طراحي رگولاتور Buck ،۱۲V به ۵v/1A

فصل پنجم
در این فصل ابتدا مدار داخلی و پایه های IC بشماره LM3524D را مورد بررسی قرار می دهیم و سپس با استفاده از همین IC به طراحی یک رگولاتور نوع Buck برای ولتاژ ورودی ۱۲V به خروجی SV با جریان خروجی ۱A می پردازیم و در پایان نیز نتایج آزمایش را بیان خواهیم کرد .

۱-۵) تراشه ی LM3524D :
این تراشه یکی از محصولات شرکت national semiconductor است که بیشتر برای کاربردهای سوئیچینگ ساخته شده است این تراشه یک موج PWM را تولید می کند که با توجه به مدارات داخلی این تراشه ، می توانیم فرکانس این موج را تنظیم کنیم .
تراشه ی LM3524D یک ورژن بهبود یافته از خانواده ی LM3524 استاندارد است ، که مشخصات آن به طور قابل ملاحظه ای بهبودیافته و پایه هایی نیز برای سازگاری با سریهای موجود دیگر این خانواده ، در این تراشه تعبیه شده است .

ترکیبات جدید بکار رفته در این تراشه ، باعث کاهش مدارهای اضافی خارجی نسبت به سری های قبلی شده است .
این تراشه دارای یک ولتاژ مرجع ۵ v با دقت می باشد . در این تراشه دو ترانزیستور وجود دارد که می توانند جریانی تا حد ۲۰۰ mA را به مدار خارجی بدهند و با این عمل می توان را کاهش داد و ولتاژ شکست را تا حد ۶۰V افزایش داد.

رنج ولتاژ مُد مشترک تقویت کننده خطا می تواند تا حد ۵٫۵V بالا برود که این عمل نیاز به تقسیم کننده مقاومتی از ولتاژ مرجع ۵ v را رفع می کند .
در این تراشه ، خط بایاس مدار از پایه shut-down ایزوله شده است و این از تقویت پالس اسیلاتور و فرکانس از توزیع شدن بوسیله ی shut-down جلوگیری می کند و همچنین در فرکانسهای بالا ( حدود ۳۰۰KHz ) ماکزیمم Duty Cycle در خروجی تا حد ۴۴% در مقایسه با ماکزیمم ۳۵% ، Duty Cycle دیگر خانواده LM3524 ها ، بهبود یافته است .

در حقیقت LM3524D ، از طریق پایه ۳ می تواند بطور خروجی سنکرون شود و همچنین یک مدار لَچ به تراشه اضافه شده است تا که مقدار پالس در پریود حتی در محیطهای نویزی تغییر نکند و ثابت بماند .

در تراشه ی LM3524D موقع ای که یک حالت shut-down اتفاق می افتد حالت فلیپ – فلاپ T فقط بعد از کلاک پالس اول که به آن برسد تغییر خواهد کرد و این طرح از دو برابر شدن خروجی در یک لحظه جلوگیری می کند و این عمل کاهش قابل ملاحظه ای در اشباع هسته در طرحهای پوش – پول ایجاد می کند .
اگر مطالب گفته شده فوق را بطور مختصر بیان نماییم ، می توان گفت که LM3524D دارای ویژگیهای زیر می باشد :
۱٫ بطور کلی قابل استفاده با خانواده LM3524 استاندارد .

۲٫ دارای رگولاتور ولتاژ درونی ۵ V با دقت با shut-down حرارتی .
۳٫ جریان خروجی DC تا حد ۲۰۰mA.
4. رنج ورودی مُد مشترک پهن برای تقویت کننده خطا .
۵٫ یک پالس در پریود (جلوگیری از نویز) .

۶٫ بهبود ماکزیمم Duty Cycle در فرکانسهای بالا .
۷٫ جلوگیری از Double Pulse .
8. سنکرون شدن از طریق پایه ۳ تراشه .

۱-۱-۵) شکل ظاهری و دیاگرام اتصال LM3524D :
همانگونه که در شکل (۱-۵) نشان داده شده است ، تراشه LM3524D ، مستطیل شکل و دارای ۱۶ پایه جهت اتصال می باشد در زیر عملکرد پایه های این IC را بوطر مختصر بررسی می کنیم :

شکل ۱-۵ : دیاگرام اتصالات LM3S24D
پایه ی شماره ۱ : پایه غیر معکوس کننده تقویت کننده خطا است که توسط یک شبکه مقاومتی که به ولتاژ مرجع وصل می شوند ضریبی (کوچکتر از یک) را به این پایه می آورند .

پایه ی شماره ۲ : پایه معکوس کننده تقویت کننده خطا است که توسط یک شبکه مقاومتی یک مسیر بند ولتاژ خروجی را ایجاد می کند و البته این شبکه مقاومتی نیز مقدار ولتاژ خروجی را تعیین می کنند .

