Опции усилителей тока для точной регулировки мощности

Многие разработчики сосредотачиваются на интересных аспектах проектирования печатных плат: выборе процессоров и памяти, трассировке высокоскоростных интерфейсов, добавлении радиочастотных возможностей… список можно продолжать. Но один аспект, который иногда остается без внимания, - это стратегия регулирования питания. Регуляторы питания стабильны только при условии стабильного входного напряжения. Если ваше входное напряжение имеет большие колебания или вы ожидаете его падение в течение срока службы устройства, вам нужно найти способ стабилизировать выходное напряжение до желаемого значения.

Для систем с низким напряжением или в системах, где падение напряжения относительно невелико (может быть, 20% от желаемого выходного), стратегия будет заключаться в регулировании входного напряжения до некоторого желаемого значения, а затем регулировании выхода с помощью LDO. Как только вы вводите LDO, у вас появляется неэффективный линейный регулятор, который может генерировать много тепла. Использование только LDO достаточно только тогда, когда запас по напряжению довольно низкий.

Существует лучший вариант для регулирования мощности в системе, где вход может изменяться в широком диапазоне значений. Это включает в себя усилитель тока, который затем может быть использован в обратной связи импульсного регулятора. Используя усилитель тока, вы можете регулировать мощность, подаваемую в петлю обратной связи регулятора, или использовать выход для управления сигналом ШИМ с помощью МК. Вот некоторые варианты усилителей тока для вашего следующего регулятора мощности.

Как использовать усилитель тока

Назначение усилителя тока довольно простое: он выдает напряжение, пропорциональное току на входе устройства. Ток в этих системах может измеряться с помощью внешнего или внутреннего точного резистора. Это по сути схемы операционных усилителей, которые принимают измерение напряжения в качестве входа, а выход усиливается с помощью обратной связи. Если вы чувствуете себя смелым, вы вполне можете собрать свой собственный усилитель тока из дискретных компонентов, хотя множество усилителей тока доступны от крупных производителей ИС. Эти ИС предлагают широкий диапазон выходных напряжений и токов, и их можно легко интегрировать в схемы регуляторов высокой мощности.

Где должен находиться усилитель тока в конструкции регулятора мощности? Ответ: в петле обратной связи. В качестве примера применения, усилитель может использоваться для измерения тока на выходе из дешевого регулятора, и он подает мощность обратно в схему регулятора для корректировки выхода. Это показано на блок-схеме ниже.

Усилитель тока используется для корректировки сигнала ШИМ, который используется для управления импульсным регулятором.

Некоторые усилители тока могут программироваться через стандартный высокоскоростной интерфейс. Вместо настройки сигнала ШИМ, усиление на выходе может быть запрограммировано с помощью другого устройства, такого как микроконтроллер (MCU). Эти устройства также могут использоваться для регулирования мощности без стандартного регулятора на интегральной схеме, то есть с обратной связью на ключевой мощности MOSFET в пользовательской схеме регулирования.

Важные характеристики усилителя тока

Вот некоторые важные характеристики, которые следует учитывать при выборе усилителя тока и интеграции его в схему регулирования мощности.

• Максимальное номинальное входное напряжение: Усилитель тока обычно измеряет напряжение на точном резисторе, а не напряжение напрямую. Предел входного напряжения должен быть выше, чем выходное напряжение вашего регулятора.
• Общий режим против дифференциального режима входа: Общий режим является наиболее распространенным типом входа для постоянного и низкочастотного переменного тока.
• Выходное усиление: Выходное усиление определяется на уровне аппаратного обеспечения и будет определять, какой уровень падения напряжения вы можете компенсировать с помощью системы.
• Входной ток смещения: Вход обычно имеет высокое сопротивление, поэтому он должен потреблять очень низкий ток. Типичные значения находятся на уровне микроампер.

Несколько других характеристик также важны, но эти характеристики являются лучшим началом для выбора компонента для регулирования мощности.

Варианты усилителей тока

Texas Instruments, INA223

Программируемый усилитель тока INA223 от Texas Instruments работает до 26 В на входе и включает программный интерфейс через SPI. Это устройство использует вход 3,3 В с внешним резистором для измерения тока на высокой стороне. Обратите внимание, что резистор на высокой стороне должен быть выбран таким образом, чтобы входное напряжение превышало максимальное смещение напряжения 10-20 мВ (в зависимости от выходного усиления). Ниже показана типичная схема применения.

Пример схемы применения из данных INA223.

Analog Devices, LTC6102

Усилитель тока LTC6102 от Analog Devices — это старый компонент, приобретенный у Linear, но он все еще производится и является отличным выбором для регуляторов высокого напряжения. Стандартный вариант позволяет входное напряжение от 4 до 60 В, а вариант высокого напряжения (LTC6102HV) работает от 5 до 100 В. Этот компонент имеет высокую полосу пропускания от постоянного тока до ~200 кГц и обладает высокой стабильностью выходного напряжения по отношению к температуре.

Изменение выходного тока и напряжения в зависимости от изменений температуры для вариантов усилителя измерения тока LTC6102 и LTC6102HV. Из даташита LTC6102.

Maxim Integrated, MAX4172

MAX4172 от Maxim Integrated идеально подходит для включения в петлю обратной связи регулятора. Этот компонент обеспечивает мониторинг тока высокой стороны с входным напряжением до 32 В. Полный диапазон тока и коэффициент масштабирования (выходное напряжение/ток измерения) можно настроить, выбрав подходящий резистор измерения высокой стороны на выходе регулятора. Ошибка выходного сигнала с этим компонентом составляет ~2% при комнатной температуре и не превышает +/-6% при крайних рабочих температурах.

Функциональная схема из даташита MAX4172.

Существует широкий спектр интегральных схем регуляторов измерения тока для использования в различных диапазонах тока и напряжения. Когда вы ищете компоненты, необходимые для регулирования мощности, Octopart будет здесь, чтобы помочь вам найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.