Сегодня речь пойдет о микросхеме ViPer-100А и зарядном устройстве для автомобильных аккумуляторных батарей на ее основе. Новая линейка микросхем характеризуется всеми достоинствами своего предшественника - ШИМ-контроллеров серии UC384X - и, кроме того, обладает несколькими существенными преимуществами.

Прежде всего, это сокращаемое приблизительно вдвое число дискретных элементов "обвязки" микросхемы. Немаловажное обстоятельство - высокая надежность тепловой защиты VIPer- 100A коммутируемого ИИП. В случае плохого теплового контакта коммутирующего транзистора с теплоотводом отдельно расположенный ШИМ-контроллер будет реагировать только на перегрев корпуса микросхемы. Тяжелый режим работы транзистора может привести к его тепловому пробою, и во время лавинообразного нарастания тока стока транзистор становится фактически неуправляемым. Выпрямленное сетевое напряжение через неисправный транзистор еще до срабатывания предохранителя может успеть вывести из строя ШИМ-контроллер. Для VIPer-коммутируемого ИИП такая ситуация исключена.

И самое главное достоинство - возможность автоматизированного проектирования ИИП. Микросхема VIPer-100А выполнена в пятивыводном металлопластмассовом корпусе ТО-220-5 с зигзагообразным расположением выводов. Рассмотрим алгоритм работы и упрощенную функциональную схему изделия, показанную на рис. 1 [1].

Сравнивая рис. 1 и функциональную схему ШИ М-контроллера UC384X [2], легко заметить их подобие.

Назначение многих узлов либо совпадает абсолютно, либо отличается незначительно.

В частности, компаратор входного напряжения питания микросхемы А1 обеспечивает пороговый уровень при переходе VIPer-коммутатора в состояние "включено" приблизительно 11 В, "выключено" — 8 В. Аналогично работает тепловая защита.

При повышении температуры кристалла до 140...170 "С триггер безопасного ре­жима D1 блокирует работу ШИМ D2 по входу R1.

Работа будет возобновлена автоматически, как только температура кристалла понизится на 40 °С по сравнению с уровнем срабатывания тепловой защиты,

Потребляемый микросхемой ток не превышает 1 мА в состоянии "Выключено" и 15 мА - "Включено". Одна из особенностей изделия VIPer - на время пуска выводы 3 (DRAIN) и 2 (Vdd) внутри микросхемы соединены токоограничивающей цепью. Уровень ограничения составляет 3 мА. Этот ток распределяется между компаратором входного напряжения А1 (1 мА) и оксидным конденсатором фильтра, подключенным к выводу 2 (зарядный ток конденсатора - около 2 мА).

После сравнительно медленного возрастания напряжение на оксидном конденсаторе достигает порогового уровня включения микросхемы (11 В), затем конденсатор разряжается рабочим током микросхемы 15 мА. Если микросхеме по каким-либо причинам (большая емкость разряженного перед включением конденсатора фильтра или замыкание в нагрузке) не удается перейти из пускового в рабочий режим, напряжение на конденсаторе быстро снижается до порогового уровня выключения, после чего процесс циклически повторяется.

При попытках перехода в рабочий режим микросхема формирует "пачки" запускающих импульсов. Коэффициент заполнения "пачек" определяется отношением зарядного тока конденсатора к разрядному и составляет всего 2/15 а 13 %, что предотвращает повреждение входного и выходного выпрямителей в пусковом режиме или при замыканиях в нагрузке. Формирование нескольких "пачек" в пусковом режиме способствует плавному увеличению выходного напряжения ИИП и характеризует его "мягкое" включение.

Процесс регулирования выходного напряжения ИИП аналогичен рассмотренному для прототипа. Внутренние цепи обеспечивают стабилизацию напряжения питания микросхемы на уровне 13В с помощью двух контуров регулирования: внутреннего и внешнего. Внутренний контур - обычный стабилизатор для питания всех узлов микросхемы. Внешний контур регулирования образуют вспомогательная обмотка трансформатора, подключенная к выводу 2 через внешний резистор, и соединенный с этим выводом усилитель сигнала ошибки A3. Двойная стабилизация напряжения питания микросхемы обеспечивает минимальное отклонение частоты коммутирующих импульсов.

