| |
А. Русак
SMPS-интегральные схемы VIPer100
Микросхемы SMPS, представляющие комбинацию схемы управления ШИМ и высоковольтного MOSFET-транзистора, появились сравнительно давно, но по сей день не нашли широкого применения на российском рынке полупроводников. Удивительно: пустует в этом плане такая обширная ниша, как, например, производство телевизионных приёмников, тогда как подобные схемы, казалось бы, как раз и созданы для блоков питания телевизоров. Причины здесь могли быть разные: в первую очередь, это, возможно, недостаточная техническая информированность наших потребителей и, как следствие — недоверие к новым разработкам, стремление сравнивать предлагаемые схемы не по сумме технико-экономических показателей, дающих выигрыш, а по абсолютным максимальным характеристикам, то есть по максимальному току, напряжению и так далее — “по старинке”.
Представляем новую схему SMPS — VIPer100, которая удовлетворяет существующим ныне требованиям по “максимальным” характеристикам, имеет приемлемую цену и, конечно же, массу приемуществ по сравнению с дискретной реализацией SMPS (рис. 1).
Рис. 1
Напомним вкратце о классической схеме SMPS-источника питания, принципиальная схема которого приведена на рис. 2.
Рис. 2. Приниципиальная схема классического SMPS с использованием TDA4605 и BUZ90
Основной недостаток схемы — это большое количество элементов и, в результате, трудности в проектировании топологии печатных плат; неудачное расположение печатных проводников, что приводит к паразитному возбуждению, отказам элементов и паразитным помехам. Схема с примением интегральной SMPS свободна от таких недостатков.
Рис. 3. SMPS-интегральная схема
Как сказано выше, SMPS-схема представляет собой комбинацию PWM-схемы управления и полевого транзистора (рис. 3). Однако, существуют некоторые особенности, в частности, наличие на одном кристалле кремния обеих компонентов схемы позволяет контролировать ток, текущий через полевой транзистор в открытом состоянии. Значение этой особенности будет оговорено ниже.
Рис. 4. Функциональная схема VIPer100
Cамо название VIPer100 происходит от технологии изготовления части самого MOSFET, а именно, Vertical Power MOSFET. Внутренняя структура схемы представлена на рис. 4, расположение выводов — на рис. 5.
Рис. 5
Назначение выводов схемы
VDD. Низковольтный вход питания схемы управления обеспечивает две функции. Первая функция — управление логикой переключения. Для этого вывод связан со схемой UVLO-Logic (рис. 4). При напряжении меньше 8 В на этом выводе (что может означать перегрузку или КЗ в схеме) будет осуществляться систематический автоперезапуск схемы до тех пор, пока напряжение на этом выводе не повысится до 11 В. В случае превышения напряжением величины 13 В (ненагруженный режим), схема переключается в дежурный режим. Переключения на выходе высоковольтного транзистора осуществляются пакетами с заполнением, равным частоте задающего генератора. Очередной пакет генерируется в тот момент, когда напряжение падает до 13 В. В таком режиме потребляемая мощность устройства становится меньше 1 Вт, что соответствует Германскому стандарту “Blue Angel” для систем, работающих в дежурном режиме. Вторая функция вывода VDD состоит в том, что он является входом системы регулирования напряжения, как первичной петли регулирования, так и вторичной. С этой целью вывод связан со входом усилителя ошибки обратной связи. Работа первичной петли регулирования состоит в поддержании напряжения на этом входе в районе 13 В. При напряжении от 8,5 до 12,5 В работает вторая петля схемы регулирования.
COMP. Вывод осуществляет две функции.
Первая, являясь выходом усилителя ошибки, служит для подключения сглаживающей цепи С6, С11, R3.
Вторая функция проистекает из следующего: при снижении напряжения на COMP менее 0,5 В, происходит выключение схемы (shut-down) с нулевым рабочим циклом на выходе устройства. Это свойство может быть использовано для принудительного отключения всего преобразователя путём подачи на этот вывод 0-го потенциала (рис. 6).
