14.07. Микромощные стабилизаторы

Вплоть до последнего времени было трудно найти интегральный стабилизатор напряжения, который бы при токах покоя микроамперного диапазона обеспечивал существенные выходные токи. Была альтернатива: либо а) стабилизатор 7663/4 фирмы Intersil, либо б) строить свой собственный! К счастью, ситуация улучшается. Далее приводится обзор текущего состояния дел:

(фирма Intersil; вторичные изготовители фирма Maxim и другие). Это - многополюсные стабилизаторы на положительное и отрицательное напряжения с рабочим диапазоном напряжений 1,5 — 16 В и максимальным током покоя . Неприятная их особенность - это то, что они медленно действующие (вследствие «заморенного» сервоусилителя и использования множества шунтирующих емкостей) и хороши только при токах в нагрузке порядка нескольких миллиампер (будучи КМОП-приборами, они плохо действуют при более высоком входном напряжении); например, при входном напряжении + 9 В их выходное полное сопротивление составляет, как правило, 70 Ом.

LP2950/1 (фирма National). Это - стабилизаторы положительного напряжения, которые выпускаются в -контактном корпусе на напряжение В (2950) и в -кон-тактном корпусе с регулируемым напряжением (2951). Ток покоя составляет (при отсутствии тока в нагрузке) и возрастает до -при токе нагрузки . В этих стабилизаторах используются проходные , которые обеспечивают низкий перепад напряжения ( макс. при токе макс. при токе ) и спроектированы таким образом, что ток покоя не повышается стремительно, когда входное напряжение опускается ниже этого перепада напряжения (общая болезнь стабилизаторов на крутизне биполярного транзистора). Эта последняя их особенность, в частности, полезна для питаемых от батареи приборов, которые могут продолжать функционировать и при низком напряжении батареи. В стабилизаторе 2951 имеется вход выключения и выход детектора перепада напряжения.

(фирма Linear Technology). Это - многополюсной стабилизатор положительного напряжения с током покоя , диапазоном выходного напряжения и максимальным током . Проходной транзистор р-п-р-типа дает низкий перепад напряжения тип. при тип. при ). Имеется вход выключения и выход детектора перепада напряжения. (фирма Texas Instruments). Это - сдвоенный микромощный импульсный стабилизатор с диапазоном выходного напряжения В и током покоя . Как и все импульсные стабилизаторы, он обладает высоким КПД (вплоть до 80%) во всем диапазоне напряжений батарей и гибкостью, а именно возможностью формирования выходных напряжений, превышающих само неста-билизированное входное напряжение. Серия (фирма Maxim). Это-микромощные импульсные стабилизаторы с прекрасными возможностями по выбору параметров. Стабилизатор представляет собой регулируемый (от 2 до 18 В) повышающий стабилизатор положительного напряжения (т. е. ), в то время как ИС МАХ634 является инвертирующим импульсным стабилизатором (т. е. положительное входное напряжение и отрицательное выходное напряжение). Стабилизаторы - это повышающие импульсные стабилизаторы на фиксированное положительное напряжение (5, 12 и 15 В), при этом стабилизаторы его инвертирующие эквиваленты. Стабилизатор МАХ638 представляет собой регулируемый понижающий импульсный стабилизатор на положительное напряжение . Все они способны обеспечивать выходные токи в несколько сотен миллиампер, токи покоя приблизительно и КПД приблизительно 80%. Серия МАХ644 (фирма Maxim). Эти микромощные импульсные стабилизаторы спроектированы для формирования выходного напряжения при питании от одно- или двухэлементной батареи. Его умные конструкторы используют как состоящий из двух частей импульсный повышающий преобразователь: одна секция функционирует непрерывно, обеспечивая выходное напряжение с малым значением тока ; он также вырабатывает постоянное напряжение , необходимое для переключения полевого МОП-транзистора, используемого для формирования выходного напряжения , но с высоким значением тока (вплоть до . В опорном режиме (только низкий уровень выходного тока) ток покоя составляет . Сам стабилизатор МАХ644 спроектирован для работы при номинальном входном напряжении 1,5 В и функционирует при падении входных напряжений до 0,9 В.

Кроме того, существуют особые «маломощные» стабилизаторы , которые характеризуются токами покоя в несколько миллиампер.

Таблица 14.4. Маломощные стабилизаторы

Они полезны для приборов с внешними источниками питания, такими, как, например, солнечные элементы или на токе удержания телефонной линии. Также нельзя не указать на возможность использования микромощного источника эталонного напряжения, а не стабилизатора, если его напряжения вас устраивают. Например, микросхема фирмы PMI представляет собой трехконтактный источник эталонного напряжения 2,5 В с током покоя и прекрасными характеристиками.

Загляните в табл. 14.4 (в которую мы также включили вышеописанные стабилизаторы), где приведены характеристики большинства из имеющихся микромощных стабилизаторов.

Источники питания на отрицательное напряжение.

