku na 5 [V], zálohovací bateriové zdroje, laptopy a palmtopy, celulární telefony, pøenosné pøístroje, napájení 4 [mA] a 20 [mA] smyèek mìøicích pøístrojù, bateriové napájení detektorù alfa, beta, gama èástic atd. Pod tímto názvem se vlastnì skrývá nìkolik typù integrovaných obvodù, které se liší nejen pouzdrem, ale i vnitøním zapojením. Pro zdroje s požadavkem nastavení výstupního napìtí externím odporovým dìlièem slouží základní model s oznaèením LT1073. Pro pevné výstupní napìtí +5 [V] se užívá obvod LT1073-5 a pro napìtí +12 [V] obvod LT1073-12. Tato napìtí lze samozøejmì realizovat i s obvodem LT1073, ale s vnìjším dìlièem. Vlastnosti obvodu: – provoz v rozsahu napájecích napìtí od 1,0 [V] do 30 [V], – vlastní spotøeba napájecího proudu pouze 95 [mA], – mùže pracovat ve snižovacím i zvyšovacím režimu, – potøebuje pouze tøi externí souèástky pro funkèní zapojení s pevným napìtím, 46

Alexandr Krejèiøík: Moderní spínané zdroje

A

– – – – –

mùže mít detekci nízkého napájecího bateriového napìtí, má uživatelsky nastavitelné proudové omezení, obsahuje vnitøní spínaè s maximální hodnotou spínaného proudu 1 [A], vyrábí se v modifikacích pro pevné nebo uživatelsky nastavitelné výstupní napìtí, má malé prostorové nároky, je dodáván v 8vývodovém pouzdøe Mini DIP nebo SO8.

Parametry obvodu Není úèelem zde vypisovat všechny parametry obvodu LT1073, ale nìkteré z nich jsou všeobecnì zajímavé i pro uživatele, nemající pøi ruce pøíslušný katalogový list. Podstatná je napø. hodnota vnitøního referenèního napìtí UREF = 212 [mV], se kterým se porovnává u obvodù základní øady LT1073 napìtí, pøivedené mezi zpìtnovazební vstup FB (vývod è. 8) a zem (u obvodù typu LT1073-5 a LT1073-12 se pøivádí na vstup FB = = SENSE celé výstupní napìtí a odporový dìliè napìtí je uvnitø obvodu). Vstup FB má pøitom hysterezi UFBH = 5 [mV]. S interním referenèním napìtím souvisí i volba odporù vnìjšího odporového dìlièe pro nastavení požadované hodnoty výstupního napìtí. Výstupní napìtí musí být tímto dìlièem vydìleno na hodnotu napìtí referenèního: UOUT = UREF . (R2/R1 + 1) jak vyplývá ze zapojení na obr. 2.1. Aby uvedený vztah platil dostateènì pøesnì, musí být odporový dìliè R2/R1 dostateènì tvrdý, tj. proud, odebíraný vstupem FB musí být zanedbatelný proti proudu tímto odporovým dìlièem.

Obr. 2.1 Základní zapojení obvodu LT1073 pro zvyšování napìtí (Step Up, Boost Mode) Protože proud, tekoucí do vstupu FB má velikost typicky 10 [nA] (maximálnì 50 [nA]), pak staèí, aby odporovým dìlièem R2/R1 protékal proud deset až tisíckrát vyšší, napøíklad 10 [µA]. Velikost takového proudu vede pøi bìžných hodnotách výstupních napìtích (cca okolo 10 [V]) k hodnotám odporù R2 a R1 v okolí stovek kiloohmù až megaohmu. Napøíklad volíme-li odpor R2 = 536 [kW] a R1 = 40,2 [kW], pak výstupní napìtí bude: UOUT = UREF . (R2/R1 + 1) = 0,212 . (536/40,2 + 1) = 3,04 [V] A

Alexandr Krejèiøík: Moderní spínané zdroje

47

Pøedpokladem takto pøesných výpoètù je ovšem použití odporù s odpovídající pøesností, zde napøíklad 1 [%]. Vlastní chyba (rozptyl hodnot) referenèního napìtí je ±10 [mV], což reprezentuje z hodnoty 212 [mV] necelých 5 [%]. Nemá smysl tedy volit odpory pøesnìjší, pøesnìji se dá nastavit výstupní napìtí pouze pomocí odporového trimru, zapojeného mezi odpory R2 a R1. Typická pracovní frekvence obvodu je 19 [kHz], a maximálnì mùže obvod pracovat na frekvenci 23 [kHz]. Ponìkud složitìjší je urèení vhodné hodnoty odpory Rlim pro nastavení proudového omezení obvodu. Závislost mezi tìmito dvìma velièinami je silnì nelineární a výrobce obvodu firma LTC ji udává pouze grafem, obr. 2.2.

