Рисунок 1. Основные параметры схемы

Задали границы входного напряжения 9 В – 30 В, выходное напряжения 7 В, выходной ток 1 А, температура при которой собственно стабилизатор работает , после чего задали режим максимальной эффективности. Далее есть возможность задать дополнительные настройки рисунок 2.

Рисунок 2. Дополнительные параметры схемы

В данном окне мы задаем: частоту переключения(Switching Frequency), пульсации по току(IrippleL1 Target), максимальные пульсации по напряжению(Vout Ripple), отклонения выходного тока(Iout step), предельное отклонение выходного напряжения(Vout Step Error), максимальная высота(высота полученного устройства, Maximum Height), далее выбираем будем ли использовать «снаббер», он же демпфер(Snubber Used), тип конденсаторов, тип индуктивности, емкость выходного конденсатора(в случае если хотим использовать свой номинал, а не тот что указан в моделировании).
После задания всех необходимых параметров, выполняем команду View Solution. Программа строит рекомендуемую схему включения стабилизатора рисунок 3.

Рисунок 3. Схема устройства

Справа от схемы представлено окно возможных ошибок, в рассматриваемом случае программа ошибок не обнаружила “No Errors To Display”. Ниже схема представлена таблица используемых компонентов, называемая “Bill of Materials”, она же спецификация. В ней указано позиционное обозначение элемента, компания производитель, обозначение элемента и характеристики(номинал, корпус, размеры), а также стоимость. После чего подсчитана занимаемая площадь всеми компонентами и общая стоимость.
Далее идут: таблица входных данных и таблица дополнительных параметров, что мы задавали ранее, после чего таблицы выходных параметров(таблица 1, таблица 2), температурные показатели ипараметры стабилизации(таблица 3). Параллельно с ними, представлены графики: коэффициент полезного действия и потери(рисунок 4), АЧХ и ФЧХ(рисунок 5), переходная характеристика(рисунок 6). Рассмотрим и таблицы, и графики подробнее.

Таблица 1 – Выходные параметры схемы

Как видно из таблицы 1, выходное напряжение соответствует желаемому, также мы можем видеть напряжения на выводах: bias, boost. Частота переключения 200 МГц, пульсации по току Iripple=0,124(9В)…0,587(30В), пульсации по напряжению Voutripple=0,002(9В)…0,011(30В). В качестве проверки рассчитаем выходное напряжение (очевидно что оно задается простым делителем напряжения на выходе FB):

Для нашей схемы: [2]
Расчетные данные полностью совпадают с данными моделирования.
Таблица 2 – Выходные параметры схемы

Таблица 2 содержит данные о рассеиваемой мощности на элементах схемы. Также мы видим отношение выходной мощности к входной – это не что иное, как коэффициент полезного действия, он составляет 90% в случае минимального входного напряжения у нас это 9 В, и 87% при максимальном напряжении равном 30 В (это данные для тока в 1А)[2]. Максимальная рассеиваемая мощность 1,07 Вт. На рисунке 4, представлены графики зависимостей КПД от рабочего тока и потерь от рабочего тока. Очевидно, что с ростом тока возрастают и потери. КПД выходит на стабильный участок при токе равном 200 мА(Vin=9 В) и при 450 мА для максимального напряжения равного 30 В.

Рисунок 4. Коэффициент полезного действия и потери

Таблица 3 отображает температурные показатели выходных компонентов при заданном токе. А также параметры стабилизации: запас по фазе и единичное усиление. Данные параметры можно наблюдать на графиках амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиках(рисунок 5).
Таблица 3 – Температурные показатели. Параметры стабилизации

Рисунок 5 – АЧХ и ФЧХ

Построив переходную характеристику (рисунок 6), можем наблюдать зависимости выходного напряжения от времени, и выходного тока от времени. Представлены характеристики в момент переключения, для отображения высокой степени стабилизации устройства. Так пульсации по напряжению менее 20 мВ.

Рисунок 6. Переходная характеристика

В заключении нам предоставляют вариант печатной платы устройства на двух слоях.
Подводя итог, можно сказать что инструмент проектирования Buck Regulator Design Tool, не смотря на свою простоту, прекрасно выполняет поставленные перед ним задачи, а также предоставляет исчерпывающую информацию по разработанной схеме. 

ADP3050 – это понижающий импульсный стабилизатор с ШИМ, работающий в режиме управления током. Он включает в себя ключ с высоким рабочим током (1 А) и все необходимые логические блоки, функции управления и защиты. Данный стабилизатор имеет уникальную схему компенсации, которая позволяет применять выходные конденсаторы любого типа (танталовые, керамические, электролитические, OS-CON). В отличие от некоторых понижающих импульсных стабилизаторов рассматриваемый компонент не имеет ограничений на выбор конкретного типа выходного конденсатора или значения эквивалентного последовательного сопротивления[2].