В [1] указано, что при изменении напряжения питания в интервале 9...15 В, а также несоответствии номиналов частотозадающих резистора и конденсатора расчетным значениям в пределах ±1 % и ±5 % со­ответственно отклонение частоты следования импульсов не превысит ±10 %. Температурная нестабильность частоты не превысит - 4 %, если температура кристалла увеличится от 25 до125°С.

Так же, как и в ШИМ-контроллере UC384X, одноименный и функционально равноценный вывод 5 (СОМР) микросхемы VIPer с напряжением на нем в рабочем режиме около 4,5 В можно использовать для принудительного выключения ИИП.

Внутри микросхемы этот вывод может соединяться с общим проводом полевым транзистором V2 под воздействием триггера безопасного режима D1, реагирующего на блокирующие сигналы узла тепловой защиты А2, и компаратора входного напряжения А1.

Если принудительное соединение вывода 5 с общим проводом произошло во время действия коммутирующего импульса, очередной импульс возможен не ранее чем через 1,7...5 мкс, хотя генератор все это время продолжает работать.

Подключенный к выводу 5 конденсатор еще на некоторое время задержит возрастание напряжения до порогового уровня 0,5 В, и как минимум один коммутирующий импульс будет пропущен. Изменением числа пропускаемых импульсов также можно регулировать выходное напряжение ИИП. Временную задержку импульсов коммутации осуществляет элемент А5, подключенный к выходу компаратора контроля тока А4.

Особый интерес в изделии VIPer представляет использованный метод контроля тока, для чего на кристалле сформированы все необходимые элементы Сигнал, пропорциональный току, подают с дополнительного вывода коммутирующего транзистора V3 на преобразователь ток-напряжение U1, а затем усиливают в усилителе датчика тока А9.

Уровень напряжения на входе R3 ШИМ D2 пропорционален току стока, и при достижении заданного порогового уровня длительность коммутирующего импульса будет ограничена. Специальный узел гашения в течение 0,25 мкс после начала коммутирующего импульса подавляет выбросы на фронте, обусловленные током обратного восстановления выпрямительного диода во вторичной обмотке и распределенной емкостью накопительной обмотки.

Эти выбросы могут вызвать преждевременное ограничение длительности импульса. При нормальном функционировании ИИП длительность коммутирующих импульсов ограничивается по входу R2 ШИМ.

В случае замыкания в нагрузке после включения ИИП выходной ток будет вначале медленно увеличиваться в соответствии с динамическими характеристиками контура регулирования, а при достижении предельного для VIPer-100A значения 3 А ограничение тока будет происходить в каждом коммутирующем импульсе.

Следует обратить внимание на тот факт, что приводимый в справочниках предельный ток 3 А - минимальный из интервала возможных для отдельных образцов. Типовое значение тока для большинства составляет 4 А, а отдельные микросхемы работоспособны и при уровне ограничения 5,4 А Ограничить ток через коммутирующий транзистор можно и на более низком уровне, если использовать внешний преобразователь ток - напряжение, выход которого подключают к выводу 5 (СОМР) Все это гарантирует предотвращение повреждения ИИП в экстремальных ситуациях.

Появление микросхемы VIPer-100А позволяет совершенно по новому подойти к проблеме создания простого и надежного зарядного устройства (ЗУ) для автомобильных аккумуляторных батарей (АБ)

Большинство ЗУ заряжают АБ стабильным током. Однако во всех транспортных средствах, в том числе и легковых автомобилях, зарядка про­исходит при постоянном напряжении В бортовой сети реле-регуляторы поддерживают напряжение на уровне 14±0,5 В, поэтому разрядка АБ в ре­жиме пуска током в несколько десятков ампер сопровождается последующим коротким промежутком времени, когда зарядный ток может достигать 30 и более ампер, а затем он быстро снижается до единиц и долей ампера.

