Автомобильный блок питания ноутбука без намоточных элементов
Предлагаемое устройство предназначено для питания ноутбука от бортовой сети автомобиля. Оно не содержит трансформаторов и дросселей.
Для питания большинства ноутбуков требуется постоянное напряжение около 19 В. Известные схемы автомобильных преобразователей напряжения питания для них (например, описанный в моей предыдущей статье "Автомобильный блок питания ноутбука на таймере КР1006ВИ1" в журнале "Радио", 2013, № 2, с. 22, 23) построены по принципу повышающего импульсного преобразователя с использованием трансформатора или накопительного дросселя. В отличие от них, в предлагаемом устройстве реализован двухтактный инвертор с диодно-конденсаторным удвоителем напряжения. Стабилизация выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсного (ШИ) регулирования.
Рис. 1
Основные технические характеристики:
Входное напряжение, В ....... 11...15 Выходное напряжение, В ........... 19 Максимальный выходной ток, А .... 4,7 КПД, % ...................... 61...83 Частота преобразования, кГц ...... 25 Габариты, мм ............ 130x85x60 Вес, кг.......................... 0,6
Схема устройства показана на рис. 1. Устройство выполнено на основе специализированной микросхемы КР1114ЕУ4 (DA1), которая представляет собой двухтактный ШИ контроллер. Эта микросхема генерирует прямоугольные импульсы с управляемой длительностью. Элементы С4 и R7 задают частоту внутреннего генератора микросхемы около 25 кГц, а делитель R3R4 — минимальную длительность паузы между импульсами около 8 мкс (примерно 20 % от периода следования импульсов). Эта пауза предотвращает протекание сквозного тока через транзисторы при переключениях. Стабилизирующая обратная связь выполнена с использованием делителя напряжения R1R2R6 и внутреннего ОУ микросхемы DA1. На входы этого ОУ (выводы 1 и 2 микросхемы DA1) поступают сигналы обратной связи и образцового напряжения, на выходе ОУ (выводе 3 микросхемы DA1) формируется напряжение регулирования. Конденсатор С1 сглаживает пульсации напряжения, поступающие с выхода преобразователя. Частотная коррекция ОУ осуществляется посредством цепи на элементах R5 и СЗ. Выходы микросхемы DA1 (выводы 8— 11) — коллекторы и эмиттеры её выходных транзисторов — управляют инвертором на двух комплементарных парах мощных транзисторов VT1—VT4, включённых по мостовой схеме.
К выходу инвертора подключён удвоитель напряжения, содержащий выпрямитель на диодах Шотки VD1 — VD4 и конденсаторы С5—С7. Резисторы R9 и R12 ограничивают выходной ток микросхемы DA1 до 0,17...0,25 А и, соответственно, ток баз транзисторов VT1— VT4, чтобы не допустить их перегрузки. Ток через базы этих транзисторов выбран так, чтобы ограничить ток их коллекторов на уровне 5...10 А.
Удвоитель работает так. Предположим, открыт внутренний транзистор между выводами 8 и 9 микросхемы. В это время открыты транзисторы VT1 и VT4, a VT2 и VT3 — закрыты. При этом конденсатор С5 заряжается через диод VD1, а С6 через VD4 отдаёт заряд конденсатору С7, который питает нагрузку. Затем следует пауза, во время которой оба внутренних выходных транзистора микросхемы и транзисторы VT1 и VT4 закрыты. После паузы открывается внутренний транзистор между выводами 10 и 11 микросхемы и открываются транзисторы VT2 и VT3, a VT1 и VT4 остаются закрытыми. При этом конденсатор С6 заряжается через диод VD2, а конденсатор С5 через VD3 отдаёт заряд конденсатору С7. Затем вновь следует пауза, во время которой все транзисторы VT1—VT4 закрыты, после чего процесс повторяется. Конденсатор С2 подавляет помехи во входной цепи питания, а также препятствует проникновению импульсных помех, генерируемых преобразователем, в бортовую сеть автомобиля.
При снижении входного напряжения ниже минимально допустимого значения (оно составляет 10...11 В и зависит от тока нагрузки) преобразователь выходит из режима стабилизации напряжения, его выходное напряжение снижается, так как удвоитель не может обеспечить на выходе напряжение больше удвоенного входного.
Внешний вид собранной платы устройства показан на рис. 2.
Микросхему КР1114ЕУ4 (DA1) можно заменить аналогами МВ3759Р, TL494CN, КА7500В, IR9494. Вместо транзисторов КТ8102Б (VT1, VT3) и КТ8101Б (VT2, VT4) можно применить КТ8102А и КТ8101А соответственно. Транзисторы VT1 и VT2 следует установить на одном теплоотводе, VT3 и VT4 — на другом. Площадь каждого теплоотвода — около 200 см2. На транзисторе комплементарной пары с меньшим коэффициентом передачи тока базы больше падение напряжения и рассеивание тепла, поэтому установка транзисторов в каждом плече моста на общий теплоотвод позволяет выровнять их тепловой режим. При этом не требуется электрическая изоляция транзисторов от теплоотвода.
Диоды Шотки 2Д219А (VD1— VD4) можно заменить другими из серий 2Д219, 2Д2998, КД2998. Эти диоды устанавливают без теплоотводов. Можно применить MBR1035, MBR1045, КД271—КД273 с индексами "А" или "АС", установив каждый диод на отдельный теплоотвод площадью 10... 15 см2 или через изолирующие прокладки на общий теплоотвод площадью 60 см?. Пригодны диоды КД271 — КД273 с другими индексами, а также серий КД213, 2Д231, 2Д251, 2Д252, 2Д2992, 2Д2993, КД2995-КД2997, но площадь теплоотвода на один диод нужно увеличить до 25 см2.
Оксидные конденсаторы С2, С5— С7 должны быть рассчитаны на допустимый импульсный ток не менее 3 А и иметь по возможности малое эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС), т. е. относиться к категории "Low ESR". Это позволяет снизить пульсации выходного напряжения и повысить надёжность устройства. Подойдут, например, конденсаторы Jamicon серий WL, TL или TZ. При необходимости каждый из них можно заменить несколькими параллельно соединёнными одинаковыми конденсаторами. В этом случае можно ориентировочно полагать, что допустимый импульсный ток растёт пропорционально числу соединённых конденсаторов. Так как в силовых цепях устройства протекает значительный импульсный ток, при разводке печатной платы важно, чтобы общий провод и плюсовая шина питания, используемые в силовой части устройства, соединялись с соответствующими проводниками слаботочной части на выводах конденсатора С2. В противном случае возможны срывы генерации и другие нарушения работы устройства.
Движком подстроенного резистора R1 устанавливают выходное напряжение преобразователя, оно может находиться в пределах 18...20 В. Соединения входа преобразователя с бортовой сетью и выхода с ноутбуком выполнены так же, как в предыдущей конструкции.