Основные особенности ADP3050:

• Широкий диапазон входных напряжений: 3.6 В – 30 В;
  
• Варианты с регулируемым и фиксированным (3.3 В, 5В) выходным напряжением;
  
• Интегрированный силовой ключ, рабочий ток 1А;
  
• Работает с миниатюрными компонентами для поверхностного монтажа;
  
• Ограничение тока с проверкой на каждом цикле;
  
• Пиковое входное напряжение (100мс): 60 В.;
  
• 8-выводный корпус SOIC с улучшенной теплопередачей ;
• Может быть сконфигурирован как понижающий преобразователь, инвертер или преобразователь SEPIC.

Стабилизатор имеет специальный вход BOOST, использующийся для дополнительной регулировки насыщения затвора силового ключа, что позволяет увеличить эффективность стабилизатора. Высокая частота переключения позволяет использовать малые внешние компоненты для поверхностного монтажа. Возможность использования широкого выбора компонентов, имеющихся в продаже, обеспечивает большую гибкость конструкции. Для полностью работоспособной схемы, необходимо всего несколько внешних компонентов.

ADP3050 имеет вход, использование которого запускает режим пониженного энергопотребления, общий ток питания уменьшается до 20 мА. Внутренние функции защиты включают в себя схему защиты от перегрева, а также схему ограничения тока с проверкой на каждом цикле[2].

Рассмотрим работу данного стабилизатора, используя возможности симуляции, предоставляемые компанией производителем Analog Devices, а именно с помощью Buck Regulator Design Tool. Изначально нам необходимо задать входные параметры и желаемые выходные. Не будем рассматривать крайние случаи, а также схемы с фиксированным выходным напряжением, зададимся произвольными средними значениями рисунок 1.

Рисунок 1. Основные параметры схемы

Задали границы входного напряжения 9 В – 30 В, выходное напряжения 7 В, выходной ток 1 А, температура при которой собственно стабилизатор работает , после чего задали режим максимальной эффективности. Далее есть возможность задать дополнительные настройки.

Подробно настройки в этой статье рассматриваться не будут. Сейчас мы рассмотрим результаты виртуального моделирования рисунок 2.

Рисунок 2. Схема устройства

Таблица 1 – Выходные параметры схемы

Как видно из таблицы 1, выходное напряжение соответствует желаемому, также мы можем видеть напряжения на выводах: bias, boost. Частота переключения 200 МГц, пульсации по току Iripple=0,124(9В)…0,587(30В), пульсации по напряжению Voutripple=0,002(9В)…0,011(30В). В качестве проверки рассчитаем выходное напряжение (очевидно что оно задается простым делителем напряжения на выходе FB):

Для нашей схемы: [3]

Расчетные данные полностью совпадают с данными моделирования.

Таблица 2 – Выходные параметры схемы

Таблица 2 содержит данные о рассеиваемой мощности на элементах схемы. Также мы видим отношение выходной мощности к входной – это не что иное, как коэффициент полезного действия[4], он составляет 90% в случае минимального входного напряжения у нас это 9 В, и 87% при максимальном напряжении равном 30 В (это данные для тока в 1А). Максимальная рассеиваемая мощность 1,07 Вт. На рисунке 3, представлены графики зависимостей КПД от рабочего тока и потерь от рабочего тока. Очевидно, что с ростом тока возрастают и потери. КПД выходит на стабильный участок при токе равном 200 мА(Vin=9 В) и при 450 мА для максимального напряжения равного 30 В.

Рисунок 3. Коэффициент полезного действия и потери

Таблица 3 отображает температурные показатели выходных компонентов при заданном токе. А также параметры стабилизации: запас по фазе и единичное усиление. Данные параметры можно наблюдать на графиках амплитудно-частотной и фазочастотной характеристиках.

Таблица 3 – Температурные показатели. Параметры стабилизации

Рисунок 4. АЧХ и ФЧХ

Построив переходную характеристику (рисунок 5), можем наблюдать зависимости выходного напряжения от времени, и выходного тока от времени. Представлены характеристики в момент переключения, для отображения высокой степени стабилизации устройства. Так пульсации по напряжению менее 20 мВ.

Рисунок 5. Переходная характеристика

Подводя итог, можно с уверенностью утверждать, что данный компонент имеет хорошие функциональные характеристики, а именно высокий коэффициент полезного действия равный или близкий к 90%, малые рассеиваемые мощности, что позволяет значительно упростить конструкцию изделий, не обременяя себя охлаждающими устройствами и отличные параметры надежности и качества. Также Analog Devices предлагает основные схемотехнические решения по использованию своих компонентов, кроме того есть специальные инструменты, которые быстро и качественно помогут получить готовый результат за короткий промежуток времени, что крайне удобно.