ПОНИЖАЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ С СИСТЕМОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ

​STEP-DOWN VOLTAGE CONVERTERWITH OVERVOLTAGE PROTECTION SYSTEM

Valeev Karim Rinatovich

Student, Department of Industrial Electronics, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

Getman Ivan Pavlovich

Student, Department of Industrial Electronics, Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается вариант реализации непосредственного преобразователя напряжения понижающего типа, имеющего систему защиты от перенапряжения. Основной проблемой понижающего преобразователя, как источника питания, в изначальном виде является скачок напряжения при подключении нагрузки.

Разработана схема электрическая принципиальная устройства.

Работа устройства проверена в программной среде LTspice.

ABSTRACT

The article examines an implementation of a step-down direct voltage converter equipped with an overvoltage protection system. A primary issue with the step-down converter in its basic configuration is the voltage spike that occurs when a load is connected.

A schematic diagram of the device has been developed.

The device's operation has been verified using the LTspice software environment.

Ключевые слова: источник питания, силовая часть, понижающий преобразователь, ШИМ-контроллер, стабилизатор напряжения.

Keywords: power supply, power stage, step-down converter, PWM controller, voltage stabilizer.

На вход устройства подаётся напряжение 12 В, которое может меняться от 9 В до 14,5 В, на выходе оно должно поддерживаться на уровне 5 В. Также ток не должен превышать 2 А. Допустимые пульсации напряжения не более 3%.

Топология понижающего преобразователя выбрана простейшая в виду отсутствия специфичных требований. Простейшая схема понижающего преобразователя представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Простейшая схема повышающего преобразователя.

Для повышения эффективности диод заменён на транзистор.

В качестве системы управления используется ШИМ-контроллер LT3845[1], который имеет обратную связь по напряжению и по току.

Т.к. ШИМ-контроллер имеет возможность управления двумя ключами, использовать дополнительные средства преобразования сигнала не имеет смысла.

Скачок напряжения при подключении нагрузки происходит из-за невозможности поддежания ШИМ-контроллером необходимого напряжения на выходе при отсутсвии тока на нагрузке, т.е. при работе в режиме холостого хода.

Однако если ШИМ-контроллер отключить, то напряжение на выходе будет падать. Эту функцию выполняет компаратор напряжения.

Структурная схема устройства представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема устройства

В качестве компаратора напряжения выступает операционный усилитель, к который сравнивает входное и выходное напряжения. И если выходное напряжение превышает 6 В, то операционный усилитель подаёт сигнал на транзистор VT1, который при открытии меняет напряжение пине включения ШИМ-контроллера, выключая его.

Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема устройства

Далее разработанное устройство было проверено в программной среде LTspice. Результаты проверки представлены на рисунках 4 – 9.

Рисунок 4. Ток на катушке индуктивности

Рисунок 5. Напряжение на выходе устройства и сигнал имитации подключения нагрузки

Рисунок 6. Установленное напряжение нагрузки

Рисунок 7. Изменение выходного напряжения при резком увеличении сопротивления нагрузки

Рисунок 8. Выходное напряжение (5В) при меняющемся напряжении питания (14,5 В-9 В)

Рисунок 9. Выходное напряжение при установившемся напряжении питания 9 В

Из рисунка 4 видно, что ток не превышает 2 А, не считая мелких пик от пульсаций.

Из рисунка 5 видно, что при отключении нагрузки выходное напряжение не превышает 6 В, а при подключении падает, плавно возрастая.

Из рисунка 6 видно, что напряжение колеблется до 4,9 В, что означает ошибку менее 3%.

Из рисунка 7 видно, что при резком увеличении сопротивления нагрузки выходное напряжение возросло до 6,5 В, что объясняется недостаточной скоростью реакции системы защиты от перенапряжения.

Из рисунка 8 видно, что устройство выдаёт 5 В в полном диапазоне напряжения питания.

Из рисунка 9 видно, что выходное напряжение менее стабильное при напряжении питания 9 В, однако ошибка всё ещё менее 3%.

Список литературы:

1. Linear Technology High Voltage Synchronous Current Mode Step-Down Controller with Adjustable Operating Frequency, 2006. – 26 с.