Импульсный контроллер. Обзор схем современных блоков питания

Современный рынок источников питания предлагает разработчику широкий выбор различных изделий электроники, каждое из которых в той или иной степени готово к решению поставленных перед инженерами задач. Данная статья имеет перед собой цель рассмотреть и помочь выбрать оптимальные решения из предложений наиболее известных игроков рынка импульсных источников питания.

Введение

Раньше системам питания в функциональной схеме на этапе проектирования очень часто уделялось внимание уже на завершающей стадии, многие специалисты недооценивали их возможность по усовершенствованию изделия в целом. В последнее время тенденции развития электронной промышленности поставили на первый план перед разработчиками такие задачи, как уменьшение энергопотребления, массогабаритных характеристик, времени разработки и конечной стоимости изделия. Такие требования изменили некогда второстепенное отношение к узлам осуществления питания устройства, ведь во многом именно от них зависит способность конечного продукта быть конкурентоспособным, выдерживая жесткие требования рынка.

На сегодняшний день ведущие позиции в этой области традиционно занимает компания Power Integration. Продукция этой фирмы хорошо известна, технология применения многократно отработана, что и является фактором, который перевешивает чашу весов в ее сторону.

В качестве конкурирующих продуктов рассмотрим предложение в области источников питания от компании Fairchild Semiconductor. Эта компания уже давно зарекомендовала себя в области силовой электроники, предлагая недорогие, качественные и многофункциональные решения. Как правило, продукция этого производителя ориентирована на области, требующие высокой степени надежности и производительности.

Источники питания

Фактически все изделия электронной промышленности нуждаются в питании постоянным током от аккумуляторной батареи или источника питания. Помимо того, большинство приборов имеет повышенные требования к его качеству. Напряжение необходимо регулировать и защищать от возникающих пульсаций. Всего существует три типа силовых преобразователей:

• DC\DC-конвертер;
• AC\DC-источник питания;
• DC\AC-инвертор.

Идеальный источник должен формировать требуемые значения напряжений, несмотря на изменение окружающей температуры, нагрузки или входного напряжения. При этом он должен обладать 100%-ной эффективностью. На рис. 1 можно увидеть недостатки реального источника питания.

Рис. 1. Реальный источник питания

На сегодняшний день существуют линейные и . Импульсное преобразование интересно из-за высокой эффективности и удельной мощности. В таблице сравниваются некоторые из основных особенностей линейных и импульсных источников питания. Стабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок, но в импульсных источниках питания часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие параметры выходного напряжения.

Таблица. Сравнение импульсных и линейных источников питания

Наконец, импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает 10% от номинального значения, что оказывает прямое влияние на КПД. У импульсных источников влияние изменения величины входного напряжения на КПД очень незначительное или вообще отсутствует, а широкий рабочий диапазон входных напряжений дает возможность работать при сильных изменениях напряжения сети (до 40%). Наиболее часто применяемой (благодаря своим достоинствам) является схема обратноходового преобразователя (рис. 2). Разработано множество микросхем управления данными преобразователями. Существуют как микросборки, использующие внешний силовой транзистор, так и включающие силовой элемент в свой состав, что уменьшает его габариты.

Рис. 2. Схема обратноходового преобразователя с согласующим трансформатором и гальванической развязкой

В недалеком прошлом реализация метода широтно-импульсной модуляции и контроля характеристик осуществлялась за счет дискретных элементов. Появление интегральных схем, берущих на себя эти функции, намного упростило процесс разработки и в несколько раз уменьшило габаритные размеры источников питания (рис. 3). Лидерами в производстве интегральных схем управления источниками питания являются компании Power Integrations и Fairchild Semiconductor.

Рис. 3. Эволюция источников питания

Регуляторы напряжения компании Power Integrations

Вот приспичило вам сделать себе могучую светодиодную хреновину, чтобы моргала и переливалась. Да еще в RGB и плавненько так. Собрали вы это дело, поглядели на количество каналов которыми нужно рулить и призадумались…

▌А что не так с ШИМ?
Да все с ним хорошо, только аппаратных каналов обычно всего несколько штук. А программный ШИМ имеет ряд недостатков. Да, можно взять и на базе , используя всего один таймер собрать многоканальный ШИМ, но сколько у нас будет вызовов прерываний?

