Преобразователи напряжения с TOPSwitch Power Integrations

Миниатюризация является основной тенденцией развития современной электронной техники. На фоне успехов миниатюризации цифровых и аналоговых устройств преобразования сигналов миниатюризация источников вторичного электропитания (ИВЭП) заметно отстаёт. Объём ИВЭП часто сопоставим с объёмом остальной аппаратуры. При этом не менее 20% всех отказов приходится на долю блоков питания. Поэтому у разработчиков всё больший интерес вызывают импульсные ИВЭП.

где tu — длительность замкнутого состояния ключа; T — период коммутации; i(t) — текущее значение тока.

При индуктивном характере нагрузки ключа, шунтированной диодом, такое устройство можно рассматривать как автотрансформатор постоянного тока. Если параллельно нагрузке подключить конденсатор достаточно большой ёмкости, то переменная составляющая тока будет замыкаться через него, а пульсации напряжения на нагрузке будут незначительны.

Этот принцип можно реализовать с помощью нескольких вариантов построения схем преобразователей. Наибольшее рассмотрение получили:

• понижающий преобразователь (Buck Converter), рис. 1;
• повышающий преобразователь (Boost Converter), рис. 2;
• прямоходовой преобразователь (Forward Converter), рис. 3;
• обратноходовой преобразователь (Flyback Converter), рис. 4.

Понижающий преобразователь (рис. 1) используется для пошагового снижения напряжения на нагрузке. Так как ключевой транзистор включён последовательно с источником питания, требуется повышенный уровень коммутирующих импульсов. В преобразователе на рис. 2 ключевой транзистор подсоединён параллельно к источнику питания. Этот преобразователь применяется для пошагового увеличения напряжения на нагрузке. Достоинством этих двух схем является простота, недостатками — ограниченность функций и отсутствие развязки между входным и выходным напряжениями.

Рис. 1. Понижающий преобразователь	Рис. 2. Повышающий преобразователь
Рис. 3. Прямоходовый преобразователь	Рис. 4. Обратноходовый преобразователь

В прямоходовом преобразователе (рис. 3) развязка “вход-выход” обеспечивается за счёт использования импульсного трансформатора. Вид выходного напряжения — одно или несколько, положительное или отрицательное, повышенное или пониженное — определяется конструкцией трансформатора. Такая схема может обеспечить выходную мощность от 100 до 300 Вт. При этом для каждого выходного напряжения требуются своя вторичная обмотка трансформатора и выпрямительные диоды. Необходима также дополнительная изоляция цепи обратной связи.

Наиболее совершенной является схема обратноходового преобразователя (Flyback Converter), приведённая на рис. 4. Подобно прямоходовому преобразователю, Flyback имеет трансформаторную развязку “вход-выход” и может формировать несколько разнополярных напряжений. Основным преимуществом Flyback по сравнению с Forward является применение остроумной комбинации трансформатора и дросселя, выполненной в виде единой компоненты, которая служит одновременно для накопления энергии, трансформации напряжений и гальванической развязки. Поэтому Flyback содержит меньше деталей и обладает большей чувствительностью регулировки по цепи обратной связи. Flyback-топология сохраняет эти преимущества при уровнях мощности до 100 Вт или выходных токов не свыше 10 А. Таким образом, все рассмотренные схемы могут найти применение в зависимости от специфики решаемой задачи, квалификации или личных пристрастий разработчика.

Основные технические параметры наиболее популярных микросхем TOPSwitch и их последней модификации TOPSwitch-II представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Технические параметры TOPSwitch

Прибор	Выходная мощность, Вт						Корпус	Описание
	Обратноходовый преобразователь				Повышающий преобразователь
	100/110В (АС)	230В (АС) или 110В (АС) с удвоением	48B (DC)	85...265D (AC)	110B (AC)	230/277D (AC)
TOP1001	0...20	-	0...6,8	-	0...30	-	TO-220/3	Питание от сети переменного тока Коэффициент заполнения до 70% Встроенный MOSFET до 350В Требуется только одна внешняя емкость Автоматический перезапуска Поцикловое ограничение тока Прменяется в повышающих, понижающих, прямоходовых и обратноходовых преобразователях
TOP1011	15...35	-	6...12	-	25...50	-	TO-220/3
TOP1021	20...45	-	8,5...17	-	35...70	-	TO-220/3
TOP1031	25...55	-	11...22	-	45...90	-	TO-220/3
TOP1041	30...60	-	12...25	-	55...110	-	TO-220/3
TOP2001	-	0...25	-	0...12	-	0...25	TO-220/3	То же плюс: КПД до 90% Встроенный MOSFET до 700В
TOP2011	-	20...45	-	10...22	-	20...50	TO-220/3
TOP2021	-	30...60	-	15...30	-	30...75	TO-220/3
TOP2031	-	40...70	-	20...35	-	50...100	TO-220/3
TOP2141	-	50...85	-	25...42	-	60...125	TO-220/3
TOP2041	-	60...100	-	30...50	-	75...150	TO-220/3
TOP209P/G	-	0...4	-	0...2	-		DIP8 SO8	То же плюс: Режим пониженного энергопотребления КПД до 80% Встроенный MOSFET до 700В
TOP210P/G	-	0...8	-	0...5	-		DIP8 SO8

 

Таблица 2. Технические параметры TOPSwitch-II

Прибор	Выходная мощность, Вт			Описание
	110/115/230 B (AC)±15%	85...265 B (AC)	Корпус
TOP221Y	12	7	TO-220/3	Трехвыводной ШИМ-ключ с питанием от сети переменного тока Встроенная система запуска Ограничение тока Защита от перегрузки по току и от перегрева Диапазон рабочих температур - -40...+125°С КПД - до 90% Применим в обратноходовых, прямоходовых, повышающих и понижающих преобразователях
TOP221P/G	9	6	DIP-8 SO-8
TOP222Y	25	15	TO-220/3
TOP222P/G	15	10	DIP-8 SO-8
TOP223Y	50	30	TO-220/3
TOP223P/G	25	15	DIP-8 SO-8
TOP224Y	75	45	TO-220/3
TOP224P/G	30	20	DIP-8 SO-8
TOP225Y	100	60	TO-220/3
TOP226Y	125	75	TO-220/3
TOP227Y	150	90	TO-220/3

В семействе TOPSwitch применяются опорное напряжение 5,8 В, частота коммутации 100 кГц, управление по напряжению, диапазон рабочих температур -40...+125°С.

Семейство TOPSwitch-II отличается повышенной мощностью, опорное напряжение — 5,7 В, частота коммутации — 90...100 кГц, управление производится как по напряжению, так и по току.

Ведущие электронные компании по достоинству оценили новизну инженерных решений, компактность, надёжность, высокую эффективность и низкую стоимость компонент, производимых Power Integrations. Такие гиганты бытовой и индустриальной электроники, как Apple, AT&T, Daewoo, Hewlett-Packard, IBM, Motorola, Siemens, Sony и многие другие, охотно используют в своих изделиях продукцию Power Integrations.