Stabilizatory impulsowe

2. Stabilizatory Step-Down (Buck regulator)

Przedstawiony wyżej stabilizator to był właśnie stabilizator Step-Down nazywany również Buck regulator. Skoro wiemy jak taki układ działa to skupmy się na przykładzie takiego zintegrowanego układu jakim jest LM2596:

lm2596-obudowy

Główne parametry układu:

  • Napięcie wejściowe: 4,5 – 40V
  • Zakres regulacji napięcia: 1,23 – 37V
  • Prąd wyjściowy: 3A
  • Częstotliwość przełączania układu: 150kHz
  • Zabezpieczenie przed przegrzaniem i przeciążeniem
  • możliwość włączenia/wyłączenia układu sygnałem TTL

 

Schemat blokowy układu:

lm2596-schemat-blokowy

Rozpracujmy ten układ od tyłu. Z wyjścia układu podawany jest sygnał przez dzielnik napięcia R2 i R1 na wejście nie odwracające wzmacniacza błędu, o stałej wartości wzmocnienia. Na wejście odwracające podane jest napięcie referencyjne 1,235V. Wzmacniacz błędu jest w stanie dokonać przesunięcia częstotliwości w zakresie do 30kHz (co odpowiada sterowaniu szerokością impulsu). Sygnał tego przesunięcia podawany jest na oscylator, skąd jest dalej przetwarzany przez komparator oraz zatrzask. Jeżeli sygnał z komparatora oraz ogranicznik prądu (Current Limit) dadzą „zielone światło” zatrzaskowi (Latch) to ten przepuszcza prąd przez czujnik sprawdzający temperaturę (Driver), i jeżeli temperatura nie przekracza wartości zadanych przez producenta to prąd płynie dalej na element przełączający, który podaje prąd na wyjście układu.
Jeżeli na wejściu układu zostanie wykryty duży prąd (powyżej 3A) to ogranicznik prądu odcina sygnał przez co zatrzask nie przewodzi prądu, tym samym nie podając prądu na wyjście.

Przyjrzymy się teraz parametrom tego stabilizatora:

lm2596-dane

Ib określa nam prąd, który jest zwracany do układu z wyjścia stabilizatora przez dzielnik napięcia i wynosi on zazwyczaj 10nA.
Następną wartością jest fo czyli częstotliwość oscylatora, która wynosi zazwyczaj 150 kHz, ale nigdy więcej niż 173 kHz. Dodatkowo punkt 3. mówi nam, że ta częstotliwość jest zmniejszana kiedy zabezpieczenie przed przeciążeniem zostanie uruchomione. Wartość, o którą częstotliwości jest pomniejszona zależy od wartości przeciążenia stabilizatora.
Vsat, czyli napięcie saturacji wynosi zazwyczaj 1,16V przy obciążeniu równym 3A, gdy do stabilizatora nie jest podłączona dioda, cewka i kondensator (punkt. 4 ) oraz gdy pin sygnału zwrotnego jest podłączony do GND (mniejszego potencjału) (punkt 5.)
Icl, limit prądu gdy temperatura złącza mieści się w zakresie -40C do 125C wynosi maksymalnie 7.5A. Lecz jest to prąd szczytowy, czyli taki prąd, który trwa bardzo krótki okres czasu. Gdybyśmy obserwowali prąd na oscyloskopie to byłaby to taka szpilka, trwająca bardzo krótki okres czasu.
Iq– prąd spoczynkowy, wynosi standardowo 5mA, ale nie powinien nigdy przekroczyć 10mA
Istby – prąd gdy stabilizator jest przełączony w stan uśpienia (na pin 5. podane 5V). Zazwyczaj wynosi on 80 uA, ale nie powinien nigdy przekroczyć zakresu 200-250uA.

Pozostały nam jeszcze wybrane charakterystyki tego układu:

lm2596-charakterystyki

Patrząc od góry- wykres 6. Mówi nam o wartości dropout voltage względem temperatury złącza, przy obciążeniu 3A i 1A. Jak widać im wyższa temperatura tym Vd jest mniejsze.
Wykres 12. przedstawia nam wartość częstotliwości przełączania w zależności od temperatury złącza. Największą częstotliwość uzyskamy przełączania uzyskamy w przedziale 25C – 75C.
Z wykresu 2. możemy odczytać jak wartość napięcia wejściowego wpływa na zmiany napięcia wyjściowego. W najgorszym scenariuszu, wartość napięcia wyjściowego może być w rzeczywistości większe o 0,07%, gdy napięcie wejściowe będzie równe ok 30V. Natomiast do napięcie wejściowego 10,5V nasze napięcie wyjściowe może być mniejsze nawet o ok. 0,04%.
Pozostała nam jeszcze kwestia wydajności układu. Przy obciążeniu równym 3A  dla napięcia:

  • 3,3V największą sprawność osiągniemy przy napięciu wejściowym ok 22V i będzie wynosić 74,5%
  • 5V największą sprawność osiągniemy przy napięciu wejściowym ok 24V i będzie wynosić 82%
  • 12V największą sprawność osiągniemy przy napięciu wejściowym ok 25V i będzie wynosić 91%
  • 20V największą sprawność osiągniemy przy napięciu wejściowym ok 32,5V i będzie wynosić 94,5%