Аналогичный зарядный режим может быть использован автолюбителями для решения задачи другого рода Если необходимо срочно выехать, а автомобиль долгое время не эксплуатировался, то, скорее всего, из-за саморазрядки АБ попытки запустить двигатель, особенно в зимнее время, окажутся безуспешными

Некоторые автолюбители в подобных случаях применяют длительную (в течение полусуток и более) подзарядку АБ малым током, ускоряя тем самым коррозию решеток положительных электродов [3] и приближая выход батареи из строя. Более рационально в этом случае использовать в течение 15 - 30 мин. ЗУ, заряжающее АБ при постоянном напряжении. Включенный последовательно с АБ резистор с небольшим (доли ома) сопротивлением ограничит зарядный ток в начальный момент, и по мере зарядки напряжение на батарее будет увеличиваться, а ток уменьшаться.

VlPer-коммутируемое ЗУ без хлопот можно доставить в гараж даже в кармане благодаря его малым габаритам и массе. С другой стороны, его можно использовать не только как полноценное зарядное устройство, но и как источник питания для других целей.

Поскольку такой ИИП схемотехнически защищен от замыканий, к нему можно подключать, как частично, так и полностью разряженную батарею В зависимости от степени разряженности ИИП будет "перекачивать" в АБ энергию, ограниченную мощностью около 100 Вт, т. е. зарядный ток будет регулироваться автоматически, не вы­ходя за пределы режима безопасной работы ИИП.

ЗУ позволяет заряжать АБ током не менее 6 А в начале и доводить напряжение на ней до 15 В в конце зарядки. Рабочая частота преобразования используемого ИИП - 100 кГц КПД устройства - не менее 87 % Габариты ИИП без корпуса - 55x80x42,5 мм.

Сервисные функции ЗУ определяются свойствами используемой микросхемы VIPer-100А Они уже упоминались: защита от замыканий и обрывов в нагрузке, реализация безопасных рабочих режимов, тепловая защита, автоматическое регулирование зарядного тока в зависимости от степени разряженности АБ.

Единственный недостаток ЗУ, к которому нужно отнестись очень серьезно, - уязвимость от переполюсовки. При неправильном подключении АБ возможно повреждение трансформатора и других элементов ЗУ, поэтому подключать его нужно очень внимательно

Схема ЗУ, разработанная с помощью DESIGNE SOFTWARE ("Эволюция обратноходовых импульсных ИП" в "Радио", 2002, № 8), показана на рис. 2.

Методика проектирования была подробно описана ранее.

Параметры сетевого напряжения не менялись, частота преобразования выбрана равной 100 кГц, выходные параметры соответствуют напряжению 15 В при токе 6 А.

Магнитопровод трансформатора выбран RM10 (отечественный аналог КВ10) из материала N67 (аналог - М2500НМС1)

Благодаря подробному анализу алгоритма функционирования используемого в ЗУ изделия VIPer-10ОА, повторно описывать назначение отдельных элементов устройства не имеет смысла.

Чертеж печатной платы показан на рис. 3.

Несмотря на минимальное число используемых элементов, монтаж по­лучился весьма плотным, что объясняется желанием автора использовать в качестве готового корпуса устройства неисправный высоковольтный конденсатор К41-1а емкостью 0,1 мкФ на напряжение 10 кВ.

Микросхема VIPer-100А установлена на штыревой теплоотвод с эффективной площадью около 60 см^г через слюдяную пластину с применением теплопроводящей пасты, соединенный с общим проводом.

Диодный мост - импортный, рас­считан на прямой ток 1,5 А и обратное напряжение 1000 В.

Диодная сборка VD4—VD7 представляет собой соединенные двумя винтами три дюралюминиевые пластины (толщина крайних - 1,5 мм, средней - 2 мм) размерами 30x40 мм, между которыми попарно с каждой стороны от центральной пластины зажаты без изолятора с применением теплопроводящей пасты четыре диода КД213Б катодом к центру.

При монтаже следует обратить внимание на изоляцию всех анодных выводов.

Токоограничительный резистор R6 - С5-16МВ мощностью 5 Вт установлен перпендикулярно плате. Микроамперметр РА1 - М4283 или любой другой, используемый в переносных магнитофонах для индикации уровня записи. При налаживании его подключают к источнику стабилизированного напряжения 0.6 В и подбором резистора R5 устанавливают стрелку на край зеленого сектора.

Оксидные конденсаторы - импортные, поскольку отечественные не "впишутся" в указанные габариты ИИП. Конденсатор С7 подпаивают параллельно к резистору R3, а затем последний одним выводом впаивают перпендикулярно к плате, а второй соединяют навесным способом со свободным выводом аналогично установленного диода VD2.

