Д. Панфилов, В. Поляков, А. Барышников

    Представляем на суд специалистов авторский обзор публикаций фирмы Intineon Tech-nologies (Siemens) по применению новой ИС контроллера источников питания для промышленного применения. ИС TDA 16888 обладает рядом положительных характеристик и свойств, повышающих качество и надёжность систем электропитания.

    Подробную информацию по ИС TDA 16888 можно найти на сайте , а рекомендации по её применению — .

Общая характеристика ИС TDA 16888

    Mикросхема предназначена для использования в новых поколениях источников питания с активной коррекцией коэффициента мощности (ККМ), режимом ожидания и широким диапазоном входного напряжения (90–270 В), то есть для персональных компьютеров, мониторов, телевизоров и промышленного применения.

    Внутренняя структура комбинированного контроллера TDA 16888 оптимизирована с целью улучшить электромагнитную совместимость, уменьшить системные затраты, реализовать схемные решения для широкого диапазона применений. ИС разработана по правилам FMEA (эффективного анализа повреждений), которые ставят условие, что простой сбой не должен приводить к неконтролируемым выходам из строя и гарантировать риск от пожара.

Рис. 1. Типовая схема преобразователя с коррекцтей коэффициента мощности и универсальным входом

    TDA 16888 предназначена для управления двухступенчатой топологией источника питания, включающей ККМ- и ШИМ-преобразователи. Типовая схема источника питания управляемого TDA 16888 приведена на рис. 1. Внутренние интеллектуальные управляющие системы ИС син-хронизируют работу ККМ- и ШИМ-преобразователей, обладают большим количеством встроенных функций управления и контроля, что позволяет минимизировать внешние соединения без значительного ограничения гибкости разработки. ККМ преобразует выпрямленное, несглаженное напряжение сети в регулируемое напряжение промежуточной цепи. Потребляемый сетевой ток регулируется так, что его кривая приближается к форме приложенного сетевого напряжения. Возможно питание схемы от постоянного напряжения. Второй ШИМ-преобразователь обеспечивает передачу напряжения и потенциальную развязку цепей. Для преобразователя созданы хорошие постоянные условия работы благодаря предварительному регулированию напряжения в промежуточной цепи. В режиме ожидания ШИМ-преобразователь не активен. Топология двухкаскадного преобразователя обеспечивает высокую гибкость в пределах предъявляемых требований по мощности и КПД, а также высокий уровень надёжности и стойкости по отношению к колебаниям и скачкам питающего напряжения. Обозначение и функции выводов ИС приведены в табл. 1.

Таблица 1. Функции выводов ИС TDA 16888

Принципы построения типового источника питания и управления им

Генератор

    КМ- и ШИМ-преобразователи синхронизированы внутренним генератором. Частота генератора устанавливается с помощью внешнего резистора R24, подключенного к выводу 16 и земле. Соответствующий времязадающий конденсатор обеспечивает низкий ток потребления и высокую устойчивость к электромагнитным помехам. Внутренний генератор работает с удвоенной внешней частотой для точного ограничения длительности цикла ШИМ (50%) при помощи триггера (рис. 2). ККМ работает с максимальной длительностью цикла 94%, чтобы получить минимальные паузы потребляемого то-ка. Генератор может быть синхронизирован внешним задающим сигналом, поданным на вывод 12.

Рис. 2. Временные диаграммы напряжения на выходе генератора и широтно-импульсных модуляторов ККМ- и ШИМ-преобразователей

ККМ-преобразователь

    ККМ-преобразователь имеет мультисхемное управление. При нормальной работе ККМ-схемы TDA 16888 работает с двойной цепью управления. Первая цепь отслеживает форму потребляемого тока, обеспечивая среднетоковый режим управления, как в режиме непрерывного, так и прерывистого тока. Вторая цепь стабилизирует напряжение в промежуточной цепи постоянного тока. Сигнал обратной связи по напряжению с делителя R13, R14 поступает на вход 17 микросхемы. Выходной сигнал усилителя ошибки на выводе 18 умножается с током на выводе 1, полученным при помощи RCR-фильтра (на резисторах R4A, R4B и конденсаторе С9) из выпрямленного входного напряжения. Ток выхода умножителя формируется подобно входному напряжению, а его амплитуда изменяется в зависимости от выходного напряжения усилителя ошибки напряжения. Ток, пропорциональный потребляемому, поступает на вход усилителя ошибки тока (вывод 4), где вычитается из тока выхода умножителя. Выходное напряжение усилителя ошибки тока (вывод 3) поступает на широтно-импульсный модулятор, где сравнивается с пилообразным напряжением, поступающим с выхода генератора (рис. 3). Выходной каскад широтно-импульсного модулятора (драйвер ККМ) формирует на выводе 8 напряжение управления силовым транзистором VT1. Для частотной коррекции в цепи обратной связи усилителя ошибки тока включены элементы С7, С8, R8, а в цепи обратной связи усилителя ошибки напряжения — С5, С6, R16.