Каждый отдельный фронт потребует своего прерывания на смену уровня. А представьте, что у нас этих каналов будет не 4, а 40? Или 400? Да контроллер из прерываний вылезать не будет. Прерывания будут налезать друг на друга, порождая джиттер. Не говоря уже о том, что все эти каналы надо будет при любом изменении скважности заново сортировать по длительности. В общем, тупилово будет еще то.

▌Нас спасет BAM
Но решение есть. Зовется этот метод BAM. Суть его в том, что мы включаем нагрузку импульсами, поразрядно, с длительностью равной весу разряда.

В результате мы имеем высокую дискретность, но при этом у нас всего 7 прерываний на любое число каналов. Соответственно разрядам.

Интегрируется все аналогично обычному ШИМу. Но есть ряд нюансов:

1. Частота плавает и на малых разрядах она повышается. Для светодиода или грелки это наплевать. А вот двигатель или еще какую нагрузку с реактивными элементами вроде обмоток или емкостей я бы таким сигналом питать не стал.
2. При переходе с малых весов к одному большому наблюдается мерцание. Но с этим можно бороться, подробности ниже.
3. Выдавать вес лучше с большего к меньшему, так меньше заметно влияние второго пункта.

Микросхемы для импульсных источников питания. Справочник.
Издательство: Додэка.

Очень неплохой справочник. Замечателен тем, что является… самым обычным переводом даташитов. Один в один, картинка в картинку.
Переведенных даташитов там тьма, один только перечень в четыре колонки занимает десяток страниц. Все импульсные микросхемы которые знал там нашел! А что особенно радует, так это то, что есть документация на отечественную комплектуху. С коей вечно проблемы. Если аналог не подберешь, и не дернешь бумагу на него — пиши пропало.

DC-DC преобразование
Для изменения напряжения постоянного тока с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ , она же PWM по басурмански). Если не читал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал принцип работы ШИМ , то я кратенько тебе напомню. Основной принцип тут в том, что напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой.

То есть у тебя на выходе ШИМ контроллера, например, сначала в течении десяти микросекунд напряжение, к примеру, двенадцать вольт, потом идет пауза. Скажем, те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет. Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник.

Таким образом у нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно интегрирование, то после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.
В качестве интегратора служит конденсатор, он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также туда всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток. Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и при этом почти не расходуют энергию на лишний нагрев.

Если не догнал, то я для простоты переложил это в понятное «канализационное русло» . Смотри на картинку, где ключевой транзистор ШИМ контроллера похож на вентиль , он открывает и закрывает канал. Конденсатор это банка, накапливающая энергию. Дроссель это массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком, при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля.

Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, требуется неслабое образование в области электроники, но не стоит напрягаться по этому поводу. Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips ’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы содержащие в себе ШИМ контроллер. Тебе остается его лишь припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем изобретать самому ничего не надо, в datasheet’ах подробно расписано что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дают готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский:)

Пока писал статью про UART пришла в голову одна извращенная идея — на базе UART же можно организовать самый натуральный низкодискретный ШИМ!

Достаточно только сделать где-нибудь в памяти переменную, куда мы будем совать число с заданной скважностью нулей и единиц, а по прерыванию опустошения буфера это число снова пихать в регистр UDRE. Таким образом, генерация ШИМ будет самопроизвольной, без лишних телодвижений. Правда можно получить всего 10 разных значений ШИМ, но зато нахаляву!!!

Для тех кто не понял как, приведу числа которые надо будет непрерывно слать через UART:
два дополнительных значения мы получим за счет старт и стоп битов.

00000000 — 1/10
00000001 — 2/10
00000011 — 3/10
00000111 — 4/10
00001111 — 5/10
00011111 — 6/10
00111111 — 7/10
01111111 — 8/10
11111111 — 9/10

Да и частоты там можно получить нефиговые!
Красота!=)))))

Вот уже несколько раз я ругался странным словом ШИМ . Пора бы внести ясность и разьяснить что же это такое. Вообще, я уже , но все же повторюсь в рамках своего курса.

