Нові ШІМ-контролери фірми Texas Instruments (Unitrode)

За більш ніж 10 років, що минули з моменту розробки компанією Unitrode ШИМ-контролерів серії UC38хх, на них базується близько 2/3 світового обсягу виробництва DC/DC-перетворювачів та AC/DC імпульсних джерел живлення середньої потужності. Успішність початкової конструкції підтверджується надійністю ІІП, випущених за ці роки мільйонними тиражами. Ці мікросхеми стали, фактично, "промисловим стандартом" і клоновані в різних модифікаціях майже всіма виробниками інтегральних схем: Fairchild, LG, ON Semiconductor, Philips, Samsung, ST Microelectronics, Texas Instruments та іншими. Значна частина мікросхем з маркуванням UC38хх випускається безіменними азіатськими фірмами з дуже невисокою якістю.

Після придбання Unitrode компанією Texas Instruments у 1999 році значно розширилися дослідницькі роботи щодо впровадження нових технологій та розробки сучасної схемотехніки імпульсних перетворювачів. За результатами минулого року, компанія Texas Instruments займає 4 місце серед провідних постачальників мікросхем, з річним оборотом 6,2 млрд доларів, 18% з яких традиційно вкладаються в перспективні дослідження. Розробки ШІМ-контролерів, що тривають в даний час, йдуть по ряду напрямків:

  • перехід з біполярної на БіКМОП-технологію зі зниженням споживаного струму;
  • підвищення граничної робочої частоти;
  • використання синхронного випрямлення;
  • розвиток контролерів для напівмостових, мостових та багатофазних інверторів;
  • запровадження додаткових споживчих функцій, спрямованих на підвищення економічності та надійності джерел (коректор коефіцієнта потужності - ККМ, "м'яке" включення/відключення тощо).

Рушійною силою нових розробок є вимоги ринку:

  • підвищення ККД джерел живлення;
  • зниження напруги живлення сучасної елементної бази високого ступеня інтеграції та швидкодії до 3,3√1,2 В, та у субвольтовий діапазон у найближчому майбутньому;
  • підвищення якості низьких напруги живлення: точності, динамічної стабільності, зниження пульсацій.

Розглянемо нові мікросхеми Texas Instruments (Unitrode) докладніше.

UCC38C40√UCC38C45 - БіКМОП-версія популярних мікросхем UC3840√UC3845. Робоча частота підвищена до 1 МГц. Пусковий струм знижений до 50 мкА. Не вимагає зовнішнього драйвера ключового транзистора. Призначені для малогабаритних DC/DC- і AC/DC-перетворювачів. При потужностях, менших 20 Вт, ІІП, виконані на первісному варіанті UC384x, програвали традиційним 50-Гц трансформаторам за розмірами та вартістю. БіКМОП-технологія зсуває вниз до 5┘10 Вт межу раціональної застосовності ІІП, дозволяючи створювати більш компактні та економічні вироби.

Отримують зараз поширення мікросхеми для побудови ІІП з інтегрованим високовольтним транзистором мають у своєму складі той же ШІМ-контролер, аналог UC384х. Ці мікросхеми є, як правило, гібридними, оскільки поєднують в одному корпусі кристали, виготовлені за різними технологіями. Вони більше схильні до імпульсних перешкод, замикання і температурного дрейфу через близькість ключового транзистора до схеми управління. З іншого боку, комплект з дискретного МОП-транзистора та UC384х поводиться стійкіше. За ціною ж таке традиційне рішення дає фору гібридним контролерам на 15┘20%, завдяки зниження цін на транзистори, що продовжується, в поєднанні з дешевими мікросхемами контролерів Texas Instruments.

UCC35705, UCC35706 - високочастотні ШІМ-контролери (більше 4 МГц) длястворення однотактних DC/DC або AC/DC-перетворювачів до 200√250 Вт. Діапазон напруги живлення 4:1. Ці мікросхеми випускаються у малогабаритних 8-вивідних корпусах. Необхідно врахувати, що для коректної роботи на максимальній частоті необхідний зовнішній драйвер ключового транзистора, в якості якого може бути використана одна з недорогих мікросхем TPS281x серії (покращений варіант IR442x IRF).