Рис. 3. Рабочее состояние ККМ и ШИМ-преобразователей в зависимости от напряжения V_пит в промежуточной цепи, по отношению к номинальному значению

    ККМ-преобразователь обеспечивает питание ПС после запуска, а также развязывает части схемы вторичной стороны, которые должны оставаться активными даже в режиме ожидания. Питание ПС после запуска реализуется с помощью отдельной вторичной обмотки (AUX1) дросселя L2 повышающего преобразователя.

    Выпрямленное с помощью мостового выпрямителя напряжение поступает на параметрический стабилизатор, выполненный на транзисторе VT3 и стабилитроне D11. Через обмотку AUX1 ток может протекать как при отпирании, так и запирании силового транзистора VT1 ККМ-преобразователя. Аналогично реализуется потенциально развязанное дополнительное напряжение vsbv (5 В/100 мА) для части схемы, активной в состоянии ожидания. Для питания ИС и дополнительных цепей в этом режиме имеется третья цепь управления ККМ-преобразователем, обеспечивающая его работу при половине номинальной частоты, когда ШИМ-преобразователь выключен, для того чтобы уменьшить потребляемую мощность и предотвратить повышение напряжения в промежуточной цепи. При этом контролируется напряжение на дополнительном выходе ККМ-преобразователя, разделённым через диод D6 (напряжение обратной связи снимается с делителя R1, R27 и поступает на вывод 20). Третья управляющая цепь активизируется, когда напряжение дополнительного выхода ККМ-преобразователя ниже номинального напряжения шины на 5%.

    В качестве ККМ-преобразователя могут быть использованы различные типы преобразователей, а именно, повышающий, обратноходовой или понижающе-повышающий. Однако повышающий преобразователь (рис. 1) является наиболее предпочтительным, поскольку позволяет достигать более высоких КПД при более простом исполнении.

ШИМ-преобразователь

    ШИМ-преобразователь (прямоходовой или обратноходовой) управляется с постоянной рабочей частотой, той же, что и ККМ-преобразователь. ШИМ-преобразователь стартует с мягкого пуска при напряжении шины вы-ше 80% от номинального значения. Время рабочего цикла ограничено 50%, чтобы исключить насыщение трансформатора. Фронт включения ШИМ-преобразователя отстаёт от ККМ-преобразователя на полпериода для того, чтобы избежать эффекта повышенных помех, возникающего при одновременном совпадении фронтов включения, особенно во время короткого замыкания. Кроме того, задержанные рабочие циклы ККМ- и ШИМ-преобразователей уменьшают нагрузку на конденсатор промежуточной цепи, поскольку ток потребления ШИМ преобразователя обычно совпадает с током, поступающим от ККМ-преобразователя.

    ШИМ-преобразователь работает в улучшенном токовом режиме управления с эффективным подавлением высокочастотных помех и импульсных токов из-за разряда паразитных емкостей при включении транзистора. Напряжение, пропорциональное току силового транзистора VT2, снимается с шунта R15 и поступает через фильтр R32, С21 на вывод 10. Для того, чтобы обеспечить эффективный размах базового пилообразного напряжения и одновременно подавление шумов и импульс-ных токов, имеющих место из-за разряда паразитных емкостей при включении силового транзистора, напряжение с датчика тока усиливается внутри ИС, результирующий сигнал увеличивается посредством постоянного напряжения и окончательно подаётся на низкочастотный фильтр первого порядка с внешним конденсатором С13. Широтно-импульсная модуляция реализуется по заднему фронту согласно пилообразному напряжению на выводе 15 и напряжению на выводе 14 (рис. 2). Это напряжение снимается с коллектора транзистора оптрона D3, питаемого от опорного напряжения vref (вывод 2) через резистор R25. Для подавления помех имеется фильтр на резисторе R35 и конденсаторе С22. Оптрон D3 обеспечивает функции потенциальной развязки. Регулируемый стабилитрон D2, включённый в выходную цепь последовательно с излучателем оптрона D3, выполняет одновременно функции источника опорного напряжения и усилителя ошибки. Частотная коррекция петли регулирования обеспечивается элементами С16, С17 и R21. Слежение за напряжением производится по одному из выходных каналов. Выходное напряжение устанавливается резистивным делителем R20, R19.

    Благодаря улучшенному токовому режиму управления достигается стабильная широтно-импульсная модуляция от максимальной нагрузки до её отсутствия. Окончательно, в случае условия отсутствия нагрузки ШИМ, схема может быть по желанию вы-ключена с помощью закоротки вывода 13 (PWM SS) на землю посредством управляемого транзистора VT4.

