Ограничение выходного тока стабилизатора напряжения

Ограничение выходного тока стабилизатора напряжения

Хочешь узнать ответ

Как и во всех АСР, в схемах компенсационных непрерывных стабилизаторов напряжения можно выделить следующие элементы:

1) Датчик (Д) — в качестве датчика напряжения, обычно, выступает делитель напряжения, который позволяет использовать часть выходного напряжения схемы в качестве входного сигнала регулятора.

2) Задатчик — элемент схемы, с которого регулятор получает задание. В стабилизаторе напряжения он называется источником опорного напряжения (ИОН) и, обычно, строится на основе стабилитрона.

3) Регулятор — это элемент, который сравнивает входной сигнал регулятора с заданием (т.е. часть выходного напряжения схемы с опорным напряжением) и вырабатывает, в зависимости от их соотношения, управляющее воздействие. В стабилизаторах напряжения этот элемент принято называть элементом сравнения и усиления (ЭСУ). В качестве регулятора, обычно, используется операционный усилитель.

4) Регулирующий элемент (РЭ) — это элемент схемы, который, в зависимости от величины управляющего воздействия, изменяет свои рабочие параметры таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось постоянным. В качестве регулирующего элемента, обычно, используется транзистор.

В зависимости от схемы включения регулирующего элемента стабилизаторы напряжения делятся на последовательные (которые также называют сериесными) и параллельные (которые также называют шунтовыми).

Последовательные стабилизаторы напряжения (сериесные) — это стабилизаторы, в которых регулирующий элемент включен последовательно с нагрузкой.

Если напряжение на выходе превышает заданное, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что падение напряжения на нем увеличивается и, как следствие, уменьшается выходное напряжение. Если напряжение на выходе меньше заданного, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что падение напряжения на нем уменьшается и, как следствие, увеличивается выходное напряжение.

Параллельные стабилизаторы напряжения (шунтовые) — это стабилизаторы, в которых регулирующий элемент включен параллельно с нагрузкой.

Если напряжение на выходе превышает заданное, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что ток через него увеличивается, а следовательно — увеличивается падение напряжения на балластном резисторе и уменьшается выходное напряжение. Если напряжение на выходе меньше заданного, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что ток через него уменьшается, а следовательно уменьшается падение напряжения на балластном резисторе и увеличивается выходное напряжение.

Следует отметить, что последовательные стабилизаторы напряжения более распространены, чем параллельные.

Компенсационные непрерывные стабилизаторы напряжения отличаются относительно невысоким КПД (30-50%) и необходимостью использования специальных радиаторов для охлаждения РЭ, который, постоянно работая в активном режиме, может довольно значительно нагреваться.

Ниже представлен пример последовательного стабилизатора напряжения:

В данной схеме в качестве регулирующего элемента использован биполярный транзистор, в качестве датчика напряжения — делитель на резисторах R₂ и R₃, источник опорного напряжения реализован на стабилитроне и резисторе R₁, а элемент сравнения и усиления реализован на операционном усилителе. Резистор R необходим для ограничения выходного тока операционного усилителя.

Схема работает следующим образом: в равновесном состоянии, когда выходное напряжение равно заданному, напряжение между входами операционного усилителя равно нулю.

Если выходное напряжение по какой-либо причине уменьшится на величину D U_вых, то напряжение на неинвертирующем входе (с источника опорного напряжения) практически не изменится, а напряжение на инвертирующем входе (с делителя напряжения) уменьшится на величину D U_вых*R₃/(R₃+R₂). Это отрицательное приращение напряжения на инвертирующем входе инвертируется и усиливается операционным усилителем, в результате чего выходное напряжение операционного усилителя увеличится и, как следствие, увеличится потенциал базы транзистора. В результате этого увеличатся токи базы, коллектора и эмиттера транзистора, уменьшится падение напряжения U_кэ. Так как падение напряжения на транзисторе уменьшится, то выходное напряжение увеличится и схема вернется к равновесному состоянию. Аналогично, если выходное напряжение по какой-либо причине увеличится, то потенциал базы транзистора уменьшится и падение напряжения на транзисторе увеличится.

В рассмотренной схеме операционный усилитель должен питаться не выходным (стабилизированым) напряжением, а входным. Это необходимо по двум причинам:

1) В момент запуска схемы транзистор закрыт и операционный усилитель не получает питания, а следовательно не может изменить потенциал базы и открыть транзистор. То есть схема просто не запустится (по этой же причине ИОН также должен располагаться до РЭ, иначе в момент запуска схема будет находиться в состоянии равновесия).

2) Для нормальной работы транзистора потенциал его базы должен быть на 0,5. 1 В выше, чем выходное напряжение, а питание операционного усилителя должно быть на 2. 3 В больше, чем потенциал базы. То есть питание операционного усилителя должно быть на 2,5. 4 В больше, чем выходное напряжение.