UC28025 – подальший розвиток мікросхеми UC3825. UC28025 – двотактний, багаторежимний універсальний контролер для побудови напівмостових джерел потужністю до 800 Вт. Оптимізовано для високочастотних застосувань. Мікросхема має широкий діапазон напруги живлення 9┘30 В та "м'який" запуск. Потужний вихідний каскад розрахований на струм 1,5 А і, в більшості додатків, не вимагає зовнішнього драйвера ключових транзисторів. На рис. 1 представлена ​​типова схема малогабаритного 50-Вт DC/DC-перетворювача UC28025, робоча частота - 1,5 МГц.

шім-контролери

UCC28220, UCC28221 - двофазні ШІМ-контролери, оптимізовані на струм навантаження, що діє, 50√100 А. Частота комутації фаз - 1 МГц, зсув - 180 градусів. Мають незалежний контроль та активне вирівнювання струмів фаз. Ці мікросхеми найбільше підходять для живлення систем зв'язку (вхідна напруга - 36√76 В) або зварювального обладнання завдяки специфіці двофазної схеми (мінімальний час реакції на імпульсний струм навантаження та мінімальні пульсації вихідної напруги). Типова спрощена схема включення наведено на рис. 2.

instruments

UCC3895 - подальший розвиток серії мікросхем універсальних контролерів для побудови резонансних мостових перетворювачів із фазовим зсувом на потужності до 2 кВт UC3875√UC3878. Специфічні особливості контролера: "м'яка" комутація вихідних транзисторівпри нульовій напрузі, програмована затримка перемикання, плавне включення та вимикання пристрою за зовнішнім керуючим сигналом. Робоча частота – до 1 МГц. Потрібен зовнішній драйвер МОП-транзисторів. Типова спрощена схема включення UCC3895 наведена на рис. 3.

instruments

Йдучи шляхом підвищення ступеня інтеграції, компанія Texas Instru-ments (Unitrode) розробила мікросхеми UCC38500√UCC38503, UCC28510√UCC28517, що поєднують ШІМ-контролер і коректор коефіцієнта потужності (ККМ) в одному корпусі. ККМ являє собою первинний імпульсний стабілізатор, що підвищує, включений між діодним мостом і високовольтним накопичувальним конденсатором, модулюючий споживаний струм синфазно з вхідною напругою, наближаючи коефіцієнт потужності до одиниці. Реальне значення коефіцієнта потужності становить 0,98√0,99 при навантаженні 60√100% від максимального при 3√5% гармонічних спотворень струму. Поєднання ШІМ та ККМ в одному корпусі дозволило взаємно синхронізувати їх для зниження перешкод та підвищення ККД, а також реалізувати "м'який" запуск джерела з обмеженням струму без застосування додаткових компонентів. Потужні вихідні каскади UCC2851x не потребують зовнішніх драйверів ключових транзисторів.

Застосування ККМ може бути актуальним для розробника в кількох випадках:

  • значна потужність перетворювача та, відповідно, підвищені вимоги до вхідних ланцюгів;
  • дуже широкий діапазон вхідної напруги (60√280 В);
  • підвищені вимоги до електромагнітної сумісності;
  • виробництво високотехнологічної продукції, в тому числі, і на експорт, де наявність ККМ в AC/DC-перетворювачах необхідна вже з 75 Вт.

Для знайомства та макетування рекомендується модуль оцінювання ІІП, що випускається Texas Instruments(Unitrode), UCC38500EVM з універсальним входом, виходом 12 при 8,3 А і ККМ, показаний на рис. 4. У ньому застосована мікросхема UCC38500 у напівмостовому включенні.

instruments

У багатьох випадках виникає необхідність створення ІІП незначної потужності, при мінімальних розмірах та ціні. Рішення, пропоноване фірмою Texas Instruments, - мікросхеми UCC3888 та UCC3889. Це ШИМ-контролери, призначені для перетворювачів з 80┘400 В 5 або 12 В без гальванічної розв'язки. UCC388x використовують оригінальну технологію двоступеневого послідовного перетворення на одному ключовому транзисторі, запатентовану компанією Lambda Electronics. Значне спрощення конструкції перетворювачів та зниження ціни досягається застосуванням двох стандартних індуктивностей замість традиційного ізолюючого трансформатора. Висока частота перетворення (близько 100 кГц) дозволяє використовувати компоненти лише поверхневого монтажу. Відрізняються мікросхеми діапазонами вихідних напруг: UCC3888 розрахована на стабілізацію 2,7 5 В, а UCC3889 - на 12 18 В. Допустима потужність навантаження близько 1 Вт при ККД перетворювачів до 60%.

