Stabilisateur de tension de commutation avec efficacité accrue

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L'article décrit un puissant régulateur à découpage à haut rendement, réalisé sur un microcircuit spécialisé UC3843. L'appareil dispose d'une protection contre les surintensités.

Le problème de l'augmentation de l'efficacité des alimentations est particulièrement pertinent pour les convertisseurs de haute puissance avec une faible tension de sortie (3...5 V). Il a été résolu en utilisant des éléments étrangers modernes : un microcircuit de contrôle spécialisé ; diodes à faible chute de tension et temps de récupération ; transistors à effet de champ à faible résistance à l'état passant.

La figure montre un schéma d'un puissant régulateur de tension de commutation avec protection contre les surintensités.

Principales caractéristiques techniques

• Tension d'entrée, V......8...16
• Tension de sortie, V.....5
• Courant de charge maximal, A .... 10
• Amplitude d'ondulation de la tension de sortie, mV, pas plus de 100
• L'instabilité de la tension de sortie avec un changement de la tension d'entrée, du courant de charge et de la température ambiante, %, par rapport à la valeur nominale......2
• Plage de température ambiante de fonctionnement, °С......-10...+70
• Fréquence de conversion, kHz......100
• Valeur moyenne du rendement au courant de charge maximal sur toute la plage de variation de la tension d'entrée, %......90

Le stabilisateur utilise une puce de contrôle UC3843 de UNITRODE CORP (pour une description détaillée, voir le livre "Integrated Circuits: Microcircuits for Switching Power Supplies and Their Applications". - M. : DODEKA. 1997). Nous nous attarderons ici uniquement sur les principales fonctions de ses nœuds impliqués dans le fonctionnement du stabilisateur.

Le microcircuit UC3843 intègre un nœud de démarrage qui, lorsque la tension d'alimentation est supérieure à 7,5... .8 V (broche 7), fait passer tous les nœuds du mode veille à l'état de fonctionnement. Dans ce cas, l'exemple de source de tension (broche 8) génère une tension stabilisée de 5 V, et l'oscillateur maître (broche 4) produit une tension en dents de scie dont la fréquence et le rapport des temps de montée et de descente sont déterminés par les valeurs nominales. des éléments R3 et C10. L'amplificateur tampon puissant de sortie (broche 6) génère une tension de commande rectangulaire avec une amplitude légèrement inférieure à la tension d'alimentation du microcircuit. Sa fréquence, sa durée d'impulsion et ses pauses coïncident avec des paramètres similaires de la tension en dents de scie de l'oscillateur maître.

La puce de contrôle met en œuvre une méthode de largeur d'impulsion pour stabiliser la tension de sortie. Pour ce faire, il intègre un nœud de comparaison sur l'OS. une partie de la tension de référence (2.5 V) est fournie à une entrée et une partie de la sortie du diviseur de tension résistif R1R4 est fournie à l'autre. Éléments R2C8 - le circuit correctif de cet amplificateur. Lors de la régulation, la durée de l'impulsion de sortie commence à diminuer par rapport à l'originale, dès que la tension à la broche 2 du microcircuit dépasse 2,5 V. La fréquence des impulsions reste constante.

Pour protéger le stabilisateur des surintensités, un comparateur haute vitesse est prévu dans le microcircuit. Une tension exemplaire de 1 V provenant de la source intégrée est appliquée à l'une de ses entrées, et une tension proportionnelle au courant circulant à travers le transistor ouvert VT3 est appliquée à l'autre (broche 2). Cette tension forme le transformateur de courant T1 dont l'enroulement primaire est connecté en série avec le transistor VT2. Quand il est ouvert. un courant circule à travers l'enroulement secondaire du transformateur, la diode VD1 et la résistance R5, qui est k fois inférieur au courant de l'enroulement primaire, où k = wp / w1 est le rapport de transformation T1. Ainsi, une tension se forme sur la résistance R5, reprenant exactement la forme du courant du transistor VT2. dont la valeur instantanée à chaque instant est déterminée à partir de l'expression : Ur5 = lvT2·R5/k.

Au début de chaque période, la tension de sortie de commande du microcircuit ouvre le transistor VT2, et lorsque la tension sur la broche 3 atteint 1 V, il est forcé de se fermer. Lors d'une surcharge du stabilisateur, ce processus se produit à chaque période, empêchant ainsi une augmentation du courant traversant le transistor VT2. et donc à travers la charge.

IRF4905 - transistor à effet de champ à canal p d'INTERNATIONAL RECTIFIER. Sa résistance ouverte est d'environ 20 mΩ. et le retard d'ouverture et de fermeture est inférieur à 0,1 μs. Il n'acquiert de telles caractéristiques que lorsqu'il est contrôlé par un puissant amplificateur d'impulsions, qui fournit un courant de recharge important (plusieurs A) des capacités grille-source et grille-drain. Dans le régulateur de tension considéré, cet amplificateur est réalisé sur des transistors micro-assemblages VT1.1, VT1.2. De plus, il inverse le signal de commande généré par le microcircuit.