Аналогично можно построить схему параллельного стабилизатора, только добавляется балластный резистор, транзистор включается в цепь не последовательно, а параллельно. Последовательно с транзистором надо включить резистор. Напряжение с делителя должно поступать на неинвертирующий вход операционного усилителя, а с источника опорного напряжения — на инвертирующий, т.к. в данном случае при уменьшении выходного напряжения ток через транзистор должен уменьшаться, а при увеличении выходного напряжения — увеличиваться.

автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему: Схемотехническое проектирование прецизионных источников опорного напряжения и линейных стабилизаторов по БиКМОП технологии 0,18 мкм

Автореферат диссертации по теме «Схемотехническое проектирование прецизионных источников опорного напряжения и линейных стабилизаторов по БиКМОП технологии 0,18 мкм»

На правах рукописи

СУХОТЕРИН Евгений Валерьевич

СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ЛИНЕЙНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ ПО БИКМОП ТЕХНОЛОГИИ 0,18 МКМ

Специальность 05.27.01 — Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет»

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

профессор Бормонтов Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: Зольников Владимир Константинович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», заведующий кафедрой вычислительной техники и информационных систем;

Мушта Александр Иванович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», доцент кафедры радиоэлектронных устройств и систем Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский

институт электронной техники» (ОАО «НИИЭТ», г. Воронеж)

Защита состоится «23» сентября 2014 г. в 14:00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической -библиотеке и официальном сайте ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» www.vorstu.ru.

Автореферат разослан «30» июня 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета -Л Горлов Митрофан Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Линейные интегральные стабилизаторы напряжения являются неотъемлемой частью современной радиоэлектронной аппаратуры, качество которой в значительной степени определяется точностью и стабильностью выходного напряжения стабилизатора.

В настоящее время проблема обеспечения экономичного электропитания требует создания малогабаритных стабилизаторов напряжения с минимальными потерями. Эти устройства должны отвечать специфическим требованиям, которые не могут быть обеспечены при использовании традиционных биполярных микросхем стабилизаторов, а именно — иметь чрезвычайно низкий ток потребления, низкое остаточное напряжение (вход-выход), высокую точность выходного напряжения. При реализации современных линейных стабилизаторов напряжения на передний план выходит БиКМОП технология, которая позволяет снизить ток потребления этих устройств в сотни раз.

Линейный стабилизатор напряжения, исполненный по БиКМОП технологии, обладает рядом достоинств: низкая стоимость, большой коэффициент полезного действия, высокая стабильность выходного напряжения, незначительный уровень шумов. Область применения БиКМОП стабилизаторов напряжения крайне широка — это мобильные средства связи, переносные компьютеры, устройства питания микроконтроллеров, автономные видеокамеры слежения и многое другое.

Основным узлом линейного стабилизатора является источник опорного напряжения, который, по сути, давно уже рассматривается как базовый электронный блок, главной задачей которого является обеспечение на своем выходе прецизионного постоянного напряжения независимо от воздействия внешних факторов. Характеристики этого блока в первую очередь определяют качественные показатели самых различных радиоэлектронных устройств. Если учесть неуклонную тенденцию к росту разрядности представления цифровых данных, несложно представить важность решения проблем, связанных с повышением точности и воспроизводимости характеристик опорных источников. Кроме того, важно отметить, что в связи с неуклонным сокращением технологических норм и необходимостью снижения потребляемой мощности, современная электронная аппаратура имеет, как правило, низкие напряжения питания, что существенно ограничивает

возможности известных схемотехнических приемов в процессе проектирования.

Таким образом, задача разработки прецизионных линейных стабилизаторов и источников опорного напряжения с возможностью прогноза их точности и серийноспособности на ранних этапах проектирования и, в том числе, пригодных для работы при низких питающих напряжениях представляется достаточно актуальной.

Цель работы: схемотехническое проектирование прецизионных источников опорного напряжения и линейных стабилизаторов с низким проходным напряжением в технологии БиКМОП 0,18 мкм и оценка точности их характеристик с учетом технологических особенностей субми кронного ис полнения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

-обосновать подходы к оценке точности прецизионных интегральных схем, изготовляемых средствами современных субмикронных технологий, использующие методы теории чувствительности;

-определить абсолютные и полуотносительные чувствительности выходного напряжения основных типов опорных источников к величинам номиналов элементов и переменных, связанных с ними;

-получить замкнутые аналитические выражения для среднеквадратического отклонения выходного напряжения этих источников и указать возможные направления повышения точности опорного напряжения;

-обосновать структуру стабилизатора с низким проходным напряжением и минимальной чувствительностью к номиналам его элементов;

-спроектировать ряд прецизионных линейных стабилизаторов напряжения по субмикронной технологии 0,18 мкм.