Вкратце, Широтно Импульсная Модуляция (в буржуйской нотации этот режим зовется PWM — Pulse Width Modulation ) это способ задания аналогового сигнала цифровым методом , то есть из цифрового выхода, дающего только нули и единицы получить какие то плавно меняющиеся величины. Звучит как бред, но тем не менее работает. А суть в чем:

Представь себе тяжеленный маховик который ты можешь вращать двигателем. Причем двигатель ты можешь либо включить, либо выключить. Если включить его постоянно, то маховик раскрутится до максимального значения и так и будет крутиться. Если выключить, то остановится за счет сил трения.

А вот если двигатель включать на десять секунд каждую минуту, то маховик раскрутится, но далеко не на полную скорость — большая инерция сгладит рывки от включающегося двигателя, а сопротивление от трения не даст ему крутится бесконечно долго.

Чем больше продолжительность включения двигателя в минуту, тем быстрей будет крутится маховик.
При ШИМ мы гоним на выход сигнал состоящий из высоких и низких уровней (применимо к нашей аналогии — включаем и выключаем двигатель), то есть нулей и единицы. А затем это все пропускается через интегрирующую цепочку (в аналогии — маховик). В результате интегрирования на выходе будет величина напряжения, равная площади под импульсами.
Пропорциональное управление – залог тишины!
Какая задача ставится перед нашей системой управления? Да чтобы пропеллеры зря не вращались, чтобы зависимость скорости вращения была от температуры. Чем горячее девайс — тем быстрей вращается вентилятор. Логично? Логично! На том и порешим.
Заморачиваться с микроконтроллерами конечно можно, в чем то будет даже проще, но совершенно не обязательно. На мой взгляд проще сделать аналоговую систему управления — не надо будет заморачиваться с программированием на ассемблере.

Будет и дешевле, и проще в наладке и настройке, а главное любой при желании сможет расширить и надстроить систему по своему вкусу, добавив каналов и датчиков. Всё что от тебя потребуется это лишь несколько резисторов, одна микросхема и термодатчик. Ну а также прямые руки и некоторый навык пайки.

В данной статье мы поговорим с вами о шим контроллерах : что это, для чего и где применяется.

ШИМ – широтно-импульсный модулятор.

Для преобразования напряжения в телевизионной аппаратуре и других электронных устройствах используются ШИМ контроллеры . С помощью прибора удалось внедрить в производство инновационные идеи и новые технологии. Основными преимуществами ШИМ-контроллеров являются скромные габариты, отличные показатели быстродействия и высокая надежность.

Наиболее востребованы ШИМ контроллеры при изготовлении модулей питания импульсного типа. Постоянное напряжение на входе устройства преобразуется в импульсы прямоугольной формы, формируемые с определенной частотой и скважностью. С помощью управляющих сигналов на выходе устройства удается осуществлять регулирование работы транзисторного модуля большой мощности. В результате разработчики получили блок управления напряжением регулируемого типа.

В телевизионной аппаратуре компактные ШИМ-контроллеры весьма востребованы. Кроме того, устройства используются в другой электронной аппаратуре, а также в качестве узлов системы управления скоростью электроприводов в бытовых приборах. В зависимости от параметров системы и управляющего сигнала, ШИМ-контроллеры меняют скорость движения силового агрегата. Обратная связь может быть выполнена как по значению силы тока, так и по уровню напряжения.

Типовая конструкция ШИМ-контроллера, используемого в телевизионной и другой электронной аппаратуре, характеризуется наличием нескольких выходов. Общий вывод соединен с аналогичным контактом схемы подачи питания модуля. Вывод контроля питания и вывод питания расположены рядом друг с другом. Первый из них отвечает за контроль напряжения на выходе схемы и отключает ее при снижении значения ниже пороговой величины. Второй вывод отвечает за энергоснабжение схемы .

