Преобразователь напряжения для цифровых микросхем
категория
Источники питания
С. БИРЮКОВ, г. Москва
Радио, 2002 год, № 2
Для питания цифровых микросхем необходимо, как правило, напряжение 5 В. Чтобы получить его в автономном устройстве, питаемом от одного-двух гальванических элементов, может быть полезным предлагаемый повышающий преобразователь напряжения на специализированной микросхеме КР1446ПН1А
Схема преобразователя
Кроме микросхемы КР1446ПН1А (КР1446ПН1Б), преобразователь, содержит входные и выходные фильтрующие конденсаторы С1, С2, С4, С5, накопительный дроссель L1, диод VD1 и блокировочный конденсатор СЗ. Работает он традиционным для подобных устройств образом. В течение некоторого времени за счет импульса, поступающего с выхода генератора G микросхемы, транзистор VT1 открыт и ток через дроссель L1 нарастает по линейному закону. Когда ток достигает 1 А, падение напряжения на резисторе r1 микросхемы становится достаточным для переключения компаратора A3 (на второй вход последнего подано небольшое образцовое напряжение от узла А2). Выходной сигнал компаратора прерывает импульс, и энергия, накопленная в дросселе L1, передается в нагрузку через диод VD1.
Циклы накопления энергии в дросселе и передачи ее в нагрузку повторяются один за другим, в результате напряжение на конденсаторах С4 и С5 растет. Через делитель r2rЗ часть его поступает на вход компаратора А4, второй вход которого подключен к источнику образцового напряжения 1,25 В. Когда выходное напряжение преобразователя превышает заданное значение, выходной сигнал компаратора останавливает генератор G, в противном случае — разрешает выдать на транзистор VT1 очередной открывающий импульс. Таким образом, из первичного источника питания в конденсаторы по мере необходимости поступают фиксированные порции энергии.
Частота следования импульсов подзарядки в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки изменяется в широких пределах — от десятков герц до 100 кГц. Если вывод 2 микросхемы соединен с общим проводом, выходное напряжение преобразователя на микросхеме КР1446ПН1А стабилизируется на уровне 5±0,25 В. Если этот вывод соединить с выводом 6, выходное напряжение понизится до 3,3±0,15 В. Для микросхемы КР1446ПН1Б эти уровни соответственно равны 5,2±0,45 В и 3,44±0,29 В.
Соединив вывод 1 микросхемы с общим проводом, можно временно выключить преобразователь, но входное напряжение в этом режиме будет проходить на выход через диод VD1. Так как микросхема изготовлена по технологии КМОП, выводы 1 и 2 нельзя оставлять свободными — они обязательно должны быть соединены или с общим проводом, или с выводом 6 (можно и через резистор сопротивлением до 1 МОм).
Назначение компаратора А5 — следить за входным напряжением и подать предупредительный сигнал, если оно ниже определенной величины. При указанных на рис. 1 номиналах резисторов делителя R1R2 светодиод HL1 загорится, когда входное напряжение упадет ниже 2 В. Если присоединить вывод 5 непосредственно к плюсу источника питания без делителя, светодиод будет гореть при входном напряжении менее 1,25 В.
Внутренние узлы микросхемы питаются выходным напряжением преобразователя, поступающим через вывод 6.
Преобразователь напряжения в минимальной конфигурации (без R1 — R3 и HL1) на микросхеме КР1446ПН1Б был собран на печатной плате размерами 30 x 45 мм из односторонне фольгирован-ного стеклотекстолита толщиной 1 мм (рис. 2). При разработке такой платы необходимо стремиться к минимальным значениям емкости и индуктивности проводника, соединяющего вывод 8 микросхемы DA1 с дросселем L1 и диодом VD1, а также к минимальным индуктивности и активному сопротивлению входных и выходных цепей и общего провода. Для улучшения отвода тепла от микросхемы площадь проводников, подходящих ко всем ее выводам (кроме вывода 8), должна быть максимальной. По той же причине нежелательно устанавливать микросхему в панель.