Научная новизна диссертации определяется полученными оригинальными результатами и состоит в следующем:

1. Обоснован подход к расчету точности субмикронных прецизионных источников и стабилизаторов напряжения, основанный на методах теории чувствительности, позволяющий получить аналитические выражения для стандартных отклонений их характеристик и обеспечивающий возможность оценки серийноспособности.

2. Получены выражения для абсолютных и полуотносительных чувствительностей выходного напряжения типичных структур опорных источников к их элементам и параметрам, обосновывающие утверждение о том, что наибольшее влияние на точность источников опорного напряжения оказывают напряжение смешения операционного усилителя и рассогласование элементов отражателей тока.

3. Оценка точности источника опорного напряжения для основных его разновидностей показала, что «классическая» архитектура с дополнительными двумя биполярными транзисторами имеет минимальное среди известных структур среднеквадратическое отклонение опорного напряжения.

4. Определены зависимости статистических характеристик выходного напряжения линейного стабилизатора от технологических погрешностей производства, позволяющие сформулировать требования по степени точности к функциональным блокам стабилизатора, входящим в его состав.

Научная и практическая значимость. Проблемы построения прецизионных источников и стабилизаторов напряжения всегда будут в числе важнейших в проектировании аналоговых устройств, поскольку качество эталонного напряжения во многом определяет достоверность преобразования и передачи информации. В практике их проектирования основным вопросом, как правило, является вопрос температурной стабильности, в то время как точность задания уровня выходного напряжения менее исследована. Привлечение методов теории чувствительности открывает новые возможности в оценке качества опорных источников. Предложенные методы и проведенная работа дают возможность оценки не только точности, но и серийноспособности на ранних этапах проектирования. В отличие от широко известных компьютерных методов статистических испытаний предлагаемый аналитический подход позволяет получить не только количественную оценку, но и указывает пути повышения этих важнейших показателей качества.

Сочетание аналитического подхода с известным и многократно экспериментально подтвержденным приемом разделения технологических погрешностей на групповые и межэлементные дало возможность получить замкнутые и вполне обозримые аналитические выражения для наиболее важных качественных показателей.

Полученные в процессе исследования научные результаты и практические рекомендации были использованы при разработке и совершенствовании функциональных характеристик стабилизаторов напряжения, исполненных по технологии 0,18 мкм. При этом один из разработанных стабилизаторов напряжения обладает возможностью выбора трех уровней выходного напряжения 1,2 В, 1,8 В, 2,5 В, при емкости нагрузки 1 мкФ, имеет запас по фазе не менее 30° и уровень выходного шума 55 мкВ.

Результаты диссертации были использованы в НИОКР, что подтверждается актом внедрения № 0082/04-14т от 18.04.2014 г.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Применение аналитического подхода к оценке точности источников и стабилизаторов напряжения позволяет указать возможные направления снижения величины среднеквадратического отклонения их выходных уровней.

2. «Классическая» архитектура с парой дополнительных биполярных транзисторов обладает наименьшей чувствительностью к номиналам элементов среди прочих известных конфигураций.

3. Рассогласование элементов является решающим фактором, определяющим погрешность уровня опорного напряжения. При этом наибольшее влияние на точность оказывают напряжение смещения операционного усилителя и токи стока МОП-транзисторов отражателей тока.

4. Полученные значения среднеквадратического отклонения выходного напряжения линейного стабилизатора позволяют сформулировать требования по точности к компонентам стабилизатора.

5. Спроектированы линейные стабилизаторы напряжения с уровнем собственного шума 55 мкВ в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц и запасом устойчивости не менее 30°, в составе которых используются спроектированные прецизионные схемы источников опорного напряжения, имеющие низкий технологический разброс выходного напряжения, и также высокую стабильность выходного уровня по напряжению питания и температуре.

Апробация результатов работы. Полученные результаты докладывались на следующих конференциях и семинарах:

— международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2013, 2014);

— научно-методический семинар «Флуктуацнонные и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2013);

— X международный научно-практический семинар «Проблемы современной аналоговой схемотехники» (Шахты, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано двенадцать научных работ, в том числе пять в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем выполнены: [1-5, 10-12] — анализ и интерпретация полученных результатов, решение поставленной задачи, подготовка научной публикации для печати; [4-9] — проектирование аналоговых функциональных блоков, предназначенных для исполнения средствами субмикронной БиКМОП технологии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 73 наименований. Основная часть работы изложена на 109 страницах, содержит 24 таблицы и 42 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации. Описаны основные задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены положения, выносимые на защиту, сведения об апробации результатов работы и публикациях.

В первой главе представлен литературный обзор, отражающий анализ влияния технологических погрешностей элементов интегральных микросхем на их характеристики. Рассмотрены статистические подходы к расчету отклонений характеристик интегральных микросхем. Обосновывается утверждение о том, что в силу малости отклонении параметров элементов субмикронных прецизионных микросхем для оценки отклонений их характеристик правомерно применение методов теории чувствительности, основанных на ограничении разложения выходной функции производными первого порядка.

