Альтернатива лінійних стабілізаторів

Усім знайома ця ситуація. Потрібне вторинне стабілізоване джерело напруги. Власне, жодних проблем. Є невелика площа на платі для його встановлення – знову ж таки, без проблем. Первинне джерело напруги нестабілізоване і має широкий діапазон зміни напруги – ну і що? Навантаження також може змінюватися у широких межах. Що в цьому нового?!

Але що, якщо виконання всіх цих вимог має забезпечуватися мініатюрним джерелом без вентиляції та тепловідводу? Або якщо втрати стабілізатора мають бути мінімальними, оскільки первинним джерелом є батарея, що має обмежений життєвий цикл?

У таких випадках виникають значні труднощі при використанні стандартних лінійних стабілізаторів…

Рішення від RECOM

Вихід із цього положення пропонує фірма RECOM, фахівцями якої розроблено та випускається серія імпульсних стабілізованих DC/DC-перетворювачів типу R-78хх-0.5 з одним виходом, що мають ККД 97%, що забезпечує мінімальну розсіювану потужність, а отже і відсутність необхідності у відведенні тепла та застосуванні радіатора.

Основні характеристики

Так само, як і в лінійних стабілізаторах, у серії R-78 стабілізатор вимикається при зниженні вхідної напруги до 1.5 В, а його максимальне значення становить 34 В, забезпечуючи діапазон вхідної напруги 7:1 (4.75–34 В). Усі моделі стабілізаторів серії R-78хх-0.5 забезпечують струм навантаження до 0.5 А, а серія R-78хх-1.0, що готується до випуску, забезпечуватиме струм у навантаженні до 1 А.

Вихідна напруга стабілізаторів може мати стандартні значення: 1.8, 2.5, 3.3, 5.0, 9.0 та 12.0 В. За потреби за спеціальним замовленням можуть бути виготовлені перетворювачі з будь-якою вихідною напругою в межах від 1.8 до 12.0 В.

Конструктивні особливості

Однак це ще не всі переваги нового типу перетворювача. До перелічених можна додати конструктивне виконання: перетворювач серії R-78хх-0.5 розміщений у пластмасовому корпусі SIP3 габаритами всього 11.5×7.5×0.2 мм, і його можна порівнювати з габаритами лінійного перетворювача серії 78 у корпусі TO220, але без тепловідводу. Розташування виводів обох типів стабілізаторів ідентичне: вивід 1 – вхід, 2 – загальний і 3 – вихід.

Додаткові можливості

Зовнішнє регулювання вихідної напруги через четвертий вивід буде можливе опційно найближчим часом, як тільки серія 79хх імпульсних стабілізаторів для від’ємних вихідних напруг буде випущена на заміну аналогових і виконана для обох типів у SMD-корпусі.

У стабілізаторах серії R-78хх-0.5 є тривалий захист від короткого замикання на виході та вбудований захист від перегріву, який забезпечує вимкнення перетворювача, якщо температура всередині нього перевищує 160 °С. При спрацюванні захисту від КЗ рівень споживаного по входу струму не перевищує 25 мА. Діапазон робочих температур перетворювача знаходиться в межах від -40 до 70 °С при повному навантаженні і може бути розширений до 85 °С при зменшенні струму навантаження до 60% Iном. ККД стабілізаторів досягає 97%.

Досвід та застосування RECOM

Тридцятирічний досвід фірми RECOM у розробці та випуску DC/DC-перетворювачів забезпечив можливість отримання високих характеристик описуваної серії неізольованих понижувальних DC/DC-перетворювачів, втрати яких становлять лише кілька відсотків. Це дозволило включити ці перетворювачі до нещодавно представленої RECOM серії INNOLINE як доповнення до неізольованих Point-of-Load (встановлюваних у безпосередній близькості до навантаження) перетворювачів з високим ККД та розширити діапазон малопотужних і мініатюрних джерел напруги. Вони є ідеальними для використання у розподілених системах живлення, в яких спільно застосовуються ізольовані DC/DC-перетворювачі серії POWERLINE та R-5xxx, R-6-xxx, R-7xxx серії INNOLINE.

Рівень шумів і фільтрація

Досить поширеною є думка про те, що імпульсні перетворювачі, порівняно з лінійними, відзначаються високим рівнем вихідних шумів, а також рівнем пульсацій на вході.

Фільтрація перешкод перетворювачів, частота перетворення яких становить близько 300 кГц, не становить труднощів, тому рівень їх власних шумів і пульсацій невеликий і становить не більше 30–50 мВ (п-п) без застосування зовнішніх компонентів і може бути знижений із використанням зовнішнього фільтра. Для цього рекомендується використовувати пасивні LC-фільтри нижніх частот: простий LC-фільтр першого порядку з частотою зрізу близько 10% частоти перетворення, встановлений на виході, дозволить знизити рівень шумів і пульсацій до 5 мВ і нижче.

Крім того, відбиті шуми (перешкоди, що наводяться на вхід із частотою, рівною частоті перетворення) за своєю суттю дуже невеликі і можуть бути зменшені за потреби встановленням на вході стабілізатора R-78хх-0.5 зовнішнього фільтра.

Порівняння з лінійними стабілізаторами

Компроміс, на який ідуть розробники, застосовуючи імпульсні перетворювачі, не такий вже й великий, якщо врахувати великі корпуси стандартних лінійних перетворювачів, навіть якщо для них не потрібні зовнішні компоненти.

Звичайно, імпульсні стабілізатори не можуть повністю замінити лінійні, які знаходять таке широке застосування. По-перше, часто вирішальним фактором стає ціна. Лінійний стабілізатор можна придбати навіть у малих кількостях за кілька десятків центів, тоді як будь-який імпульсний стабілізатор коштуватиме в багато разів дорожче. Але загальні витрати з урахуванням вартості конденсаторів на вході та виході перетворювача, рекомендованих для аналогового лінійного стабілізатора і вже включених до складу імпульсного; тепловідводу, що займає багато місця на платі при використанні лінійного стабілізатора і непотрібного при встановленні імпульсного, а також трудомісткості складання будуть відрізнятися не настільки суттєво.

Питання тепловідведення

Однак це ще не все: якщо місце, яке займає лінійний малогабаритний герметичний неметалевий корпус перетворювача, невелике, то тепловідвід швидко втрачає свою ефективність.

Навіть великий за розмірами тепловідвід стане марним, якщо відсутня конвекція та циркуляція повітря. Єдиним вирішенням проблеми є усунення втрат. Якщо стабілізатор має високий ККД і, відповідно, малі втрати, тоді знижується кількість виділюваного тепла. Тобто імпульсний стабілізатор має переваги завдяки малим тепловим втратам, що необхідно враховувати в першу чергу.

Якщо знову порівняти повну вартість блоку живлення, тобто імпульсного стабілізатора і лінійного (плюс тепловідвід, складання, можливо, примусовий відвід тепла вентилятором), а також витрати на зовнішні компоненти, то співвідношення цін не буде таким уже й незбалансованим. Щоправда, якщо проблеми розробки, виробництва та складання, а також відведення тепла для джерел потужністю до 15 Вт не є актуальними для читача, не варто далі дискутувати на цю тему.

Навіть якщо лише деякі з викладених вище аспектів можуть бути використані при розробці, альтернатива застосування імпульсних стабілізаторів напруги стає більш обґрунтованою, ніж це може здатися на перший погляд.