Понижающий регулятор для работы при легких нагрузках

Justin Larson, Frank Kolanko

EDN

Работа понижающих регуляторов в режиме непрерывной проводимости (continuous-conduction mode – CCM) хорошо понятна, что позволяет легко рассчитать выходное напряжение и номиналы элементов схемы. Однако слабонагруженные понижающие регуляторы работают в режиме прерывистой проводимости (discontinuous-conduction mode – DCM), более сложном для понимания. Коэффициент заполнения меняется в зависимости от соотношения выходного и входного напряжений. Коэффициент заполнения импульсов регулятора, понижающего 12 В до 6 В, равен 50%. Когда регулятор нагружен слишком слабо, чтобы поддерживать ток дросселя непрерывным, он переходит в DCM. Коэффициент заполнения становится сложной функцией индуктивности дросселя, входного напряжения, частоты переключения и выходного тока, что значительно замедляет реакцию контура управления.

Во многих микросхемах понижающих контроллеров имеется плавающий драйвер затворов (Рисунок 1). Для повышения КПД в схеме используется отдельный источник опорного напряжения V_REF. При запуске он питает драйвер N-канального MOSFET напряжением, которое меньше опорного на величину падения напряжения на диоде. Этого напряжения достаточно для управления затвором MOSFET, поскольку в исходном состоянии напряжение на выходе и на истоке MOSFET Q₁ должно равняться 0 В.

Рисунок 1.	Во многих микросхемах понижающих контроллеров используется плавающий драйвер затворов.

В CCM ток через дроссель никогда не прерывается. Во время обратного хода, начинающегося с выключения Q₁, этот ток поступает от Q₁ или D₂ (Рисунок 2). Напряжение, появившееся на истоке закрывшегося транзистора Q₁, ограничивается стабилитроном D₂ и становится отрицательным относительно земли. Благодаря тому, что конденсатор C_BOOST повышает напряжение на затворе, этого напряжения достаточно для управления транзистором Q₁. Повышение напряжения обеспечивает высокое напряжение на выводе BOOST, в результате чего напряжение на истоке Q₁ становится отрицательным.

Рисунок 2.	В CCM ток дросселя не прерывается. Во время обратного хода, начинающегося с выключения Q1, этот ток поступает от Q1 или D2.

Система переходит в DCM, когда ток нагрузки падает до значения, при котором среднее потребление составляет менее половины величины пульсаций тока. Диод D₂ предотвращает прохождение через дроссель обратного тока. В зависимости от используемой микросхемы, на ее выходе могут возникать выбросы, обусловленные большим временем реакции контура регулирования. Регулятор также может пропускать импульсы и, вообще, работать непредсказуемо. После закрывания Q₁ из-за увеличенного в DCM времени выключенного состояния конденсатор C_BOOST начинает разряжаться через вывод BOOST и диод D₁ (Рисунок 3). При напряжении на C_BOOST, равном примерно 3 В, Q₁ не включится до тех пор, пока выходной конденсатор C_OUT не разрядится на столько, чтобы напряжение на истоке Q₁ стало ниже, чем напряжение на выводе BOOST. Такое поведение регулятора напряжения недопустимо.

Рисунок 3.	Когда регулятор переходит в режим DCM, конденсатор CBOOST разряжается.

При высоких температурах увеличиваются токи утечки. Температурный коэффициент тока вывода BOOST неизвестен, поэтому работу схемы следует проверить и при низких температурах. Изучите работу системы, чтобы определить наименьшее значение емкости конденсатора, и используйте этот результат в моделировании оценки наихудшего случая. Таким образом, увеличив значение C_BOOST, можно убедиться, что схема будет работать в DCM. Можно также уменьшить опорное напряжение, к источнику которого подключен диод D₁. Можно рассмотреть возможность замены D₁ диодом Шоттки с малой утечкой. Если ни одно из этих решений не обеспечит надежной работы, можно выбрать другую микросхему, драйвер затвора которой привязан к земле, или изменить конструкцию и использовать архитектуру с синхронного понижающего преобразования.