М. Тимофеев

Высоковольтный линейный регулятор VB409 фирмы STM

VB409 - новый высоковольтный линейный регулятор напряжения фирмы STM, который уменьшает размер и стоимость источника питания с выходным напряжением 5 В, работающего от сети переменного тока напряжением 220 В, в применениях, где гальваниче-ская развязка от сети не требуется. Регулятор напряжения полностью защищён от короткого замыкания по выходу и перегрузок по мощности.

Большинство других высоковольтных линейных источников питания, спроектированных по аналогичной схеме, требуют большой по величине конденсатор с номинальным напряжением 400 В, выпрямительный диод или мост, стабилитрон, несколько резисторов и, самое главное, огромный радиатор для отвода тепла. Другой вариант линейного источника питания (трансформаторный) требует применения большого и дорогого трансформатора частотой 50 Гц. В отличие от них, регулятор VB409 требует только небольшой конденсатор на выходе и два резистора для получения стабилизированного выходного напряжения 5 В при токе нагрузки до 80 мА. Третий вариант высоковольтного источника питания - импульсный. По величине этот вариант сравним с регулятором на основе VB409, но проигрывает по стоимости и надёжности, так как состоит из большого количества высокотехнологичных дорогих компонентов, таких как ШИМ-контроллер, высоковольтный полевой транзистор и импульсный трансформатор.

Таблица 1. Зависимость рассеиваемой на ИМС мощности от нагрузки при R1 = 1 MОм

	VOUT2(max), В	VOUT2(min), В	VOUT2, В	Itot, мА	R2, кОм	IN, Вт
C = 220 мкФ	14,9 14,5 15	12,8 12,7 15,5	13,8 13,5 14,2	40 35 30	470 560 560	1,7 1,3 1,1
C = 100 мкФ	15,4 15,4 15,5	12,2 12,9 13,6	13,7 14,1 14,5	25 20 15	1000 1000 1000	0,8 0,7 0,5
C = 47 мкФ	15,8 15,8	13,3 13,4	14,5 15,1	10 5	1000 1000	0,3 0,2

Недостатком источников питания на основе VB409 является отсутствие гальванической развязки между входом и выходом.

Микросхема VB409 выполнена в корпусе для поверхностного монтажа PowerSO-10 или в 5-выводном корпусе TO-220.

Кроме выхода 5 В ("Output" на рис. 1), VB409 имеет выход нестабилизированного напряжения 15 В ("Cap на рис. 1), к которому подключен конденсатор ёмкостью порядка 100 мкФ. Этот выход может служить источником питания для реле, пневматического клапана, запускающей цепочки для импульсного источника. Микросхема имеет встроенные цепи защиты от короткого замыкания и перегрузки по току и выключается при перегреве. Вход также защищён от перегрузки по току.

Рисунок 1. Блок-схема VB409

В микросхеме, как показано на блок-схеме (рис. 1), можно выделить два блока. Первый блок — это предварительный регулятор напряжения, преобразующий выпрямленное сетевое напряжение в низкое нестабилизированное напряжение для заряда внешнего электролитического конденсатора. Второй блок — это простой 5-В регулятор напряжения. Микросхема работает от выпрямленного сетевого напряжения.

Преимущество данной микросхемы от других подобных в возможности установки угла проводимости ключа предварительного регулятора, то есть времени нахождения высоковольтного ключа в открытом состоянии в течение положительного полупериода выпрямленного сетевого напряжения. Ток течёт через высоковольтный ключ предварительного регулятора только в течение периода времени, устанавливаемого с помощью входного делителя напряжения (резисторов R1, R2, как показано на рис. 2). От установки резисторов R1, R2 зависит внутренний порог напряжения выпрямленной сети, при котором открывается ключ регулятора. Этот ток используется для зарядки конденсатора С1 (рис. 2). В период времени, когда ключ выключен, энергия, запасенная в конденсаторе С1, используется в нагрузке. Таким образом, предварительный регулятор работает только при низких значениях выпрямленного сетевого напряжения, не превышающих установленный с помощью делителя порог. Используя это техническое решение, можно добиться значительного снижения рассеяния мощности на микросхеме.

Рисунок 2. Схема включения VB409 и осциллограммы напряжений и токов на микросхеме

Важно правильно рассчитать угол проводимости, чтобы в течение периода разряда конденсатора напряжение на нём превышало напряжение на выходе "Out 1" по крайней мере на 2,5 В для достижения стабилизации выходного напряжения 5 В. В течение периода выпрямленной сети конденсатор С1 заряжается и разряжается дважды. Величина пульсаций напряжения на конденсаторе С1 ("Out 2") зависит от его номинала и величины тока нагрузки.

Выбор угла проводимости ключа: отношение R1/R2 должно быть не более 11. Чтобы минимизировать потери мощности в микросхеме, конденсатор С1 должен зарядиться до значения VCAP MAX в конце открытого состояния высоковольтного биполярного ключа. В случае постоянного значения тока нагрузки I_OUT2 средняя мощность P_DEVICE, рассеиваемая на микросхеме, рассчитывается по формуле:

где P_IN - средняя входная мощность; V_OUT2 - среднее напряжение на выходе "Out 2".

Суммарный ток нагрузки I_TOT равен:

I_tot = I_OUT1 + I_OUT2.

Для расчёта средней мощности P_DEVICE, рассеиваемой на микросхеме, возможно использовать таблицу.

Пример расчёта:

C1 = 100 мкФ, I_OUT1 = 15 мА, I_OUT2 = 10 мА, следовательно I_TOT = 25 мА.

Используем данные таблицы:

R1 = R2 = 1 MОм, V_OUT2 = 13,7 В.

Используем формулу расчёта средней мощности, рассеиваемой микросхемой:

На рис. 2показана схема включения VB409 и пульсации входного и выходного напряжения при нагрузках 10 мА на выходе 5 В и 30 мА на выходе 15 В. Величина конденсатора 220 мкФ.