Le filtre de lissage de sortie est constitué des condensateurs C12 à C17. Leur nombre (six) et le choix du type sont suffisants pour un filtrage de haute qualité de la tension de sortie sans filtre haute fréquence supplémentaire.

Le filtre d'entrée en forme de U est nécessaire pour supprimer les interférences haute fréquence qui se produisent en raison de la nature pulsée du courant consommé par le stabilisateur.

Il est devenu possible de réduire les pertes de commutation tout en augmentant l'efficacité du stabilisateur grâce à l'utilisation d'une diode Schottky avec une faible chute de tension et un temps de récupération d'environ 2 µs comme VD0,05.

L'appareil est réalisé sur des éléments standards, à l'exception des bobinages. L'inductance L1 est enroulée sur un anneau K10x6x4.5 en permalloy MP 140 et contient 5 spires en 6 fils PEV 0,5. posé uniformément sur tout le périmètre de l'anneau. Le starter L2 est réalisé sur l'anneau K19X11x4,8 du même matériau et contient 12 tours de 10 fils de même diamètre. Le transformateur T1 est enroulé sur un anneau K1Ox6x2000 en ferrite 1NM0.2. L'enroulement secondaire w" est réalisé avec du fil PEV 200 et contient 2 spires réparties uniformément sur tout le périmètre de l'anneau. L'enroulement primaire est un fil passant par le trou de l'anneau dont les extrémités relient respectivement la borne positive des condensateurs C7-C2 et la source du transistor VTXNUMX. Lors du raccordement d'un transformateur, il est nécessaire d'observer attentivement le phasage correct des enroulements.

Pour un filtrage de haute qualité des interférences haute fréquence, des condensateurs au tantale sans fil (C 1-C7, C12-C17) en boîtier D (condensateurs pour montage en surface) de NEC, NICHCON, TDK, etc. sont utilisés. -53, K28-53, K25-53. Certes, les deux derniers types de condensateurs doivent être scellés après l'installation.

Le stabilisateur n'a bien entendu pas besoin d'être réglé si son installation est de haute qualité. Les particularités du fonctionnement du microcircuit DA1 incluent le fait qu'il n'aime pas travailler avec des cycles de service d'impulsions de commande inférieurs à 2, c'est-à-dire une faible tension d'alimentation. Cela se manifeste par le fait que les paires d'impulsions de périodes adjacentes ont une durée différente mais constante pour une tension d'alimentation donnée. En fait, cela signifie que la forme de l’ondulation de la tension de sortie recevra une autre enveloppe à une fréquence

la moitié de la fréquence de l'oscillateur maître. Cette caractéristique peut être éliminée en connectant entre les bornes 3 et 4 d'un microcircuit de circuit série à partir d'une résistance d'une résistance de 0,1 ... 2 kOhm et d'un condensateur d'une capacité de 1000 ... 10000 pF. Cependant, la fréquence de ces oscillations « parasites » est élevée, n'augmente pratiquement pas l'amplitude des ondulations de tension de sortie et n'affecte pas les propriétés dynamiques du stabilisateur dans son ensemble.

Le régulateur à découpage doit être monté sur un circuit imprimé avec des conducteurs courts et larges. Plus sa taille est petite, moins il y aura d'interférences induites, qui déterminent dans une large mesure la stabilité de l'appareil dans son ensemble. Le transistor VT2 et la diode VD2 sont installés sur un dissipateur thermique d'une surface effective d'au moins 100 cm2, et pour réduire les interférences induites, ces éléments doivent être installés à travers des entretoises isolantes, et le dissipateur thermique lui-même est connecté électriquement au négatif borne des condensateurs C2 - C7. La sortie droite de l'inductance 12 selon le schéma doit être connectée à la sortie positive du condensateur C12, et la sortie de la résistance R4, droite selon le schéma, à la sortie positive du condensateur C17. Il fournit également une tension de sortie à la charge. La disposition du stabilisateur a été réalisée sur un circuit imprimé double face de 60x90 mm et de 2 mm d'épaisseur. Sur la face supérieure de la carte se trouvent des éléments "hauts": des selfs, un transformateur, un microcircuit, et sur la face "inférieure" se trouvent des condensateurs au tantale filtrants, un ensemble transistor VT1, un transistor VT2 et une diode VD2 avec des brides vers l'extérieur . Grâce à six trous uniformément espacés sur le périmètre, la carte est vissée à une plaque de dissipateur thermique en aluminium de même taille et de même épaisseur de 3 mm que la carte. Le résultat était un design plat d'une épaisseur de 18 mm. Pour un refroidissement efficace, le stabilisateur est installé verticalement.

Auteur : A. Mironov, Lyubertsy, région de Moscou

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