Во второй главе подробно описан аналитический подход к оценке точности прецизионных источников опорного напряжения (ИОН), основанный на использовании методов теории чувствительности, предложены пути уменьшения среднеквадратического отклонения опорного напряжения, получены выражения для полуотносительных и абсолютных чувствителыюстей выходного напряжения типичных архитектур опорных источников к их элементам.

Предметом исследований явились пять наиболее распространенных структур ИОН типа «Ьапс^ар», упрощенные схемы которых приведены на рис. 1. Их элементами являются биполярные транзисторы (0/-05), резисторы (7?/-Л5), МОП-транзисторы (.М1-МЗ) и операционный усилитель А1.

Стабилизатор напряжения Вольт Engineering АМПЕР Э 9-1/10A v2.0

Сетевой симисторный стабилизатор на 2 кВт

Вольт Инжиниринг Ампер Э 9-1/10 — симисторный стабилизатор для работы в сетях с отклонением напряжения в пределах 135-285 вольт. В диапазоне 160-260 вольт обеспечивает на выходе стабильное напряжение 210-230 вольт.
Данная модель имеет 9 ступеней регулировки и относится к одной из лучших среди бюджетных симисторных стабилизаторов на 2 кВт.

Основные характеристики и преимущества стабилизатора напряжения Вольт Инжиниринг Ампер Э 9-1/10 v2.0 (серия Вольт engineering, НПО «Вольт»).
• современный ARM микроконтроллер
• RMS измерение входного напряжения
• ограничение тока короткого замыкания
• анализатор сети и состояния стабилизатора
• расширенное сервисное меню — 15 параметров
• 2 скорости вращения вентиляторов охлаждения
• электронный байпас с функцией защитного реле
• бесшумный силовой тороидальный трансформатор
• отсутствие искажения формы входной синусоиды сети
• высоконадёжное трансформаторное управление ключами
• регулировка времени задержки на включение до 120 секунд
• варисторы установлены на входе и на выходе стабилизатора
• стальной корпус, окрашенный высококачественной порошковой эмалью
• входной дроссель выполнен на сердечнике с распределённым магнитным зазором
• минимально возможное время реакции на изменение входного напряжения — 20 мс
• мощный игольчатый охладитель тиристоров, изготовленный по технологии литья под высоким давлением

Технические параметры Вольт Инжиниринг АМПЕР Э 9-1/10

Устройство и индикация

Функционально стабилизатор представляет собой стабилизатор напряжения вольтодобавочного типа, состоящий из регулирующего автотрансформатора, мощных электронных ключей, контроллера напряжения и токовой защитой от превышения потребляемого тока нагрузкой.

Вольт Инжиниринг АМПЕР Э 9-1/10 имеет расширенную цифровую индикацию на панели управления:
• входного и выходного напряжения, В;
• входного тока, А;
• полной мощности, кВА;
• частоты сети, Гц;
• температуры входных и выходных ключей, трансформатора;
• количества отключений по максимальному напряжению;
• количества отключений по перегреву;
• количества срабатывания защиты ключей;
• номера включенных ключей;
• версии ПО платы управления и индикатора;
• отображение кода ошибки при возникновении аварийной ситуации.

Сверху расположены вентиляторы охлаждения, спереди — автоматический выключатель, информационный LED-индикатор, кнопка выбора режима работы, снизу — защитная крышка силовой клеммной колодки, розетка для подключения к нагрузке и шнур для подключения к питающей сети. На задней части — отверстия для навески на стену, вентиляционные отверстия и ножки для упора.
Все контролируемые параметры отображаются на цифровом четырёхразрядном индикаторе, расположенном на передней панели стабилизирующего блока. Первый разряд индикатора отображает тип отображаемого параметра. Для просмотра всех параметров служит кнопка “Выбор индикации”.

Подключение и запуск сетевого стабилизатора

Для подключения стабилизатора к сети нужно шнур питания с вилкой от стабилизатора подключить к питающей розетке 220 вольт. Электробытовая техника и устройства подключаются к розетке, которая находится в нижней части стабилизатора. Далее следует включить автоматический выключатель на лицевой панели стабилизатора. При этом индикатор в течении 10-15 секунд продолжает мигать и на нем поочередно появляется надпись «C.12» или «C.9» или «C.16», т. е. количество ступеней стабилизации и надпись формата «U190», т. е. текущее значение входного напряжения.
Если была установлена задержка на включение, то на индикаторе появится цифровой обратный отсчет, который показывает время до включения стабилизатора.
Режим байпас (транзит) доступен только в стабилизаторах серии АМПЕР, АМПЕР-Т и АМПЕР-Р на 25-80А. В стабилизаторах серии АМПЕР, АМПЕР-Т и АМПЕР-Р на 5-16А данный режим не активен и изделия при пуске переходят в режим стабилизации автоматически!