پایه ی شماره ۳ : برای سنکرون کردن این تراشه با تراشه های خانواده LM3524 و دنیای خارج .
پایه های شماره ۴ و ۵ : این پایه ها وظیفه محدود کردن جریان خروجی را بر عهده دارند تا جریان از حد خاصی تجاوز نکند و بین این دو پایه مثبت و منفی ، ولتاژی حدود ۲۰۰mV وجود دارد که با استفاده از رابطه ی می توان با انتخاب مقدار R ، مقدار جریان خروجی ماکزیمم را تعیین کرد .
پایه ی شماره ۶ و ۷ : این پایه ها وظیفه ی تنظیم فرکانس موج ramp ایجاد شده برای اسیلاتور را برعهده دارند ، که پایه ی ۶ به یک مقاومت ( ) و پایه ۷ نیز به یک خازن ( ) متصل می شود .

پایه ی شماره ۸ : این پایه زمین مدار می باشد .
پایه ی شماره ۹ : پایه جبرانسازی می باشد که وظیفه این پایه ، ثابت نگهداشتن مقدار ولتاژ خروجی در برابر تغییرات در ولتاژ ورودی می باشد و همچنین تغییرات نرم در خروجی تقویت کننده خطا .

پایه ی شماره ۱۰ : پایه ی shut-down تراشه می باشد و وظیفه آن خاموش کردن سوئیچ خروجی در مواقع اضطراری است و اگر یک سیگنال high به آن وصل کنیم در این حالت ترانزیستور اشباع می شود .

پایه ی شماره ۱۱ و ۱۴ : پایه های امیتر ترانزیستورهای قدرت داخلی تراشه هستند که در حالتی که به ترانزیستور بیرونی برای افزایش جریان خروجی احتیاج نداشته باشیم به فیلتر خروجی وصل می شود .

پایه ی شماره ۱۲ و ۱۳ : پایه های کلکتور ترانزیستورهای داخلی تراشه اند و از طریق این پایه ها ، IC به فیلتر خروجی وصل می شود (ترانزیستورها بصورت یکی در میان ، در مدار عمل می کنند ) البته اگر ترانزیستور اضافی در مدار داشته باشیم .
پایه ی شماره ۱۵ : پایه ی ولتاژ ورودی است یعنی از طریق این پایه ولتاژ ورودی به تراشه و مدار رگولاتور اعمال می شود .
پایه ی شماره ۱۶ : پایه ی ولتاژ مرجع است که یک رگولاتور ولتاژ ورودی می باشد و از طریق این پایه ما می توانیم کسری از ولتاژ را به پایه ی غیر معکوس کننده تقویت کننده خطا برده و سپس مقدار ولتاژ خروجی را تعیین کنیم .

 

۲-۱-۵) مدار داخلی تراشه ی LM3524D :
همانگونه که در شکل (۲-۵) نشان داده شده است ، مدار داخلی تراشه ی LM3524D از بخشهای زیر تشکیل شده است که عبارتند از :
۱٫ رگولاتور ولتاژ درونی
۲٫ اسیلاتور
۳٫ تقویت کننده خطا
۴٫ محدود کننده جریان
۵٫ بخش خروجی
۶٫ جبرانسازی

شکل ۲-۵ : بلوک دیاگرام LM3S24D
حال بخشهای فوق را بررسی می کنیم .
۱٫ رگولاتور ولتاژ درونی :
LM3524D دارای یک رگولاتور حفاظت شده در برابر اتصال کوتاه ۵V/50mA می باشد .
این رگولاتور تغذیه تمام مدارهای داخلی تراشه را تأمین می کند و می تواند به عنوان یک مرجع خروجی در نظر گرفته شود .
برای ولتاژ ورودی کمتر از ۸V ، خروجی ۵V باید اتصال کوتاه شود با پایه ی ۱۵ ، ، که رگولاتور ۵V را از کار بیندازد .
با این پایه های اتصال کوتاه شده ؛ ولتاژ ورودی باید محدود شود به یک مقدار ماکزیمم در حدود ۶V . اگر ولتاژ ورودی بین ۶V تا ۸V باشد ؛ در این حالت از یک پیش رگولاتور که در شکل (۳-۵) نشان داده شده است باید استفاده کنیم .

شکل ۳-۵ : پیش رگولاتور برای LM3S24D
2. اسیلاتور :
LM3524D دارای یک اسیلاتور on-board است ، که فرکانس آن بوسیله یک مقاومت و یک خازن ، سِت می شود . در شکل (۴-۵) نموداری از و برحسب فرکانس اسیلاتور نشان داده شده است .
خروجی اسیلاتور سیگنالهایی برای تریگر کردن یک فلیپ – فلاپ درونی ایجاد می کند و یک پالس ساده برای خاموش کردن هر دو خروجی در مدت هدایت برای مراقبت کردن از اینکه زیاد گرم نشوند و ترانزیستورهای خنک شوند .
پهنای پالس ساده ، یا زمان مرده ، بوسیله ی مقدار کنترل می شود که در (۵-۵) نشان داده شده است .