Напряжение на выходе снимается с соответствующего вывода. Существуют двухплечевые и одноплечевые ШИМ-контроллеры. Первые из них применяются для управления стандартными транзисторами. При необходимости их закрытия, контроллер замыкает соответствующий контакт на общий кабель. При работе с транзистором биполярного типа применяется одноплечевой каскад, так как для регулировки требуется изменение силы тока. Для отключения транзистора необходимо запретить прохождение тока. Поэтому замыкание на общий контакт не используется.

ШИМ-контроллеры, используемые в телевизионной аппаратуре, характеризуются наличием следующих возможностей:

• Устройства способны вырабатывать опорное напряжение с высокой степенью точности. Зачастую данный вывод коммутируется с общим проводом. При этом используется емкость значением 1 мФ и более, что позволяет повысить качество стабилизации выходного значения.

• Ограничитель тока срабатывает при значительном превышении напряжения на соответствующем выводе над пороговым. В этом случае происходит автоматическое отключение силовых ключей.

• Мягкий старт используется для постепенного увеличения величины импульсов на выходе до расчетных показателей. Наличие емкости между соответствующим выводом и общим проводом приводит к ее постепенной зарядке. В результате каждый импульс становится шире вплоть до достижения требуемой величины.

Современные источники питания для различной аппаратуры проектируются на основе ШИМ-контроллеров. От качества компонентов зависит срок жизни модуля. Основная цель, для которой ШИМ-контроллеры включаются в схемы источников напряжения, это обеспечение стабильной величины напряжения на выходе. Небольшие габариты контроллеров дают им преимущество перед стандартными схемами с использованием трансформаторов.

ШИМ-контроллеры, применяемые в источниках питания , кроме стабилизации выходного напряжения, реализуют еще несколько дополнительных возможностей. Использование широтно-импульсной модуляции позволяет осуществить контроль величины сигнала. При этом имеется возможность менять протяженность импульса и скважность.

ШИМ-контроллеры обладают высокими показателями КПД, что позволяет значительно расширить область их использования. Особенно это касается аппаратуры для воспроизведения звука. Кроме того, при использовании в источниках питания ШИМ-контроллеров, значительно расширяется диапазон доступных мощностей прибора.

Устройства на базе ШИМ-контроллеров являются универсальными и могут использоваться не только в телевизионной аппаратуре, но и во многих других приборах. Блоки питания различного электрооборудования реализуются на основе данных контроллеров. Использование устройств позволяет сократить затраты на эксплуатацию оборудования и повышает его качество работы. Высокий КПД делает разработку источников на ШИМ-контроллерах перспективным и востребованным направлением деятельности.

В статье приводится обзор ШИМ-контроллеров компании ON Semiconductor, которые являются прекрасной основой для построения современных сетевых импульсных источников питания. Известный производитель и мировой эксперт в области электропитания и энергосбережения, компания ON Semiconductor предлагает широкую номенклатуру микросхем ШИМ-контроллеров для выбора. Микросхемы характеризует невысокая стоимость, высокая эффективность преобразования, экономичность за счет понижения энергопотребления в дежурном режиме, высокая надежность, обеспечиваемая наличием комплекса встроенных защит, а также низкий уровень ЭМИ.

Введение

Сетевой источник питания - один из самых ответственных узлов в структуре электронной аппаратуры. Наиболее важные параметры сетевого преобразователя: рабочий диапазон входного напряжения, потребляемая мощность в дежурном режиме, габаритные размеры, надежность, электромагнитная совместимость и себестоимость. Подавляющее большинство современной аппаратуры с питанием от сети использует импульсные источники питания. Сетевой импульсный источник питания обеспечивает гальваническую развязку выходных цепей от сетевого напряжения. Развязка обеспечивается за счет использования импульсного трансформатора в силовой цепи и оптрона в цепи обратной связи.