Источник:
Стабилизатор напряжения Вольт АМПЕР Э 9-1/10A продается в нашем интернет-магазине за 12980 руб. (с учетом НДС).
Оплата при доставке по Москве и области для физ. лиц. производится при получении продукции.
При доставке в регионы России — по предоплате (любая транспортная компания) или с оплатой при получении (СДЭК).
Если возникли дополнительные вопросы, то получить профессиональную консультацию можно с 9 до 23 часов ежедневно по тел. (495) 972-00-90.
Мы всегда рады Вашим звонкам!

Оплатить заказанную продукцию можно как наличными, так и по безналичному расчету (на условиях полной предоплаты): Яндекс-деньги, Web-money, QIWI, VISA, карта Сбербанка.
При оплате по квитанции Сбербанка, комиссия банка составляет 3% от суммы платежа. (1% при платеже через Сбербанк Онл@йн)
Мы работаем с НДС, даем полный пакет необходимых документов.
Мы не прибавляем доп. проценты за безналичный расчет и предоставляем бронь на заказанные таким образом товары.
Если Вам необходим договор поставки, то просто сообщите об этом менеджеру.

Заказать продукцию на staby.ru можно круглосуточно и без выходных.
Нажав на кнопку «Купить» Вы попадете на страницу «Корзина», где можно управлять данными Вашего заказа.
Затем нажмите кнопку «Оформить заказ»и выберите подходящий способ оплаты, указав при этом Ваши контактные данные, которые нужны для доставки Вашего заказа. Когда заказ оформлен нажмите на кнопку «Готово».
Также можно сделать заказ по телефону (с 9.00 до 23.00, без выходных) или через ниже расположенную форму

Доставка заказов выполняется с понедельника по субботу с 10 до 20 часов.

При общей сумме заказа от 5 тысяч рублей мы доставим продукцию бесплатно по Москве. При заказе на сумму менее 5 тысяч рублей, стоимость доставки — 250 руб.

Доставка за пределы МКАД — по тарифу 20 рублей/1 км.

Доставка в регионы России — через автотранспортные компании (по полной предоплате)

Возможен самовывоз со склада в г. Королев (предварительно уточняйте наличие товара!)

Хотите получить скидку 3%*?

Оформите несрочный заказ с доставкой до 3-х дней. Укажите в примечании: «Готов подождать за скидку 3%»

Если Вы проживаете недалеко от г. Королев, то можете забрать товар самовывозом.
Для получения скидки нужно предварительно оформить заказ через сайт и указать в примечании «Самовывоз со скидкой 3%»

*Скидка по данной акции и промокодам не распространяется на товары, по которым уже снижена цена.

До 1000 руб за отзыв!

После покупки товара вы можете получить до 1000 руб., оставив отзыв на Яндекс-маркете:
• для покупок на сумму от 10 до 30 тыс. руб — 500 руб.
• свыше 30 тыс. руб — 1000 руб.

ТРЕХВЫВОДНОЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С НИЗКИМ ПРОХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ I. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ИС.

Вячеслав Максимов 3 лет назад Просмотров:

1 НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ЦЕНТР СХЕМОТЕХНИКИ И ИНТЕГРАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. РОССИЯ, БРЯНСК К1156ЕН6хх НТЦ СИТ ТРЕХВЫВОДНОЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С НИЗКИМ ПРОХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ I. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ ИС. ОСОБЕННОСТИ Ток нагрузки до 1 А. К1156ЕН6Пх, корпус ТО-220 Нестабильность напряжения на выходе не более ±1,5%. Минимальное падение напряжения вход — выход 1,0 В (типовое) при токе нагрузки 1 А. Защита от короткого замыкания. Тепловая защита. Аналог — CS5201-хх. К1156ЕН6Тх, корпус ТО ОПИСАНИЕ ВЫВОДОВ Номер вывода Обозначение Назначение вывода 1 GND Общий 2 OUT Выход 3 INP Вход ТИПОНОМИНАЛЫ Типономинал Номинальное выходное напряжение, Uo (B) К1156ЕН6ПА, К1156ЕН6ТА 3.3 К1156ЕН6ПБ, К1156ЕН6ТБ 2.5 К1156ЕН6ПВ, К1156ЕН6ТВ 1.8 К1156ЕН6ПГ, К1156ЕН6ТГ 1.5

