Для питания большинства ноутбуков требуется постоянное напряжение около 19 В. Известные схемы автомобильных источников питания для ноутбуков (например, схема, приведённая в [1] и [2]) построены по принципу повышающего импульсного преобразователя с использованием дросселя или трансформатора. В отличие от них в предлагаемой схеме [3, 4], которая изображена на рисунке, реализован принцип накачки заряда, не требующий применения намоточных изделий. В основе используемого способа преобразования напряжения лежит двухтактная схема инвертора с удвоителем напряжения, причём переключающие транзисторы инвертора в открытом состоянии не входят в насыщение. Линейный режим работы транзисторов позволяет регулировать выходное напряжение преобразователя за счёт изменения падения напряжения на открытом ключе. Оно зависит от среднего тока через ключ, а средний ток, в свою очередь – от скважности управляющих ключом импульсов. Таким образом, ключевые элементы инвертора одновременно играют роль регулирующих. Стабилизация выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Поскольку особенностью устройства является работа ключей в линейном режиме, преобразователь данного типа, строго говоря, не относится к импульсным устройствам и назван автором квазиимпульсным. Максимальный ток нагрузки данного источника питания составляет 4,74 А, КПД – 61…83 % в зависимости от входного напряжения.
Устройство выполнено на базе специализированной микросхемы КР1114ЕУ4 (DA1), которая представляет собой унифицированный двухтактный ШИМ-контроллер. Микросхема включена по схеме генератора прямоугольных импульсов, управляемого ШИМ. Элементы C4, R2 задают частоту внутреннего генератора микросхемы около 25 кГц. Делитель R1R5 задаёт минимальную длительность паузы между соседними импульсами («мёртвое время») около 8 мкс, что соответствует 80 % рабочему циклу (т. е. максимальная длительность импульсов составляет около 80 % от периода генерации). Эта пауза предотвращает протекание сквозного тока через транзисторы при переключениях.
Стабилизирующая обратная связь выполнена с использованием делителя напряжения R4R8 и внутреннего дифференциального усилителя (усилителя ошибки), входы которого соответствуют выводам 1 и 2 микросхемы, а выход (модулирующее напряжение) – выводу 3. Конденсатор C3 сглаживает пульсации напряжения, поступающие с выхода преобразователя. Частотная коррекция усилителя ошибки осуществляется посредством интегрирующей обратной связи на элементах R3, C5. Выходы микросхемы (выводы 8–11) управляют работой инвертора.
Инвертор выполнен на двух комплементарных парах мощных транзисторов VT1–VT4, включённых по мостовой схеме. К выходу инвертора подключён удвоитель, содержащий выпрямитель на диодах Шоттки VD1–VD4 и накопительные конденсаторы C6–C8. Резисторы R6, R7 задают выходной ток микросхемы в пределах 0,17…0,25 А. Одновременно это ограничивает и базовый ток транзисторов, исключая возможность их перегрузки. Ток баз транзисторов выбран таким, чтобы обеспечить ток коллектора 5…10 А. Этот ток служит зарядным и разрядным током для накопительных конденсаторов.
Удвоитель работает так. Предположим, открыт внутренний транзистор между выводами 8 и 9 микросхемы. В это время открыты транзисторы VT1 и VT4, а VT2 и VT3 – закрыты. При этом конденсатор C8 заряжается через диод VD3, а C6 через VD2 отдаёт заряд конденсатору C7, который питает нагрузку. Затем следует пауза, во время которой оба внутренних выходных транзистора микросхемы закрыты, и транзисторы VT1, VT4 переходят в состояние отсечки. После паузы открывается внутренний транзистор между выводами 10 и 11 микросхемы, и открываются транзисторы VT2 и VT3, а VT1 и VT4 остаются закрытыми. При этом конденсатор C6 заряжается через диод VD1, а C8 через VD4 отдаёт заряд конденсатору C7. Затем вновь следует пауза, во время которой все транзисторы VT1–VT4 оказываются закрытыми, после чего процесс повторяется.
Конденсаторы C1 и C2 фильтруют помехи во входной цепи питания. При этом особенно важно подавление помех, создаваемых самим преобразователем, поскольку суммарный импульсный ток, протекающий через транзисторы инвертора, составляет 10…20 А. Конденсаторы C1 и C2 препятствуют проникновению этих импульсов в бортовую сеть и появлению в связи с этим помех.
Напряжение между коллектором и эмиттером открытого транзистора инвертора составляет в среднем
Uвх – Uвых/2 – Uд ≈ Uвх – 10 В,
где Uвых – выходное напряжение преобразователя, Uвх – входное, Uд – прямое падение напряжения на диоде. Типовое значение напряжения на каждом из конденсаторов C6 и C8 составляет Uвых/2 ≈ 9,5 В. Практически указанные напряжения зависят от того, как распределены коэффициенты усиления транзисторов. Между тем разброс параметров транзисторов не слишком критичен, и подбор транзисторов не требуется, поскольку они работают на падающем участке зависимости коэффициента передачи тока от тока коллектора.