Ключевым элементом импульсного сетевого источника питания является микросхема ШИМ-контроллера. Основная функция ШИМ-контроллера - управление силовым транзистором (транзисторами), стоящим в первичной цепи импульсного трансформатора, и поддержание выходного напряжения на заданном уровне, используя сигнал обратной связи. Структура современных ШИМ-контроллеров обеспечивает и дополнительные функции, повышающие эффективность и надежность источника питания:

• ограничение тока и скважности импульсов в цепи управления силовыми транзисторами;
• плавный запуск преобразователя после подачи питания (Soft Start);
• встроенный динамический источник питания от высоковольтного входного напряжения;
• контроль уровня входного напряжения с устранением «провалов» и «выбросов»;
• защита от КЗ в цепи силового трансформатора и выходных цепей выходного выпрямителя;
• температурная защита контроллера, а также ключевого элемента;
• блокировка работы преобразователя при пониженном и повышенном входном напряжении;
• оптимизация управления для дежурного режима и режима с пониженным током в нагрузке (пропуск циклов или переход на пониженную частоту преобразования);
• оптимизация уровня ЭМИ.

Рассматриваемые в статье ШИМ-контроллеры не имеют встроенного силового транзистора, управляющего током в первичной цепи силового трансформатора.

Базовые параметры режима управления силовым каскадом

В зависимости от требований конкретного применения в контроллере могут использоваться разные схемы выходного каскада управления силовым ключом, тип управления по цепи обратной связи (по току или по напряжению), а также различный частотный режим преобразования. Тип выходного каскада ШИМ-контроллера определяет и топологию преобразователя.

Типы топологии сетевых преобразователей:

• обратноходовой;
• прямоходовой;
• двухтактный;
• полумостовой;
• мостовой;
• квазирезонансный.

В таблице 1 показаны характеристики базовых топологий схем, используемых при построении импульсных сетевых источников питания.

Таблица 1. Базовые топологии схем, применяемые при построении импульсных источников питания

Обратноходовой преобразователь

Основная схема, по который выполнены многие маломощные импульсные источники питания, - это обратноходовой преобразователь (рис. 1). Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Модуляция ширины импульса - это метод управления, основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному при постоянной частоте. В обратноходовом преобразователе длительность включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

Рис. 1. Типовая схема Flyback-преобразователя

Прямоходовой преобразователь

Другая популярная конфигурация импульсного источника питания известна как схема прямоходового преобразователя и показана на рис. 2. Хотя эта схема очень напоминает обратноходовую схему, имеются и некоторые фундаментальные различия. Прямоходовой преобразователь накапливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности (дросселе). Точки, обозначающие начало обмоток на трансформаторе, показывают, что, когда ключевой транзистор открыт, во вторичной обмотке появляется напряжение, и ток течет через диод VD1 в катушку индуктивности. У этой схемы большая продолжительность включенного состояния ключа относительно выключенного состояния, более высокое среднее напряжение во вторичной обмотке и более высокий выходной ток нагрузки.

Рис. 2. Прямоходовой преобразователь напряжения сети

Двухтактный прямоходовой преобразователь

На рис. 3 показан двухтактный преобразователь, который является разновидностью прямоходового преобразователя за исключением того, что оба ключа включены в цепь первичной обмотки трансформатора.

Рис. 3. Схема двухтактного прямоходового преобразователя

В номенклатуре ШИМ-контроллеров ON Semi представлены микросхемы, имеющие различную топологию выходного каскада, тип управления, частотный режим управления, а также дополнительные встроенные функции. В таблице 2 представлены основные параметры ШИМ-контроллеров ON Semi, выпускаемых в настоящее время.

Таблица 2. Основные параметры ШИМ-контроллеров ON Semi для сетевых импульсных источников питания

Следует отметить, что структура микросхем ШИМ-контроллеров последних разработок очень похожа. Основные различия определяются типом топологии, режимом регулирования (по току/напряжению), режимом частотного управления (частота постоянная или варьируемая), а также логикой работы при обнаружении критических ситуаций. Структура ШИМ-контроллера содержит логику, задающую автомат состояний. Схема автомата переходов реализована на компараторах, триггерах, таймерах и элементах логики. Основные состояния контроллера: начальный пуск частотного генератора, выход на рабочий режим, адаптивное слежение за током нагрузки и выбор оптимального режима, обнаружение критических ситуаций, переход в аварийный режим, автовосстановление после сбоев.