Рис. 6. Схема "вкл/выкл" с триггером
COMP является универсальным выводом, позволяющим осуществлять, кроме перечисленных выше, такие функции, как мягкий старт, токовое ограничение до заданной величины, а также для подключения оптронной вторичной цепи регулирования (рис. 7) (не путать вторичную цепь регулирования всего преобразователя и вторичную цепь регулирования самой схемы по напряжению).
Рис. 7. Пример принципиальной схемы преобразователя
OSC-вывод: предназначен для подключения RC-цепи, определяющей частоту задающего генератора; а также служит для подключения внешнего тактового сигнала в случае синхронизации схемы от внешнего источника сигнала (например, от видеопроцессора телевизионного приёмника).
Функционирование схемы
Токовая топология — использует две петли управления — внутренняя токовая и внешняя петля по напряжению. Когда транзистор полностью открыт, ток, текущий через первичную обмотку трансформатора, измеряется с помощью специального сенсора с применением технологии SenseFET и преобразуется в напряжение, пропорциональное этому току в усилителе тока (рис. 4). Когда это напряжение превышает напряжение на выводе COMP, транзистор запирается. Таким образом, внешняя цепь управления по напряжению определяет уровень, на котором внутренняя петля регулирует пиковый ток.
Токовая топология также гарантирует хорошее ограничение в случае короткого замыкания преобразователя (КЗ).
Дежурный режим. Функционирование в дежурном режиме описано выше в пункте “VDD”. Потребляемая мощность может быть вычислена по формуле:
PSTBY = 0,5·Lp·I2STBY·FSW ,
где LP — индуктивность первичной обмотки трансформатора, FSW — частота переключений.
Откуда берётся напряжение на входе VDD при запуске схемы. Интегрированный высоковольтный источник тока (рис. 4) генерирует напряжение смещения на входе VDD путём отбора незначительного количества энергии от вывода стока закрытого полевого транзистора, находящегося под напряжением во время фазы запуска. Этот ток частично ответвляется на внутреннюю цепь управления, а также на внешний конденсатор С4 (1 мA). Как только напряжение на входе VDD достигнет уровня VDDon, сработает логика запуска, и на выходе схемы начнётся процесс переключений, то есть рабочий режим. Одновременно выключается высоковольтный источник тока запуска. Теперь питание VDD осуществляется от вывода вторичной обмотки трансформатора. Величина тока потребления VDD при этом меняется от 1 до 15 мA. В случае ненормальной ситуации, когда, например, после запуска напряжение на VDD падает ниже порогового уровня, схема переходит снова в неактивный режим, то есть переключения на выходе прекращаются, включается высоковольтный источник тока запуска, и цикл запуска начинается снова. Внешний конденсатор С4 выбирается из соображения обеспечения времени TSS, необходимого для операции запуска. Это время зависит от множества параметров. Для его расчёта годится следующая формула:
СVDD > (IDD·TSS)/VDDhyst ,
где: IDD — потребляемый ток на выводе VDD при переключении, TSS — длительность процесса запуска, VDDhyst — гистерезис напряжения VDD вкл/выкл.
Крутизна характеристики усилителя ошибок
Крутизна характеристики Gm — изменение выходного тока (ICOMP) по отношению к изменению напряжения на входе (VDD), то eсть Gm = dICOMP/dVDD. Выходной импеданс ZCOMP на выходе усилителя (вывод COMP) может быть определён как
ZCOMP = VCOMP/ICOMP = (1/Gm) x dVCOMP/dVDD .
Последнее равенство делает возможным связать усиление незамкнутой петли управления AVOL с Gm и ZCOMP: AVOL = Gm x ZCOMP . Типовая величина Gm для VIPer100 равна примерно 1,5 мA/В. Зависимости усиления AVOL и фазы от комплексного сопротивления ZCOMP приведены в виде графиков в техническом описании на VIPer100. Графики зависимости частоты генератора от номиналов R2 и C5 также приведены в техническом описании на схеме.
Фирмам-производителям применение VIPer100 даёт выигрыш по числу компонентов на 50%. При этом уменьшаются размеры схемы, снижается её себестоимость, улучшается электромагнитная совместимость и возрастает надёжность.
Тел. (812) 310-1778
|