Потребляемый ток источника питания от бортовой сети автомобиля примерно равен удвоенному току подключённой к преобразователю нагрузки, поэтому значение КПД устройства может быть вычислено по формуле η ≈ Uвых/(2∙Uвых). Фактически КПД на 2-3 % ниже. Потери мощности в преобразователе определяются как
Pпотерь = Uвых∙Iн∙(1 – η)/η = Iн∙(2∙Uвх – Uвых) + Pпит,
где Iн – ток, потребляемый нагрузкой, Pпит – мощность, расходуемая на питание микросхемы и базовых цепей транзисторов, составляющая в среднем 2 Вт. Так, при входном напряжении 13,6 В и выходном 19 В КПД устройства η ≈ 68 %. В этом случае при токе нагрузки 4,74 А на каждом из силовых транзисторов в среднем рассеивается мощность около 9 Вт, и на каждом из диодов выпрямителя – около 1 Вт.
В случае уменьшения входного напряжения ниже минимально допустимого значения (оно обычно составляет 10…11 В и зависит от тока нагрузки) преобразователь выходит из режима стабилизации, выходное напряжение тоже начинает снижаться.
Вместо транзисторов КТ8102Б (VT1, VT3) и КТ8101Б (VT2, VT4) можно применить КТ8102А и КТ8101А соответственно. Транзисторы VT1 и VT2 следует установить на одном радиаторе, VT3 и VT4 – на другом. Площадь каждого радиатора – около 200 см2. На том транзисторе из комплементарной пары, у которого меньше коэффициент передачи тока, происходят большие падение напряжения и тепловыделение. Поэтому установка транзисторов в каждом плече моста на общий радиатор позволяет выровнять их тепловой режим, при этом не требуется электрическая изоляция транзисторов от радиатора.
Вместо микросхемы КР1114ЕУ4 (DA1) применимы зарубежные аналоги MB3759P, TL494CN, IR9494, KA7500B и др. Кроме указанных на схеме диодов с барьером Шоттки, в устройстве можно применить любые приборы из серий 2Д2992, 2Д2993, КД2995–КД2999, КД213, 2Д219, 2Д231, 2Д232, 2Д251, 2Д252, КД271–КД273, а также другие диоды Шоттки, рассчитанные на прямой ток не менее 10 А и обратное напряжение не менее 15 В. Из-за сравнительно большого прямого падения напряжения диоды 2Д216, 2Д218, КД244, 2Д245, 2Д250, КД2994 использовать в устройстве нежелательно. Диоды устанавливаются на теплоотводы, площадь которых составляет около 25 см2 для каждого диода. При установке диодов через изолирующие прокладки возможно применение общего теплоотвода. Если используются диоды с прямым падением напряжения до 0,65 В (например MBR1035, MBR1045, КД271–КД273 с индексами «А» или «АС», 2Д232), площадь радиаторов может быть уменьшена до 10-15 см2 для одного диода. Для диодов из серий 2Д219, 2Д2998, КД2998 радиаторы не требуются.
Оксидные конденсаторы C1, C2, C6–C8 должны быть рассчитаны на допустимый ток пульсаций не менее 3 А и иметь по возможности малое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС), т. е. относиться к категории «Low ESR». Это позволяет снизить пульсации выходного напряжения и повысить надёжность устройства. Подойдут, например, конденсаторы Jamicon серий WL, TL, TZ; CapXon серий GF, LZ; Nichicon серий HV, HD. При необходимости каждый из указанных конденсаторов можно заменить несколькими параллельно соединёнными одинаковыми конденсаторами. При этом можно ориентировочно полагать, что допустимый ток пульсаций растёт пропорционально числу соединённых конденсаторов.
В связи с тем, что в силовых цепях устройства протекают значительные импульсные токи, при разводке печатной платы важно, чтобы общий провод и шина +12 В, используемые в силовой части устройства, соединялись с соответствующими проводами слаботочной части в одной точке – лучше всего в точке присоединения к плате входного шнура, идущего от вилки «прикуривателя». Там же следует разместить конденсатор C1. Конденсатор C2 располагается в другом месте силовой цепи. Также полезно все силовые дорожки продублировать пропаянной медной жилой. При неудачной разводке платы возможны срывы генерации и другие нарушения работы устройства.
Подбором резистора R8 более точно выставляется выходное напряжение преобразователя. Оно может находиться в пределах 18…20 В, однако если выходное напряжение отличается от 19 В, это влияет на КПД устройства и нижнюю границу рабочего диапазона входных напряжений.
Для подключения устройства к бортовой сети автомобиля применяется вилка «прикуривателя» с внутренним предохранителем FU1. Провода, соединяющие вилку и вход преобразователя – гибкие, медные, многожильные в ПХВ изоляции, сечением не менее 2,5 мм2. Следует иметь в виду, что входной ток устройства может достигать 10 А. Он не должен течь через пружину внутри вилки «прикуривателя». Для этого пружина дублируется проводом.
[1] Гаврилов К. Автомобильный блок питания ноутбука на таймере КР1006ВИ1. – Радио, 2013, № 2, с. 22–23.
[3] Гаврилов К. Автомобильный блок питания ноутбука без намоточных элементов. – Радио, 2013, № 4, с. 20–21.
Все вопросы в
Форум.