2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА Vin Температурная защита Q2 Опорное напряжение — + Q1 Vout Защита от КЗ R1 R2 GND Рис. 1. Структурная схема ИС. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ Серия стабилизаторов с фиксированным положительным напряжением К1156ЕН6хх разработана, чтобы обеспечить стабилизацию для токов до 1.0 А с более высокой эффективностью, чем у доступных в настоящее время устройств. Вся схемотехника разработана так, чтобы обеспечить работу при разности напряжений входвыход до 1 В, причем падение напряжения полностью является функцией тока нагрузки. Максимальное значение падения напряжения равное 1.2 В гарантируется при максимальном выходном токе, при более низких токах нагрузки оно уменьшается. Это достигнуто применением составного PNP- NPN выходного транзистора. Встроенная подстройка позволяет регулировать опорное напряжение с точностью до 1%. Величина ограничения тока также подстраивается на стадии изготовления, уменьшая последствия перегрузки как на стабилизаторе, так и на схеме источника питания. Стабилизаторы К1156ЕН6хх достаточно удобны и имеют все функции защиты, необходимые в высокоточных стабилизаторах напряжения. Они имеют: защиту от короткого замыкания, защиту от выхода из области безопасной работы, а также тепловую защиту, которая выключает стабилизатор при температуре, превышающей 150ºС. Для стабильной работы стабилизатора необходимо обязательное подключение на выходе микросхемы конденсатора 10 мкф (min); однако, обычно используют конденсатор большего номинала. В отличие от стабилизаторов с регулирующими р-п-р транзисторами, где до 10 % выходного тока тратится впустую в качестве потребляемого тока, потребляемый ток К1156ЕН6П течет через нагрузку, увеличивая эффективность (КПД). Микросхемы серии К1156ЕН6хх являются аналогом микросхем CS5201-хх, совместимы с линейными стабилизаторами LT1086-хх. октябрь 02 г. 2 НТЦ СИТ

3 II. ПАРАМЕТРЫ ИС. МАКСИМАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ РЕЖИМОВ Условное обозначение Наименование параметра Значение Ui max Напряжение входное постоянное 7 B Io max Выходной ток Ограничено внутренней схемой защиты ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Условное обозначение Наименование параметра Значение Rt JC Тепловое сопротивление кристалл-корпус 5 С/Вт Rt JA Тепловое сопротивление кристалл-среда 60 С/Вт Tа T J Рабочий диапазон температур Максимальная температура кристалла С +150 С ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ Условное обозначение При Uo+2.0В Ui 7.0В, С1=10мкФ, С2=22мкФ, Tj =+25 С, если не указано другое. Наименование параметра Режимы Норма не менее не более Единицы измер. Uo Выходное напряжение В К1156ЕН6хА 3 В Ui 7 B, 1, 4 Условное обозначение Iоs Наименование параметра Ток короткого замыкания Режимы Норма Единицы не менее не более измер. Ui-Uo=3.0 В А октябрь 02 г. 4 НТЦ СИТ

5 III. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРИМЕНЕНИЮ. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ Vin 3 VIN VOUT 2 Vout + C1 ADJ 1 + C2 Рис. 2. Типовая схема включения ИС. C1 = 10 мкф; C2 = 22 мкф. D1 (необязателен) Vin 3 2 VIN VOUT Vout + C1 ADJ 1 + C2 Рис. 3. Схема включения защитного диода. Vin 3 VIN VOUT 2 R1 (паразитное сопротивление проводов) ADJ 1 R2 Рис. 4. Схема включения с повышенной точностью регулирования. R2 — сопротивление нагрузки октябрь 02 г. 5 НТЦ СИТ