Дешеві малогабаритні неізольовані джерела живлення ідеально підходять для лічильників електроенергії, розподілених датчиків систем контролю доступу або віддалених контролерів у системах автоматичного керування об'єднаних локальною мережею. В останньому випадку розв'язка може бути легко забезпечена оптроном або імпульсним трансформатором каналу зв'язку. Типову схему включення UCC3889 наведено на рис. 5.

unitrode

Окремо варто згадати нові драйвери МОП/IGBT-транзисторів, призначені для застосування у потужних перетворювачах. Вони необхідні для:

  • підвищення стійкості керуючого ШІМ-контролера прироботі на значних потужностях (понад 500 Вт) або на високих частотах (понад 100 кГц);
  • зниження втрат при перемиканні за рахунок зменшення його тривалості завдяки низькому опору вихідного каскаду push-pull драйвера.

Сучасні мікросхеми одноканальних (UCC37321, UCC37322) та двоканальних (UCC37323┘5) драйверів, виконані за БіКМОП-технологією у 8-вивідних корпусах. Відмінності між мікросхемами серії полягають у наявності інверсного каналу; крім того, UCC37321/2 розраховані на вихідний струм ╠9 А, а UCC37323/5 - на ╠4 А. Усі вони мають швидкість наростання/спаду імпульсу близько 25 нс. Інтерфейс UCC37325 з транзистором верхнього плеча реалізується підключенням малогабаритного імпульсного розділового трансформатора між виходами драйвера, що працюють у протифазі. Драйвери МОП-транзисторів серій UCC27221, UCC27222 призначені для низьковольтних DC/DC-перетворювачів із синхронним випрямленням без гальванічної розв'язки.

UCC27221/2 сполучаються з будь-яким однотактним ШІМ-контролером, керуючи транзисторами і силового ключа та випрямляча, відрізняючись один від одного лише наявністю інверсії входу. Особливість цих драйверів у формуванні сигналу управління синхронним випрямлячем на підставі адаптивного передбачення моменту відкриття внутрішнього діода відповідного МОП-транзистора. Своєчасно відкритий канал транзистора повністю приймає він струм діода, мінімізуючи падіння напруги на випрямлячі. Використаний алгоритм передбачення моментів перемикання транзистора синхронного випрямляча дозволяє знизити майже вдвічі втрати на частотах понад 400 кГц та вихідну напругу менше 3,3 В.

Мікросхеми розраховані на вихідний струм до 3,3 А. Типова схема включення UCC27222 наведена на рис. 6.

texas

Корисно знати систему позначень фірми Texas Instruments (Unitrode): префікс UCC означає БіКМОП, а UC – біполярну технологію виробництва. Розширений робочий температурний діапазон -55┘+125ºC мають мікросхеми, номери яких починаються з цифри 1, індустріальний діапазон -40┘+85ºC позначається цифрою 2, комерційний 0┘+70ºC - цифрою 3 (наприклад, UC1842, UC2842 та UC2842). Комерційний та індустріальний варіанти мають усі мікросхеми виробництва Texas Instruments. Суфікс N відповідає пластмасовому DIP-корпусу, суфікси D та DW – SOIC, PW – TSSOP-корпусу.

Продукція фірми Texas Instruments заслуговує на особливу увагу як "встановлює традиції" і має найбільшу кількість практичних реалізацій і технічних напрацювань. Незважаючи на значну консервативність схемотехнічних рішень, що реалізуються вже більше 10 років, використаних в імпульсних перетворювачах на основі серії UC38хх, нові цікаві мікросхеми контролерів з'являються регулярно і вимагають від розробників постійної уваги, поінформованості і чекають свого впровадження.

Для кожної із мікросхем ШІМ-контролерів фірма Texas Instruments пропонує оціночні модулі, на яких можна досконало дослідити необхідні режими роботи та варіанти включення. Така можливість важлива для швидкої перевірки проектованого ІІП та вивчення його поведінки у реальних умовах.