Управление затвором силовых транзисторов ККМ и ШИМ

    Для управления используется конфигурация схемы драйвера с двухполюсным питанием, с улучшенным управлением силовыми транзисторами и защитой их от нежелательных затворных перенапряжений. Для того, чтобы уменьшить потери на включение и минимизировать электромагнитное излучение, оба вывода управления затвором (выводы 8 и 10) оптимизированы для режима мягкого включения за счёт модуляции наклона напряжения на этапе включения. Наклон включения умеренный между 0 и 3 В, низкий — между 3 и 5 В и умеренный — от 5 до максимума 12 В. Это ведёт к ограничению тока диода на этапе выключения, обеспечивая мягкий режим переключения тока от диода к транзистору. Модуляция напряжения реализуется независимо от ёмкости нагрузки. С другой стороны, выходные каскады ИС обеспечивают быстрое выключение — с токовой способностью около 1,5 А в амплитуде.

    При падении напряжения ниже порога пониженного напряжения на выводе 9, выводы управления затвором принимают низкий уровень активности.

Пуск, контрольные функции и защита

    Энергоэффективный пуск ИС с типовым токовым потреблением 50 мкА реализуется при помощи высокоомного резистора R2. Конденсатор СИ цепи питания заряжается через этот резистор от выпрямленного сетевого напряжения. По достижении порога включения (14 В) ИС переходит в активный режим, осуществляя питание от заряженного конденсатора до появления питания от ККМ-преобразователя. Емкость конденсатора выбирается достаточной, чтобы питать ИС прежде, чем напряжение питания снизится до порога выключения 11 В. ККМ-преобразователь запускается с максимальной скважностью до тех пор, пока токовое ограничение или регулятор напряжения не уменьшит скважность. ШИМ-преобразователь запускается с мягким стартом, как только напряжение промежуточной цепи перейдёт порог пониженного напряжения, составляющего 80% от номинального напряжения шины.

    Для обоих преобразователей реализованы контроль и ограничение пиков тока силовых транзисторов. Информация о токе транзистора VT1 ККМ-преобразователя поступает на вывод 6 с шунта R6 через фильтр R3, С10. Для токоограничения ШИМ-преобразователя используется сигнал, поступающий на вывод 11. Когда активизируется это токовое ограничение, будет немедленно закрыт соответствующий выход управления затвором силового транзистора VT1 (вывод 8) или VT2 (вывод 10).

    При контроле напряжения промежуточной цепи применяются четыре функциональных уровня (рис. 3). Если напряжение промежуточной цепи менее 20% от номинального, то оба выхода управления блокированы. При напряжении менее чем 80% остаётся блокированным выход управления ШИМ-преобразователем, а ККМ-преобразователь работает на половине номинальной частоты. Если напряжение промежуточной цепи превысит 110% от номинального, включается быстрая, но мягкая защита, уменьшая до нуля выходной ток умножителя. Если напряжение превысит 120%, тогда каскады управления ККМ- и ШИМ-преобразователей блокируются и остаются в этом состоянии до тех пор, пока напряжение в промежуточной цепи не снизится до 110%. При снижении напряжения на выводе 19, например, до нуля, при размыкании цепи на выходе управления ККМ-преобразователем будет немедленно установлен низкий уровень напряжения. Таким образом, разорванное соединение промежуточной цепи, падение напряжения и перенапряжение определяются простым делителем напряжения, и, благодаря эффективной системе контроля, значительно улучшается надёжность источника питания и устойчивость по отношению к колебаниям напряжения.

    Цепи регулирования и контроля напряжения промежуточной цепи имеют раздельные входы (выводы 17, 19). Наличие двух делителей напряжения позволяет изменять порог реакции предела перенапряжения на выходе ККМ относительно номинального промежуточного напряжения от 110% до 105%.

Пример использования: источник питания персонального компьютера

    Блок питания персонального компьютера (ПК) с требованием по мощности до 150 Вт имеет ряд выходов: 5 В/18 А; 12 В/4 А; 12 B/0,7 A; 5 В/ 0,3 А; 5 В/0,1 А (режим покоя). Обеспечивает применение для электрических сетей всего мира (диапазон входных напряжений 90–270 В) и соответствие требованиям МЭК IEC 1000-03 по содержанию высших гармоник в потребляемом токе.

    Типичные данные для параметров, измеряемые для установленной выходной мощности 150 Вт при рабочей частоте 100 кГц, приведены в табл. 2. Особыми моментами являются низкие допуски (разбросы) выходных напряжений при работе от полной нагрузки до её отсутствия и стабилизированное напряжение промежуточной цепи постоянного тока, даже в режиме ожидания. Блок питания ПК 150 Вт обычно монтируется в системный блок ПК и имеет типовое конструктивное исполнение.

Тел.: (095) 362 7422
E-mail: pel@srv-vms