6 СТАБИЛЬНОСТЬ Конструирование схемы, с применением приборов серии К1156ЕН6хх требует использования конденсатора на выходе для компенсации частотных характеристик устройства. Для всех эксплуатационных режимов подключение к выходу дополнительного электролитического алюминиевого конденсатора емкостью 150 мкф, или танталового конденсатора емкостью 22 мкф гарантирует стабильность. Обычно на выходе многих стабилизаторов используются конденсаторы величиной порядка 100 мкф, чтобы гарантировать хорошую переходную характеристику при больших изменениях тока нагрузки. Емкость конденсатора на выходе может быть увеличена беспредельно, и при больших значениях улучшаются стабильность и переходная характеристика стабилизаторов серии К1156ЕН6хх. Другая проблема, которая может возникать в монолитных интегральных стабилизаторах генерация, связанная с работой схемы ограничения выходного тока. Это может происходить потому, что, при ограничении выходного тока, схема защиты от выхода из области безопасной работы создает на выходе отрицательный импеданс. Схема защиты от выхода из области безопасной работы уменьшает ограничение выходного тока, так как увеличивается напряжение вход-выход. Это эквивалентно наличию отрицательного сопротивления, так как увеличение напряжения вызывает уменьшение тока. Наличие отрицательного сопротивления во время действия схемы ограничения выходного тока не является уникальным свойством серии К1156ЕН6хх, оно присутствует у всех мощных интегральных стабилизаторов. Величина отрицательного сопротивления функция того, как быстро уменьшается выходной ток и как увеличивается напряжение вход/выход. Это отрицательное сопротивление может взаимодействовать с емкостями или индуктивностями на входе, вызывая генерацию во время действия схемы ограничения выходного тока. В зависимости от значения последовательного сопротивления, полная схема источника питания может оказаться нестабильной. Эта проблема схемотехники не обязательно легко разрешима; однако она не вызывает никаких проблем, связанных с работой микросхемы стабилизатора, и обычно игнорируется КОНДЕНСАТОРЫ ОБРАМЛЕНИЯ Для обеспечения устойчивой работы микросхем серии во всем диапазоне допустимых значений входного напряжения и выходного тока необходимо применять навесные конденсаторы. Монтаж этих конденсаторов должен выполняться предельно короткими проводниками и, по возможности, непосредственно рядом с соответствующими выводами стабилизатора. Высокочастотные характеристики электролитических конденсаторов очень зависят от их типа. Например, если для устойчивости стабилизатора требуется алюминиевый электролитический конденсатор, используемый в большинстве прикладных схем, емкостью 100 мкф, то такой же коэффициент стабилизации может быть получен с танталовым электролитическим конденсатором емкостью всего 22 мкф. Другая критическая характеристика электролитических конденсаторов — их рабочий диапазон температур. У большинства алюминиевых конденсаторов электролит замерзает уже при температуре -30 С. В результате эффективная емкость падает до нуля. Для обеспечения устойчивой работы стабилизатора и повышения устойчивости выходного напряжения при более низком уровне температуры окружающей среды необходимо применение специальных конденсаторов (например, танталовых). В то же время в применениях, где температура окружающей среды стабилизатора не будет меньше 25 С, выходной конденсатор может октябрь 02 г. 6 НТЦ СИТ

7 быть уменьшен приблизительно в два раза от значения, необходимого для полного температурного диапазона. Поскольку характеристики конденсаторов заметно варьируются в зависимости от торговой марки и качества конкретно поставляемой партии конденсаторов, рекомендуется проводить их дополнительные испытания с тем, чтобы получить реальную оценку минимального значения емкости конденсатора, которое можно применять в октябрь 02 г. 7 НТЦ СИТ конкретной схеме включения стабилизатора. Критичным для такой оценки является режим работы схемы при минимальной температуре кристалла и окружающей среды одновременно с максимально возможным током нагрузки. Найденное значение емкости должно быть удвоено, чтобы учесть производственный разброс параметров конденсаторов и стабилизаторов. ЗАЩИТНЫЕ ДИОДЫ При нормальной работе приборы К1156ЕН6хх не нуждаются ни в каках защитных диодах. Внутренний диод между выводами входа и выхода может выдержать в течение микросекунды токи от 50 до 100А. Даже с большими емкостями на выходе очень трудно получить такие значения токов при нормальной работе. Только при высоких значениях емкости конденсатора на выходе, типа мкф, и при мгновенном закорачивании входа на землю могут произойти повреждения, и тогда рекомендуется включать диод между выходом и входом. В этом случае рекомендуется подсоединять стабилизатор, как показано на рис.3. Нормальные циклы работы источника питания или даже подключения и отключения от работающей системы не будут производить ток, достаточно большой, чтобы вызвать какое-нибудь повреждение. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ ПО ТОКУ Так как К1156ЕН6хх — 3-х выводной стабилизатор, невозможно обеспечить истинную стабилизацию на удаленной нагрузке. Нестабильность по току будет увеличена сопротивлением проводников, соединяющих стабилизатор и нагрузку. Данные в спецификациях для нестабильности по току измеряются на выводах корпуса. Хотя это может быть не очевидно сразу, лучшее значение нестабильности по току получается, когда «общий» вывод стабилизатора связан непосредственно с нагрузкой. Это иллюстрируется на рис. 4. ЗАЩИТА ПО ТОКУ В случае короткого замыкания выхода стабилизаторе, выходной ток ограничивается на его максимальном значении. Специальная схема воздействует на базу выходного транзистора, предотвращая увеличение тока выше установленного значения. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПОСЛЕ ПЕРЕГРУЗКИ Подобно любому из интегральных стабилизаторов, микросхема К1156ЕН6хх имеет защиту от выхода из области безопасной работы. Схема защиты от выхода из области безопасной работы уменьшает ограничение тока, поскольку напряжение вход-выход увеличивается и сохраняет мощный транзистор внутри области безопасной работы при всех значениях напря-