За исключением стабилизаторов , все остальные линейные микромощные стабилизаторы рассчитаны только на напряжения положительной полярности (хотя стабилизатор можно использовать для создания биполярного источника питания). Если же вам необходимы источники отрицательного напряжения, то существует (кроме хилого 7664) несколько возможностей, а именно: а) кристалл конвертера напряжения с «летающим конденсатором» типа 7662; б) дискретная реализация конвертера напряжения с летающим конденсатором, где используются комплементарные мощные МОП-транзисторы; в) конвертер напряжения, использующий кристалл КМОП-генератора типа 7555 (это КМОП 555) или выходной сигнал любого КМОП логического вентиля, на который подается прямоугольное колебание; г) импульсный источник питания, с индуктивным хранением энергии или д) использование единственного источника положительного напряжения, где с помощью операционного усилителя формируется опорное напряжение шины взвешенной земли между шиной земли и самим положительным напряжением питания. Давайте рассмотрим их по очереди: 1. Интегральная схема 7662 (и ее предшественник 7660) представляет собой КМОП-схему, выпускаемую фирмой Intersil и еще более широко вторичными фирмами-изготовителями (см. разд. 6.22).

В ее состав входят генератор и КМОП-ключи (рис. 6.58) и с помощью нескольких внешних конденсаторов вы можете сформировать напряжения либо — , либо при питании от положительного напряжения . Подобно большинству КМОП-приборов, она имеет ограниченный диапазон напряжений питания; для схемы 7662 напряжение С/пит может лежать только в диапазоне от 4,5 до 20 В (от 1,5 до 10 В-схема 7660). Ее выходной сигнал нестабилизированный и он значительно падает при токах нагрузки больше чем несколько миллиампер. Несмотря на эти недостатки, она может быть очень полезной в специальных условиях, например для организации на плате местного питания формирователей сигналов стыка , которые в этом случае работают на единственном источнике питания В. Схемы представляют собой биполярные источники питания, которые формируют напряжения В (вплоть до ) из напряжения В (рис. 6.60). Существует также комбинация из конвертера напряжения и формирователей/приемников сигналов стыка , выполненная в виде единственной интегральной схемы, а именно серии . Если для вашей прикладной задачи требуется стык , то вы можете использовать для питания ваших аналоговых электронных приборов источник биполярных напряжений, формируемый одним из этих интегральных формирователей стыка .

Рис. 14.22. Дикретный конвертер на отрицательное напряжение с летающим конденсатором.

2. Для формирования большего отрицательного напряжения вы можете применить дискретные МОП-транзисторы в схеме с летающим конденсатором (рис. 14.22). Этот частный пример характеризуется током холостого хода в несколько микроампер и максимальным током вплоть до .

3. На рис. 14.23 показан более простой метод, снова отчасти ограниченный по диапазону напряжений, основанный на использовании КМОП-кристалла таймера 7555. Вы можете питать схему 7555 от источника положительного напряжения в диапазоне от 2 до 18 В, таким образом формируя напряжения вплоть до — 15 В или около того. С помощью умножителя напряжения (см. разд. 1.28) вы можете, конечно, формировать и более высокие напряжения с соответственно худшей стабилизацией.

Рис. 14.23. Формирователь отрицательного напряжения из положительного прямоугольного колебания.

Если в вашей схеме имеется несколько логических КМОП-схем, то можно использовать выходной сигнал КМОП-вентиля, а не схему 7555. Однако если используются высококачественные семейства КМОП-схем, такие, как НС/НСТ или АС/АСТ, то вы ограничены в размахе логического сигнала напряжением 5 В, в то время как более старые схемы серий 4000 или допускают размах напряжений 15 В, хотя и при меньших токах.

Рис. 14.24. Маломощный импульсный стабилизатор на напряжение 5 В (КПД ). (Из технических данных на ИС MAX631 фирмы Maxim).

4. Как мы объяснили в гл. 5, с помощью индуктивного накопления энергии, вы можете построить импульсные источники питания, у которых выходное напряжение больше входного или гораздо меньше, или даже может быть отрицательным, при этом обеспечивается КПД в 75% или около того независимо от входного напряжения. Это очевидно полезно при проектировании микромощных устройств, где само нестабилизированное постоянное напряжение может сниматься с батарей, напряжение которых падает по мере их использования. Микромощные импульсные источники питания могут быть спроектированы таким образом, что они сохраняют высокий КПД даже при снятой нагрузке (в отличие от обычных импульсных источников с высокими значениями тока), при этом используется цепь, которая перекрывает генератор до тех пор, пока выходное напряжение не упадет, в этой точке он вырабатывает единственный заряжающий импульс, затем засыпает снова. На рис. 14.24 изображен источник питания с напряжением В, сконструированный на маломощной интегральной схеме МАХ631.

5. Вам может и не потребоваться отдельный источник отрицательного напряжения, даже если вы и используете операционные усилители с биполярным размахом выходного сигнала и др. Например, вы могли бы сформировать опорное напряжение земли В (используя резистивный делитель и микромощный повторитель на ОУ) для схемы, построенной на операционных усилителях при питании ее от единственной батареи 9 В. Давайте рассмотрим этот метод более подробно.