Особое внимание следует уделить изготовлению и монтажу импульсного трансформатора. Его магнитопровод должен быть с немагнитным зазором 0,7 мм.

Обмотки трансформатора наматывают на самодельном каркасе. Скальпелем или острым ножом расслаивают небольшую стеклотекстолитовую пластину и отделяют от нее один слой толщиной 0,1...0,15 мм. Вырезав полоску требуемых размеров, с применением нитроклея без перекосов, наматывают ее в 2—3 слоя на стержень подходящего диаметра, а после высыхания клея снимают.

На полученный таким образом каркас наматывают первый слой — 11 витков провода ПЭВ-2 0,41 в два проводника, затем межслойную изоляцию из лавсановой пленки или лакоткани и второй слой — 9 витков. Затем наматывают межобмоточную изоляцию.

Обмотку III. состоящую из 7 витков провода ПЭВ-2 1,5, наматывают на стержне чуть большего диаметра с расчетом, что­бы она поместилась на обмотке I. С каждой стороны катушки оставляют выводы длиной 8...10 мм. Полученную обмотку III осторожно надевают на первую секцию обмотки I так, чтобы их выводы были диаметрально противоположны, центрируют и с помощью клея фиксируют слой межобмоточной изоляции. После этого полезно проверить размещение катушки в магнитопроводе, и если обе пластины свободно соединяются, катушку вынимают и заливают ее торцы клеем для фиксации и герметизации обмоток.

После высыхания клея на катушке наматывают в два слоя по 8 и 7 витков каждый вторую секцию обмотки I. Завершают намотку обмоткой II из 6 витков "вразрядку" провода ПЭВ-2 0,15 и после пробного размещения катушки в магнитопроводе снова герметизируют клеем торцы катушки. Измеренная индуктивность обмотки I трансформатора совпала с рас­считанной в DESIGNE SOFTWARE и составила 225 мкГн.

Готовый трансформатор по боковой поверхности закрывают электростатическим экраном — одним слоем медной фольги и фиксируют на плате с помощью скобы. Между трансформатором и скобой прокладывают полоску резины толщи­ной 1 мм.

Склеивать пластины магнитопровода при сборке необязательно. Все выводы трансформатора, кроме 7, 2 и 3, запаивают в соответствующие отверстия на плате. Выводы 2 и 3 соединяют навесным способом, изолируют, а затем "прячут" под электростатический экран. Вывод 7 соединяют с платой коротким отрезком коаксиального кабеля с многожильным центральным проводником.

На крышке устройства размещают выключатель питания, держатель предохранителя на 2 А, микроамперметр и две клеммы для подключения АБ. Кроме того, для облегчения теплового режима ИИП на крышке корпуса фиксируют малогабаритный вентилятор, используемый для обдува микропроцессоров, желательно максимально возможной производительности, и предусматривают для него воздухозаборные отверстия.

Выводы вентилятора, рассчитанного на напряжение 12В, подключают к конденсатору С9 через токоограничивающий резистор МЛТ-0,125 сопротивлением 8,2 Ом. В зависимости от модели и производительности потребляемый вентилятором ток будет составлять от 40...50 мА при 12 В до 55...65 мА при 15В. Если ЗУ собрано из исправных деталей без ошибок и отклонение рабочей частоты от расчетного значения не более 10 %, налаживание устройства не требуется.

На рис. 4 показаны зависимости выходного напряжения (сплошная линия) и выходной мощности (штриховая линия) от тока нагрузки.

Измерения проведены при замкнутом резисторе R6. Для уменьшения пульсаций на вы­ходе был подключен оксидный конденсатор емкостью 22000 мкФ.

С. Косенко

Литература:

1 VIPer Swich Mode Flyback Power Supply DESIGNE SOFTWARE Documentation Datasheet Vipe100 - Viper100A - P 1-20. February 2001

2 Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник - М. ДОДЭКА, 1997.

3 Дасоян М. А., Курэуков Н. И., Тютрюмов О. С., Ягнятинский В. М. Стартерные аккумуляторные батареи. Устройство эксплуатация, ремонт - М.: Транспорт 1994

Радио N11/2002

материал подготовил А. Кищин (UA9XJK)