8 жения вход/выход. В приборе К1156ЕН6хх защита разработана так, чтобы обеспечить некоторый выходной ток при всех значениях напряжения вход-выход до поломки устройства. При включении питания, поскольку входное напряжение растет, выходное напряжение следует за входным, позволяя запустить стабилизатор с очень большими нагрузками. Во время запуска, хотя выходное напряжение повышается, разность напряжений вход-выход остается маленькой, позволяя стабилизатору пропускать большие выходные токи. При высоких входных напряжениях появляется проблема заключающаяся в том, что прекращение режима короткого замыкания на выходе не вызывает появления выходного напряжения. Более старые стабилизаторы, типа серии 78хх, также обнаруживают такое свойство, так что это не уникально для К1156ЕН6хх. Проблема наступает при большой нагрузке, когда входное напряжение велико, а выходное напряжение мало, в момент после прекращения режима короткого замыкания на выходе. Линия нагрузки при этом может пересекать кривую выходного тока в двух точках. Если это случится, получатся две устойчивых рабочих точки для стабилизатора. В таких случаях напряжение на входе источника питания должно быть снижено до нуля и поднято снова, чтобы получить нормальное значение выходного напряжения. ТЕПЛОВАЯ ЗАЩИТА Для повышения надежности работы стабилизатора во всех режимах работы в состав микросхемы введена схема тепловой защиты. При достижении температуры кристалла более +150 С происходит полное выключение стабилизатора на время, пока температура кристалла не опустится ниже +150 С. ОЦЕНКА ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК Рассеиваемая мощность стабилизатора при максимальном входном напряжении и максимальном токе нагрузки равна PD(max) = ( UI UO) IO(max) + UI IC (1) Хотя внутреннее рассеивание мощности ограничено встроенными схемами защиты, температура кристалла должна сохраняться ниже указанного максимального значения (+150 С). При вычислении максимальной температуры кристалла и расчете радиатора следует использовать значения, приведенные в разделе Тепловые характеристики. TJ(max) TA PD = (2) Rt JA Для оценки влияния конструкции прибора на тепловые характеристики, рассмотрим тепловые потоки в корпусе Т0-220 (КТ-28-2). В этом корпусе кристалл крепится непосредственно к теплоотводу и заливается пластмассовым компаундом. Поэтому имеется несколько параллельных тепловых потоков от кристалла к окружающей среде. Основной поток — от кристалла к теплоотводу, от теплоотвода до окружающей среды. Другие: — от кристалла до окружающей среды через вывода; — от кристалла до окружающей среды через пластмассовый корпус. Последний путь для упрощения расчетов не будем рассматривать, так как изменить его тепловые характеристики проектировщиком весьма проблематично, и вклад в общее тепловое сопротивление достаточно мал. Тепловую эквивалентную схему можно представить как последовательнопараллельное соединение тепловых сопротивлений. В этой модели источник тепловой энергии представлен как источник тока, тепловой поток аналогичен электрическому току, а температура — напряжению. Tj — температура кристалла, причем температура октябрь 02 г. 8 НТЦ СИТ

9 кристалла считается постоянной. Таким образом, в этой модели общее тепловое сопроду теплоотводом и окружающей средой; Rt CA -тепловое сопротивление межтивление равно Rt LA -тепловое сопротивление между ( Rt JC + Rt CA ) ( Rt JL + Rt LA ) выводами и окружающей средой. Rt JA = Rt JC + Rt CA + Rt JL + Rt Тепловые потоки, связанные с величинами Rt JC и Rt JL находятся в пределах LA (3) где: корпуса и не могут быть изменены пользователем. Однако, тепловые потоки, связан- Rt JA -тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда; ные с величинами Rt CA и Rt LA находятся Rt JC -тепловое сопротивление между вне корпуса и могут эффективно использоваться для управления общим тепловым со- кристаллом и корпусом (теплоотводом); Rt JL -тепловое сопротивление между противлением и, следовательно, температурой кристалла. кристаллом и точкой, находящейся на выводах ниже корпуса стабилизатора на 1,5 мм; ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИАТОРОВ Изменять значения двух внешних тепловых сопротивлений, доступных проектировщику схемы, можно с помощью выбора радиатора, наиболее приемлемого к конкретной ситуации. Тепловое сопротивление кристалл — корпус определяется от кристалла до поверхности теплоотвода под кристаллом. Это — путь самого низкого сопротивления для потока тепла. Требуется хороший монтаж, чтобы гарантировать максимально возможный тепловой поток от этой области корпуса к радиатору. Настоятельно рекомендуется использовать теплопроводящие пасты. В тех случаях, когда стабилизатор устанавливается непосредственно на плату, выгодно иметь максимально возможные размеры металла для мест пайки его выводов. Дополнительное снижение общего теплового сопротивления может быть достигнуто уменьшением длины выводов от основания корпуса до монтажной платы. октябрь 02 г. 9 НТЦ СИТ

10 ГАБАРИТНЫЕ РАЗМЕРЫ Корпус ТО-220 Миллиметры Мин. Мак. A B C D F G H J K L Q R S T Корпус ТО-263 Миллиметры Мин. Мак. A B C D E F J K L 2.54 M 0 8 N S U V Y Z октябрь 02 г. 10 НТЦ СИТ