Obr. 2.2 Graf závislosti maximálního proudového omezení (Switch Current) na hodnotì vnìjšího omezovacího odporu RLIM (z katalogu firmy LTC) Jak je z grafu patrno, jsou udávány pouze dvì køivky pro dvì rùzná vstupní napìtí UIN = 1,5 [V] a UIN = 3 [V], což odpovídá jednomu nebo dvìma èlánkùm baterie, pøípadnì akumulátoru. Tyto køivky si jsou èásteènì podobné pouze pro rozsah proudù do cca 600 [mA] a tuto podobnost v tomto rozsahu lze oèekávat i pro jiná vstupní napìtí. Pøi návrhu obvodu pomocí programu Micropower SwitcherCAD je vhodné navrženou hodnotu odporu Rlim konfrontovat s grafem na obr. 2.2. Pokud nechceme proud obvodu nijak omezovat, spojíme vývod I (ILIM) s napájecím napìtím. Další zcela nelineární závislostí obvodu LT1703 je závislost minimální hodnoty indukènosti cívky L1 na velikosti vstupního napìtí. I tato závislost je dána grafem výrobce a program ji pøi výpoètu respektuje. Opìt se doporuèuje kontrola výsledné navržené hodnoty L1 pomocí grafu na obr. 2.3. 48

Alexandr Krejèiøík: Moderní spínané zdroje

A

Obr. 2.3 Závislost minimální hodnoty indukènosti cívky L1 (Minimum Inductance) na velikosti vstupního napìtí (Input Voltage)

Obr. 2.4 Závislost možného výstupního proudu (Output Current) na hodnotì vstupního napìtí (VIN) Poslední grafickou závislostí je závislost maximálního možného výstupního proudu (køivka na obr. 2.4), který mùže být odebírán v závislosti na velikosti vstupního napìtí. Všechny body ležící pod uvedenou køivkou jsou možné pracovní body jednotlivých zapojení. A

Alexandr Krejèiøík: Moderní spínané zdroje

49

Graf na obr. 2.4 je uveden pouze pro výstupní napìtí UOUT = 5 [V] pøi podmínce, že mezi vstupem I (ILIM) a napájecím napìtím je pøipojen odpor 68 [W], což podle obr. 2.2 omezuje proud IOUT pøi vstupních napìtích pod cca 1,6 [V]. Tìchto grafù lze opìt nakreslit více v závislosti na velikosti odporu Rlim. Popis obvodu LT1073 je mnohostrannì použitelný obvod, který vyžaduje pouze tøi externí souèástky pro nastavení pevného výstupního napìtí 5 [V] nebo 12 [V]. Velmi nízké minimální vstupní napájecí napìtí od 1,0 [V] dovoluje použít obvod LT1073 v aplikacích, kde prvotní napájecí zdroj je pouze jediný èlánek a ten mùže být i ve stavu èásteèného vybití a obvod pøesto nepøestane pracovat. Pomocný zesilovaè na èipu mùže pracovat jako detektor poklesu napìtí napájecí baterie, nebo jako lineární dodateèný regulátor s nízkým napájecím napìtím. Obvod mùže být snadno zkonfigurován jako zvyšovací nebo snižovací pøevodník (obr. 2.5), aèkoli pro snižovací aplikace nebo vstupní napìtí zdroje vìtší než 3 [V] se doporuèuje radìji užít obvodu LT1173. Omezení proudu mùže být nastaveno pøidáním jednoho externího odporu. Jednoduchá ochranná soustava obvodu omezuje zpìtný proud do integrovaného obvodu, nedestruktivní úrovnì opaèné polarity napájecího napìtí jsou až do 1,6 [V].

Obr. 2.5 LT1073

Základní zapojení snižujícího zdroje (Step Down, Buck Mode) s obvodem

Vnitøní zapojení Vnitøní zapojení obvodù LT1073-5 a LT1073-12 se liší od zapojení na obr. 2.6 tím, že vývod FB není vyveden na svorku IO, ale je uvnitø pøipojen na spojnici interních odporù

