Когда говорят “бестрансформаторный источник питания”, сразу представляется решение, основанное на высоковольтном конденсаторе, включенном последовательно с сетью, за которым следуют мостовой выпрямитель, стабилитрон, фильтрующий конденсатор и так далее (вот пример). Но такая схема не способна обеспечить достаточный ток для многих устройств, да и надежность на невысоком уровне. Тем не менее их можно найти в некоторых недорогих радиосхемах, с целью минимизации затрат. Если же вы делаете “как для себя” – обратите внимание на микросхему LNK304, предназначенную специально для бестрансформаторных БП. Представленная далее схема включает в себя защиту входа сети 220 В переменного тока, входной фильтр и стабилизацию выходного напряжения.
Внимание! Эта схема подключается к сети переменного тока 220 В и не имеет гальванической развязки, а значит может быть опасна для жизни. Если вы не знаете правил безопасности при работе с сетевым напряжением, не беритесь за этот проект.
Итак, LNK302, 304, 305 и 306 это высоковольтные импульсные стабилизаторы напряжения с малым количеством внешних компонентов из семейства LinkSwitch-TN. Их отличительные особенности:
- Понижающий преобразователь с минимальной стоимостью и числом компонентов
- Полностью интегрированные схемы защиты от короткого замыкания с автоматическим перезапуском и защиты от обрыва цепи обратной связи
- LNK302 использует упрощенный контроллер без автоматического перезапуска для достижения малой стоимости
- Работа на частоте 66 кГц с точным порогом тока, что позволяет использовать недорогую индуктивность 1 мГн при токах нагрузки до 120 мА
- Высокая стабильность и малая чувствительность к температуре
- Высокое напряжение пробоя 700 В обеспечивает превосходную стойкость к выбросам на входе
- Создание быстрых частотных флуктуаций снижает электромагнитные излучения (~10 дБ), за счет чего минимизируется стоимость фильтра ЭМИ
- Высокий порог срабатывания термозащиты (минимум +135°C)
- Более высокая эффективность по сравнению с дискретными понижающими преобразователями и пассивными стабилизаторами
- Поддержка топологий: понижающая, понижающая/повышающая и обратноходовая
- Превосходная стабилизация при изменениях входного напряжения и тока нагрузки даже в типичной конфигурации
- Широкий частотный диапазон обеспечивает быстроту включения без перерегулирования
- Работа схемы ограничения тока подавляет пульсации
- Широкий входной диапазон напряжения (~85 – 265 В)
- Встроенное ограничение тока и термозащита с гистерезисом
- Более высокий коэффициент мощности по сравнению с решениями на конденсаторных балластах
- Поддержка SMD-технологии.
Технические характеристики
- Входное напряжение: 220 В переменное.
- Выходное напряжение: 5 В постоянное.
- Выходной ток (длительный): от 120 мА до 150 мА (может быть увеличен).
- Выходной ток (импульсный): 180 мА.
- Выходной шум (максимум): 30 мВпик-пик (нагрузка 150 мА, полоса 20 МГц).
- Входная защита: предохранитель, NTC, варистор.
- Защита выхода: защита от короткого замыкания и перегрузки по току (ограничение тока 200 мА).
Анализ схемы БП
На рисунке показана принципиальная схема устройства. Схема состоит из трех основных частей: входной цепи сети 220 В, микросхемы LNK304, выходного фильтра и стабилизатора 5 В.
Вход сети 220 В. Защита входа сети состоит из предохранителя F1 и резисторов R4 и R5. R5 – варистор 10D561. Варистор — это зависящее от напряжения нелинейное устройство, электрическое поведение которого похоже на встречно-встречно включенные стабилитроны. Цинк-оксидные варисторы серии TYEE представляют собой нелинейные резисторы, состоящие в основном из оксида цинка и нескольких типов дополнительных оксидов металлов. Они характеризуются двусторонней и симметричной кривой ВАХ, а необычно большие возможности с точки зрения достигнутых пиковых токов используются для поглощения переходного напряжения, подавления импульсных помех и стабилизации напряжения в цепи.
При разработке такого типа схемы часто не знаем, где она будет использоваться. Поэтому она должна быть защищена от коммутационных перенапряжений от различных реле и электромагнитных клапанов, подключенных через варистор.
F1 — обычный предохранитель на 500 мА, защищающий цепь от любого непредвиденного события, которое может привести к протеканию чрезмерного тока, взрыву или пожару. R4 — 10D7, защищающий цепь от чрезмерных пусковых токов. BR1 представляет собой мостовой выпрямитель DB107G, а C4, C5 и L1 образуют фильтр нижних частот, чтобы максимально уменьшить шум и пульсации напряжения при выпрямлении.