Дроссель L1 индуктивностью 22 мкГн — 28 витков провода ПЭШО 0,5, намотанных на кольце К10 x 6 x 4,5 из
феррита М2000НМ1. Кольцо перед намоткой следует разломить на две части, предварительно надпилив надфилем, лучше алмазным. Затем половины кольца склеить между собой эпоксидным клеем, установив в один из зазоров прокладку из текстолита толщиной 0,5 мм. Для сохранения формы в процессе затвердевания клея кольцо должно лежать на обрезке органического стекла, от которого его затем легко отделить. Можно воспользоваться кольцом того же типоразмера из феррита с любой проницаемостью более 1000, поскольку индуктивность дросселя при наличии в магнито-проводе зазора зависит практически только от ширины последнего.
Зазор не потребуется в случае применения кольца того же типоразмера из феррита марки М30ВН. Обмотка такого дросселя должна состоять из 40 витков указанного выше провода. Хорошие результаты были получены и со стандартным дросселем ДМ - 2,4 индуктивностью 20 мкГн, но, поскольку его магнитный поток не замкнут, уровень электромагнитных помех, создаваемых преобразователем, значительно увеличивается. В качестве VD1 следует применять диоды Шотки. Подойдут N5818, 1N5819, SR106, SR160 и др. Преобразователь напряжения будет работать и с обычными импульсными диодами на ток не менее 1 А (например, КД509А), но его КПД уменьшится, а минимальное входное напряжение, при котором он начинает действовать, возрастет.
Оксидные конденсаторы С1 и С5 необходимо выбирать с малыми индуктивностью и последовательным сопротивлением на высокой частоте (50...100 кГц). Лучше других подходят конденсаторы серии К53 (автор применил К53-18). С ними размах пульсаций (а он не зависит от 
выходного тока) составил 75 мВ, из них 35 мВ — почти прямоугольный импульс, наблюдаемый в момент передачи энергии из дросселя в конденсатор, а 40 мВ — плавный спад в паузе между импульсами (рис. 3). При установке в качестве С5 конденсатора из серии К50 или К52 амплитуда импульса возрастает в несколько раз, зато при подключении параллельно С5 конденсатора К53-28 емкостью 100 мкФ, специально предназначенного для подавления высокочастотных пульсаций, этот импульс исчезает вовсе.
Керамические SMD-конденсаторы С2 и С4 служат для уменьшения высокочастотных помех. Их припаивают непосредственно к печатным проводникам платы со стороны, противоположной установке других элементов.
На рис. 4 приведены экспериментально снятые зависимости выходного напряжения Uвых от входного Uвx при различных сопротивлениях нагрузки для двух вариантов подключения вывода 2. Прирост выходного напряжения при изменении входного от 1,3 В до Uвых - 0,5 В не превышает 20 мВ, еще на столько же оно увеличивается при дальнейшем приближении входного напряжения к выходному. При входном напряжении выше 1,3 В изменение сопротивления нагрузки в показанных на рис. 4 пределах не вызывало изменения выходного напряжения более чем на 10 мВ.
Зависимость тока потребления преобразователя от входного напряжения при максимальной нагрузке и выходном напряжении 5,4 В показана на рис. 5. Коэффициент полезного действия устройства максимален (приблизительно 80 %) при входном напряжении от 2 до 4,5 В.
Максимальное паспортное значение выходного тока преобразователя напряжения на микросхемах КР1446ПН1А, КР1446ПН1Б — 100 мА, а на их аналоге — микросхеме МАХ756 фирмы MAXIM — 200 мА при выходном напряжении 5 В и 300 мА при 3,3 В. Та же фирма выпускает микросхему МАХ757 с плавно регулируемым в пределах от 2,7 до 5,5 В выходным напряжением.
ЛИТЕРАТУРА
1. Интегральные микросхемы. Микросхемы для импульсных источников питания. — М.: Додэка, 2000.