具有更高效率的开关稳压器。方案、说明

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效率更高的开关稳压器

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本文介绍了一种采用专用 UC3843 微电路制成的强大高效开关稳定器。该器件具有过流保护功能。

提高电源效率的问题对于低输出电压 (3...5V) 的大功率转换器尤其重要。这是通过使用现代国外元素来解决的：专用的控制芯片；具有低压降和恢复时间的二极管；具有低导通电阻的场效应晶体管。

该图显示了具有过流保护功能的强大开关稳压器的示意图。

效率更高的开关稳压器

主要技术特点

输入电压，V......8...16
输出电压，V.....5
最大负载电流，A .... 10
输出电压纹波幅度，mV，不大于100
输出电压随输入电压、负载电流和环境温度变化的不稳定性，%，相对于标称值......2
环境工作温度范围，°С......-10...+70
转换频率，千赫兹......100
在整个输入电压变化范围内最大负载电流时的效率平均值，%......90

稳定器采用UNITRODE CORP公司的控制芯片UC3843（详细说明参见《集成电路：开关电源微电路及其应用》一书。 - M.: DODEKA. 1997）。这里我们仅详细介绍稳定器运行过程中涉及的各个部件的主要功能。

UC3843 微电路包含一个启动节点，当电源电压超过 7,5.. .8 V（引脚 7）时，该节点将所有节点从待机模式切换到工作状态。在这种情况下，示例性电压源（引脚8）产生5V的稳定电压，主振荡器（引脚4）产生锯齿波电压，其频率和上升时间与下降时间的比率由额定值决定元素R3和C10。输出强大的缓冲放大器（引脚6）产生矩形控制电压，其幅度略小于微电路的电源电压。其频率、脉冲持续时间和暂停与主振荡器的锯齿波电压的类似参数一致。

控制芯片采用脉宽方法稳定输出电压。为此，它在运算放大器上包含一个比较单元。参考电压 (2.5V) 的一部分提供给一个输入，电阻分压器 R1R4 的部分输出提供给另一输入。 R2C8元件是该放大器的校正电路。在调节过程中，一旦微电路引脚 2 的电压超过 2,5 V，输出脉冲的持续时间就开始比原来减少。脉冲的频率保持恒定。

为了保护稳定器免受过流影响，微电路中提供了高速比较器。来自内置源的 1V 示例性电压被施加到其一个输入端，并且与流过开路晶体管 VT3 的电流成比例的电压被施加到另一个输入端（引脚 2）。该电压形成电流互感器T1，其初级绕组与晶体管VT2串联。当它处于打开状态时。流经变压器次级绕组、二极管VD1和电阻器R5的电流小于初级绕组电流的k倍，其中kΩwp/w1为变压比T1。因此，在电阻器R5上形成电压，完全重复晶体管VT2的电流形状。其在每一时刻的瞬时值由表达式确定：Ur5=lvT2·R5/k。

每个周期开始时，微电路的控制输出电压使晶体管VT2打开，当3脚电压达到1V时，强制关闭。当稳定器过载时，这个过程在每个周期都会发生，从而防止通过晶体管VT2的电流增加。从而通过负载。

IRF4905 是 INTERNATIONAL RECTIFIER 的 p 沟道场效应晶体管。其开路电阻约为20 mOhm。开闭延时小于0,1μs。只有当由强大的脉冲放大器控制时，它才能获得这样的特性，该放大器提供大（数A）电流来对栅源和栅漏电容进行再充电。在所考虑的稳压器中，该放大器是由晶体管VT1.1、VT1.2微组件构成的。此外，它还反转芯片产生的控制信号。

输出平滑滤波器由电容器C12-C17构成。它们的数量（六个）和类型的选择足以对输出电压进行高质量滤波，而无需额外的高频滤波器。

输入 U 形滤波器对于抑制由于稳定器消耗的电流的脉冲特性而产生的高频干扰是必要的。

由于 VD2 使用了低压降、恢复时间约为 0,05μs 的肖特基二极管，因此可以减少开关损耗，同时提高稳定器的效率。

该装置采用标准元件制成，绕组元件除外。电感器 L1 缠绕在由坡莫合金 MP 10 制成的 K6x4.5x140 环上，并包含 5 匝 6 线 PEV 0,5。均匀地分布在环的整个周边上。扼流圈 L2 采用相同材料的 K19X11x4,8 环制成，包含 12 匝，每匝 10 根相同直径的电线。变压器T1缠绕在由1NM6铁氧体制成的K2000Ox1x0.2环上。次级绕组 w„ 由 PEV 200 线制成，包含 2 匝，均匀地绕在环的整个周边上。初级绕组是穿过环孔的导线，其两端分别连接电容器C7-C2的正极和晶体管VTXNUMX的源极。连接变压器时，必须仔细观察绕组的正确相位。

为了高质量地滤除高频干扰，采用NEC、NICHCON、TDK等D封装无引线钽电容器（C 1-C7、C12-C17）（表面贴装电容器）。来自国产氧化物电容器K53 -28、K53-25、K53-22。确实，最后两种类型的电容器在安装后必须密封。

当然，如果稳定器的安装质量很高，则不需要进行调整。 DA1 微电路的操作特点包括它不“喜欢”在小于 2 的控制脉冲占空比（即低电源电压）下工作。这表现在以下事实：对于给定电源电压，相邻周期的脉冲对具有不同但恒定的持续时间。事实上，这意味着输出电压纹波的形状将在某个频率处接收另一个包络

主振荡器工作频率的一半。通过在微电路的引脚 3 和 4 之间连接一个由电阻为 0,1...2 kOhm 的电阻器和容量为 1000...10000 pF 的电容器组成的串联电路，可以消除此功能。然而，这些“寄生”振荡的频率很高，实际上不会增加输出电压脉动的幅度，并且不会以任何方式影响整个稳定器的动态特性。

开关调节器必须安装在具有短而宽导线的印刷电路板上。其尺寸越小，感应干扰就越少，这在很大程度上决定了设备整体的稳定性。晶体管VT2和二极管VD2安装在有效表面积至少为100cm2的散热器上，为了减少感应干扰，这些元件应通过绝缘垫片安装，散热器本身与负极电连接电容器C2-C7的端子。根据图中，电感器12的右侧端子应连接到电容器C12的正极端子，根据电路，电阻器R4的右侧端子应连接到电容器C17的正极端子。它还向负载提供输出电压。稳定器原型是在一块尺寸为 60x90 毫米、厚度为 2 毫米的双面印刷电路板上制作的。电路板的上侧有“高”元件：扼流圈、变压器、微电路，“下”侧有滤波钽电容器、晶体管组件VT1、晶体管VT2和法兰朝外的二极管VD2。通过沿周边均匀分布的六个孔，将电路板用螺钉固定到与电路板尺寸和厚度相同（3 毫米厚）的铝制散热板上。最终形成 18 毫米厚的扁平结构。为了有效冷却，稳定器垂直安装。

作者：A.Mironov, Lyubertsy, 莫斯科州

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