Obr. 2.6 Vnitøní blokové zapojení obvodu LT1073 50

Alexandr Krejèiøík: Moderní spínané zdroje

A

R2–R1, kde odpor R1 je spojen se zemí GND a odpor R2 je vyveden na svorku SENSE (vývod è. 8). Hodnota odporu R1 je pro oba integrované obvody 904 [kW], hodnota odporu R2 je pro LT1073-5 rovna 40 [kW] a pro dvanáctivoltový obvod 16,3 [kW]. Tyto hodnoty lze považovat za doporuèené i pro externí odpory obvodu LT1073. Jak je patrno z øady zapojení, vìtšina obvodù nepoužívá pomocný Chybový zesilovaè, takže jeho vývody jsou nezapojené (jak vstup è. 7, tak výstup è. 6). Mùže však být použit napøíklad jako obvod pro hlídání poklesu vstupního napìtí pod stanovenou mez èi podobnì. Oscilátor je internì nastaven na dobu sepnutí tON = 38 [µs] a dobu vypnutí tOFF = 15 [µs] (nominální hodnoty) a je pomocí výstupu komparátoru zapínán a vypínán. Rozložení vývodù u nejbìžnìjšího typu pouzdra N8 je na obr. 2.7.

Obr. 2.7 Rozložení vývodù obvodu LT1073CN8

2.1.1

Zdroj 1,5 [V]/5 [V] – 40 [mA]

Zapojení obr. 2.8 je klasický spínaný zdroj, napájený jedním alkalickým èlánkem o jmenovitém napìtí UIN = 1,53 [V] s vnitøním odporem Ri = 600 [mW]. Napájecí alkalický èlánek má pomìrnì vysokou hodnotu vnitøního odporu, která by pøi provozu zdroje zpùsobovala znaèné poklesy vstupního napìtí zdroje. Proto je paralelnì k alkalickému èlánku pøipojen kondenzátor C1 o pomìrnì velké kapacitì C1 = 100 [µF]. Má-li tento kondenzátor významným zpùsobem zlepšit parametry napájecího zdroje napìtí, pak musí mít jednak pomìrnì velký náboj, ale také musí být schopen tento náboj vydat do obvodu bez pøílišného poklesu napìtí. To je zajištìno výbìrem kondenzátoru s malou

Obr. 2.8 Spínaný zdroj s obvodem LT1073-5 A

Alexandr Krejèiøík: Moderní spínané zdroje

51

hodnotou ESR (efektivní sériový odpor) = 45[mW]. Tato hodnota musí být pro efektivní nasazení kondenzátoru C1 do obvodu nìkolikrát menší, než vnitøní odpor alkalického èlánku (nejlépe o øád i více). Odebírá-li zátìž spínaného zdroje proud 40 [mA], lze pøedpokládat, že proud stejné velikosti bude zdroj odebírat z napájecí baterie (vlastní odbìr obvodu je obvykle zanedbatelný). Tak by tomu bylo v pøípadì støídy 100 [%], ve skuteènosti pøi navrhované støídì okolo s = 50 [%] bude tento proud, odebíraný z napájení dvojnásobný, tedy okolo 80 [mA]. Tak by tomu bylo, kdyby napìový pøevod mezi vstupním a výstupním napìtím se rovnal jedné. Vzhledem k tomu, že se jedná o zdroj zvyšující napìtí, pak vstupní proud je navíc tolikráte vyšší než výstupní, kolikrát je výstupní napìtí vyšší, než napìtí vstupní (platí tím pøesnìji, èím jsou napìtí v absolutní hodnotì vyšší). Protože pomìr zvyšování napìtí je 5 [V]/1,5 [V] = 1,33 [–], pak stejným pomìrem musíme násobit výstupní proud: IIN = (UOUT . IOUT)/(UIN . s) = (5 . 0,04)/(1,5 . 0,5) = 0,267 [A] Jedná se o proud, který je odebírán pouze pulznì, jak ukazuje simulovaný prùbìh tohoto proudu na obr. 2.9, nicménì hrubý odhad odpovídá pøesnìjší simulaci (hodnota 267 [mA] je pøibližnì støední hodnota prùbìhu z obr. 2.9). Kondenzátor C1 je bìhem provozu pravidelnì dobíjen a vybíjen. Dobíjen je v tom èasovém ontervalu, když je interní spínací tranzistor v integrovaném obvodu rozepnut, vybíjen v pøípadì jeho sepnutí. Støední hodnota proudu kondenzátorem je sice nulová, obr. 2.10, ale na efektivní hodnotu tohoto proudu musíme kondenzátor dimenzovat. Prùchodem tohoto støídavého proudu se kondenzátor ohøívá. Na místì kondenzátoru C1 program Micropower SwitcherCAD vybral z databáze kondenzátorù typ 10SA100M firmy Sanyo se jmenovitým napìtím 10 [V], kapacitou 100 [µF], efektivním sériovým odporem ESR = 0,045 [W] a efektivní hodnotou støídavého

Obr. 2.9 Pulzní prùbìh proudu, odebíraného z napájecí baterie (po odeznìní pøechodného stavu od poèátku) 52

Alexandr Krejèiøík: Moderní spínané zdroje

A