شکل ۴-۵ : نمودار برحسب پریود اسیلاتور .

شکل ۵-۵ : نمودار زمان مرده خروجی برحسب .
محدوده مقدار را می توان بین تا و محدوده ی را می توان بین تا انتخاب کرد .
اگر بخواهیم دو یا بیشتر از دو LM3524D را با یکدیگر سنکرون کنیم ، اینها را از طریق پایه ۳ به هم متصل می کنیم و در این حالت همه ی پایه های ۷ را به هم وصل می کنیم و آن را به یک خازن ( ) متصل می کنیم و همچنین همه ی پایه های ۶ تراشه ها را باز می گذاریم بجزء یکی که آن را به یک متصل می کنیم . این روش بخوبی کار می کند مگر اینکه تعداد تراشه ها بیشتر از ۶ عدد باشد .

یک روش دیگری برای سنکرون کردن که برای هر طرح مداری استفاده می شود این است که ، یکی از LM3524D ها را به عنوان سد کرده در نظر بگیریم که دارای سِت شده برای پریود صحیح است . دیگر تراشه های زیرمجموعه باید داشته باشند یک با ۱۰% پریود طولانی تر نسبت به تراشه ی اصلی . در این حالت همه ی پایه های ۳ را به هم ، برای اینکه تراشه ی اصلی بطور کامل همه ی تراشه های زیرمجموعه را بتواند ریست کند .

اسیلاتور ممکن است با یک منبع کلاک بیرونی بوسیله ی قراردادن فرکانس اسیلاتور درونی با ۱۰% کمتر کلاک بیرونی و دریوا کردن پایه ۳ با یک قطار پالس (تقریباً ۳V ) از کلاک سنکرون شود . البته پهنای پالس باید بزرگتر از برای اطمینان از سنکرون شدن کامل باشد .

تقویت کننده خطا ، یک ورودی است و تقویت کننده هدایت گرما است . گین این تقویت کننده ، ۸۶dB است که با هر کدام از دو روش بارگیری خروجی یا فیدبک ست شده است . این بارگیری خروجی می تواند با هرکدام از دو ترکیب صرفاً مقاومتی یا یک ترکیب مقاومتی و ترکیبات غیرفعال انجام می شود .
یک نموداری از گین تقویت کننده برحسب مقاومت بار خروجی در شکل (۶-۵) نشان داده شده است .

شکل ۶-۵ : نمودار گین ولتاژ برحسب فرکانس .
خروجی یا ورودی تقویت کننده برای مدولاتور پهنای پالس را می توان در نظر نگرفت چون که امپدانس خروجی خیلی بالاست ( ) و این یعنی اینکه یک ولتاژ DC بر روی پایه ۹ می آید که تقویت کننده خطا را در نظر نمی گیریم و در این حالت توسط پایه ی ۹ ما یک Duty Cycle دقیق را برای خروجیها خواهیم داشت (Duty Cycle تابعی از ولتاژ DC پایه ۹ می باشد ) . می توان بعنوان مثال به یک کنترل سرعت موتور غیر رگوله جایی که یک ولتاژ متغیر بر روی پایه ی ۹ برای کنترل سرعت موتور تأمین می شود اشاره کرد .

نموداری از Duty Cycle خروجی برحسب ولتاژ روی پایه ی ۹ در شکل (۷-۵) نشان داده شده است .

شکل ۷-۵ : نمودار Duty Cycle خروجی برحسب ولتاژ پین ۹ .
Duty Cycle ، از نسبت زمان روشن بودن به کل پریود محاسبه می شود .
۴٫ محدود کردن جریان :
بین پایه های در تراشه ی LM3524D ولتاژ حس کننده محدود کننده جریان وجود دارد که معمولاً برابر ۲۰۰mV است و می توان از این طریق جریان خروجی را محدود کرد .
در بیشتر کاربردها ، ولتاژ حس کننده محدود جریان از طریق یک مقاومت حس کننده تولید می شود و می توان با استفاده از این مقاومت جریان را در خاصی محدود کرد .
دقت این اندازه گیری به دقت مقاومت حس کننده و جریان افست کوچک (به طور نمونه ) جاری شونده از به بستگی دارد .
این نکته را هم متذکر شویم که افزایش ولتاژ حس کننده در حدود تقریباً ۵% ، تأثیری در مقدار Duty Cycle خروجی ندارد .
۵٫ بخش خروجی :
در این بخش ترانزیستورهای NDN ، همراه راه اندازهای آنها وجود دارند که جریان ماکزیمم خروجی ترانزیستور ۲۰۰mA است .
در این ترانزیستورها ورودی و خروجی با هم اختلاف فاز دارند و ترانزیستورها کلکتور و امیتر باز هستند که در شکل (۸-۵) نیز این بخش نشان داده شده است . در این تراشه ما پالسهای کوچک در خروجی اسیلاتور (Dead – Time) داریم تا هر دو ترانزیستور با هم روشن شوند .

شکل ۸-۵ : بخش خروجی LM3S24D .