В. Кессених, О. Воробьев

Преобразователи напряжения с TOPSwitch Power Integrations

Миниатюризация является основной тенденцией развития современной электронной техники. На фоне успехов миниатюризации цифровых и аналоговых устройств преобразования сигналов миниатюризация источников вторичного электропитания (ИВЭП) заметно отстаёт. Объём ИВЭП часто сопоставим с объёмом остальной аппаратуры. При этом не менее 20% всех отказов приходится на долю блоков питания. Поэтому у разработчиков всё больший интерес вызывают импульсные ИВЭП.

Основными недостатками ИВЭП с линейными стабилизаторами является низкий КПД (30–50%) и проблема отвода тепла для устройств высокой удельной мощности. Габариты ИВЭП с линейными стабилизаторами в значительной мере определяются габаритами устройств охлаждения (радиаторов, вентиляторов и так далее), а также низкочастотных реактивных элементов. Объём, занимаемый такими ИВЭП, в общем составе аппаратуры достигает 50–60%, причём повысить их КПД и уменьшить за счёт этого габариты принципиально невозможно. Импульсные же ИВЭП не нуждаются в громоздких реактивных элементах и устройствах охлаждения, так как имеют повышенную частоту преобразования (50–100 кГц) и высокий КПД (80–90%).

Корпорация Power Integrations, один из нынешних лидеров мировой энергетической электроники, была основана в 1988 году. Учёным корпорации удалось осуществить прорыв в полупроводниковой индустрии — разработать уникальную технологию, позволяющую интегрировать в одной микросхеме высоковольтный (1200 В) полевой МОП-транзистор и стандартные (5 В) КМОП- и биполярные транзисторы. Это новшество, в свою очередь, послужило основой для разработки технологии TOPSwitch, которая стала одним из достижений Power Integrations в производстве преобразователей напряжения.

Что же представляет собой интегральная схема семейства TOPSwitch? По сути, это многофункциональное устройство управления, которое включается в цепь обратной связи преобразователя напряжения, производит импульсную модуляцию входного напряжения, стабилизирует выходное напряжение, осуществляет защиту от температурного перегрева и перенапряжения на выходе, повторный запуск и так далее. Устройство конструктивно выполнено в трёхвыводном корпусе ТО-220 и содержит в себе высоковольтный полевой МОП-транзистор (MOSFET), драйвер для управления MOSFET, конт-роллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), 100-кГц генератор, схемы защиты и другие модули, обеспечивающие эффективную работу импульсного источника питания.

Благодаря TOPSwitch-технологии Power Integ-rations смогла к 1997 году увеличить в 30 раз по сравнению с 1989 годом удельную мощность своих источников питания. При этом себестоимость, количество компонент, размеры и вес неуклонно снижались, а КПД возрастал. Рассмотрим коротко принцип действия импульсных стабилизаторов. Применение транзисторов в режиме переключения (Switch-режиме) позволяет при значительной разнице в уровнях напряжения питания и напряжения на нагрузке получить КПД преобразования близкий к единице. Если источник постоянного тока подключать к нагрузке с помощью периодически замыкаемого и размыкаемого ключа, то среднее значение напряжения на нагрузке составит

где tu — длительность замкнутого состояния ключа; T — период коммутации; i(t) — текущее значение тока.

При индуктивном характере нагрузки ключа, шунтированной диодом, такое устройство можно рассматривать как автотрансформатор постоянного тока. Если параллельно нагрузке подключить конденсатор достаточно большой ёмкости, то переменная составляющая тока будет замыкаться через него, а пульсации напряжения на нагрузке будут незначительны.

Этот принцип можно реализовать с помощью нескольких вариантов построения схем преобразователей. Наибольшее рассмотрение получили:

• понижающий преобразователь (Buck Converter), рис. 1;
• повышающий преобразователь (Boost Converter), рис. 2;
• прямоходовой преобразователь (Forward Converter), рис. 3;
• обратноходовой преобразователь (Flyback Converter), рис. 4.

Понижающий преобразователь (рис. 1) используется для пошагового снижения напряжения на нагрузке. Так как ключевой транзистор включён последовательно с источником питания, требуется повышенный уровень коммутирующих импульсов. В преобразователе на рис. 2 ключевой транзистор подсоединён параллельно к источнику питания. Этот преобразователь применяется для пошагового увеличения напряжения на нагрузке. Достоинством этих двух схем является простота, недостатками — ограниченность функций и отсутствие развязки между входным и выходным напряжениями.

Рис. 1. Понижающий преобразователь	Рис. 2. Повышающий преобразователь
Рис. 3. Прямоходовый преобразователь	Рис. 4. Обратноходовый преобразователь

В прямоходовом преобразователе (рис. 3) развязка “вход-выход” обеспечивается за счёт использования импульсного трансформатора. Вид выходного напряжения — одно или несколько, положительное или отрицательное, повышенное или пониженное — определяется конструкцией трансформатора. Такая схема может обеспечить выходную мощность от 100 до 300 Вт. При этом для каждого выходного напряжения требуются своя вторичная обмотка трансформатора и выпрямительные диоды. Необходима также дополнительная изоляция цепи обратной связи.

Наиболее совершенной является схема обратноходового преобразователя (Flyback Converter), приведённая на рис. 4. Подобно прямоходовому преобразователю, Flyback имеет трансформаторную развязку “вход-выход” и может формировать несколько разнополярных напряжений. Основным преимуществом Flyback по сравнению с Forward является применение остроумной комбинации трансформатора и дросселя, выполненной в виде единой компоненты, которая служит одновременно для накопления энергии, трансформации напряжений и гальванической развязки. Поэтому Flyback содержит меньше деталей и обладает большей чувствительностью регулировки по цепи обратной связи. Flyback-топология сохраняет эти преимущества при уровнях мощности до 100 Вт или выходных токов не свыше 10 А. Таким образом, все рассмотренные схемы могут найти применение в зависимости от специфики решаемой задачи, квалификации или личных пристрастий разработчика.

Основные технические параметры наиболее популярных микросхем TOPSwitch и их последней модификации TOPSwitch-II представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1. Технические параметры TOPSwitch

Таблица 2. Технические параметры TOPSwitch-II

В семействе TOPSwitch применяются опорное напряжение 5,8 В, частота коммутации 100 кГц, управление по напряжению, диапазон рабочих температур -40...+125°С.

Семейство TOPSwitch-II отличается повышенной мощностью, опорное напряжение — 5,7 В, частота коммутации — 90...100 кГц, управление производится как по напряжению, так и по току.

Ведущие электронные компании по достоинству оценили новизну инженерных решений, компактность, надёжность, высокую эффективность и низкую стоимость компонент, производимых Power Integrations. Такие гиганты бытовой и индустриальной электроники, как Apple, AT&T, Daewoo, Hewlett-Packard, IBM, Motorola, Siemens, Sony и многие другие, охотно используют в своих изделиях продукцию Power Integrations.

О самом последнем её достижении — семействе Tiny Switch читайте в следующих номерах.

www.sei-macro.spb.ru