Силовая часть на чипе LNK304
Основным элементом этой схемы является чип IC1 — LNK304. Он специально разработан для замены всех линейных и емкостных неизолированных источников питания в диапазоне выходного тока ниже 360 мА при равных системных затратах, предлагая при этом значительно более высокую эффективность и энерго-эффективность. Чип от LinkSwitch-TN объединяет полевой МОП-транзистор до 700 В, генератор, простой механизм управления включением/выключением, источник коммутируемого тока высокого напряжения, схему развертки частоты, ограничитель тока с каждым циклом и схему отключения при перегреве.
Энергия запуска и работы поступает непосредственно от напряжения на выводе DRAIN, что устраняет необходимость в питании, полярности и соответствующих схемах в понижающих или обратноходовых преобразователях. Полностью интегрированная схема автоматического перезапуска, включенная в LNK304-306, надежно ограничивает выходную мощность в условиях отказа, таких как короткое замыкание и размыкание выхода, уменьшая количество компонентов и затраты на защиту нагрузки на системном уровне. Локальное питание позволяет использовать оптопару без соответствующего класса безопасности, работающую в качестве реле уровня, для дальнейшего повышения эффективности схемы стабилизации выходного напряжения в зависимости от нагрузки, если это необходимо.
Резисторы R1 и R2 определяют выходное напряжение. Элементы C1, C2, C3, L2, D1 и D2 выбираются в соответствии с документацией. Резистор R3 создает небольшую начальную нагрузку, необходимую для стабилизации выходного напряжения.
Выходной фильтр и стабилизатор
Элементы R6 и C6 образуют RC-фильтр нижних частот, используемый для уменьшения выходных шумов и пульсаций напряжения на выходе. Микросхема REG1 представляет собой стабилизатор 78M05, обеспечивающий стабильное выходное напряжение 5 В. Если для нагрузки в схеме требуется шина питания 3,3 В, просто используйте другой линейный стабилизатор, желательно типа LDO. Уровень напряжения перед резистором R6 составляет около 9,5 В. Так что при токе потребления 150 мА этот фильтр вносит падение на 1,5 В, а 8 В по-прежнему является приемлемым входным напряжением стабилизатора REG1 для стабилизации 5 В на выходе.
C7 — это конденсатор, который фильтрует выходной сигнал регулятора, а диод D3 указывает что на выходе правильное напряжение. Резистор R7 ограничивает протекающий ток D3 и С8, что дополнительно улучшает схему с точки зрения удаления высокочастотного шума из выходного напряжения.
Далее показан список деталей и их номера, используемые в этом проекте.
Сборка и проверка блока питания
На рисунке показано расположение дорожек и компонентов на проектной печатной плате. Она реализована в виде двухслойной платы, где большинство компонентов имеют сквозную сборку.
Входной разъем (для 220 В сети) достаточно прочный чтобы обеспечить надежное и стабильное подключение к электросети. Выходной разъем представляет собой штыревой разъем XH с шагом 2,5 мм.
Тут использовалась электронная нагрузка для проверки выхода на стабильность выходного тока и напряжения. Она настроена на работу в режиме СС (постоянный ток) и увеличивалась до отключения выходного напряжения. Результатом является текущая пороговая точка ограничения тока. Для проверки непрерывности подачи питания нагрузку в режиме СС установили на 150 мА и оставили с включенным питанием примерно на час. В этом эксперименте речь идет о непрерывной работе при комнатной температуре. Конечно, можно добиться и большего тока, но тогда необходимо улучшить теплоотвод устройства с помощью радиатора или вентилятора.
Для исследования выходного шума использовался осциллограф. Измерение проводилось при подключенной нагрузке, установленной в режиме CC на 150 мА. Измерение запущено в режиме обнаружения пикового напряжения. Его результаты показаны на рисунке выше.
Модификации блока питания
В системе используется RC-фильтр (R6, C6) для снижения выходного шума. Можно попробовать использовать в схеме LC-фильтр, но будьте осторожны с частотой среза, а также шумами и резонансом.
Более высокий выходной ток может быть достигнут с помощью микросхем LNK305 или LNK306. При использовании LNK306 ток может достигать 350 мА. В этом случае нужно уменьшить номинал резистора R6 или использовать LC-фильтр ранее описанным способом. Также следует установить радиатор на линейный стабилизатор.