Защита и безопасность работы

Сетевые преобразователи должны обеспечивать достаточный уровень безопасности при работе без деградации характеристик силовых элементов в случае возникновения токовых перегрузок вследствие коротких замыканий в обмотках трансформатора или в нагрузке. КЗ обнаруживается в первую очередь по внезапному исчезновению сигнала обратной связи через оптрон. Нужно отключить драйвер выходного транзистора, чтобы предотвратить перегрев транзистора и насыщение трансформатора. Однако и в процессе запуска сигнал обратной связи также отсутствует некоторое время. Нужно идентифицировать эти две ситуации. В некоторых недорогих контроллерах защита от КЗ не реализована. В таких случаях возникновение КЗ приведет к неконтролируемым последствиям и может в считанные секунды привести к разрушению силовых элементов преобразователя. КЗ может быть нескольких типов - в самой нагрузке, в обмотках, в электролитическом конденсаторе выходного выпрямителя, выпрямительных диодах. Введение детерминируемых состояний увеличивает сложность автомата, но повышает надежность работы преобразователя.

Функция блокировки при аварийных ситуациях

При выборе подходящего для применения контроллера особое внимание разработчик должен обращать на логику автомата состояний, особенно на логику отработки аварийных ситуаций. Переход в аварийный режим при обнаружении критических ситуаций может предусматривать как принудительное ограничение тока, так и полную блокировку работы преобразователя. При блокировке останавливается задающий ШИМ-генератор и запрещается подача активного сигнала для силового транзистора. В зависимости от типа или модификаций микросхем возможны два сценария блокировки (Latch).

В первом случае после срабатывания блокировки преобразователь «защелкивается» в этом состоянии и не меняет его, даже если условие, вызвавшее это состояние, уже пропало. Восстановление работы преобразователя возможно лишь после выключения сетевого напряжения и повторного включения питания.

Во втором случае реализуются попытки автовосстановления (autorecovery) нормальной работы преобразователя. Для этого в структуре контроллера запускается таймер на время около 1,5 с. После истечения этого времени контроллер вновь проверяет наличие критических ситуаций, и если они сохраняются, блокировка остается. В этом случае светодиодный индикатор сетевого источника будет мигать с периодом 1,5 с. Автовосстановление происходит только при срабатывании по понижению напряжения.

Встроенный динамический источник питания

Встроенный динамический источник тока стартового питания (Dynamic Self-Supply, DSS) гарантирует надежный запуск преобразователя и в то же время - низкое потребление в выключенном состоянии. Встроенный динамический источник питания значительно упрощает дизайн импульсного трансформатора, потому что отпадает необходимость в использовании дополнительной обмотки для питания микросхемы.

Источник динамического питания обеспечивает питание контроллера при старте преобразователя, а также питает схему контроллера в тех случаях, когда напряжение питания на обмотке питания контроллера кратковременно пропадает, например при перегрузках. Стартовый генератор тока микросхемы обеспечивает плавный запуск преобразователя. После запуска преобразователя питание производится от питающей обмотки трансформатора. Есть модификации микросхем, в которых нет источника динамического питания и питание производится всегда только от линии высокого напряжения. С одной стороны, это приводит к повышению потребления, а с другой - не требует наличия дополнительной питающей обмотки трансформатора. Вход высоковольтного питания имеет детектор пониженного питания, который позволяет выключить контроллер (brown-out condition) или слишком высокое напряжение (line overvoltage). Эта защита работает как с переменным, так и выпрямленным входным напряжением и не зависит от пульсаций напряжения. В DSS используется синхронный пиковый детектор.

Режим пониженной частоты

В контроллерах последних разработок применяется режим с переходом на пониженную частоту (Frequency foldback). Переход на пониженную частоту происходит, когда сигнал обратной связи становится ниже порога. Снижение частоты преобразования позволяет уменьшить потребление в дежурном режиме.

Режим Soft-Skip

Режим пропуска частотных циклов позволяет уменьшить потребление в дежурном режиме. Режим активизируется по уменьшении уровня амплитуды сигнала обратной связи ниже установленного порога. Soft-Skip и Frequency foldback реализуются в одном структурном модуле контроллера.

Уменьшение ЭМИ за счет джиттера внутреннего генератора (Internal frequency jittering)

Для контроллеров, работающих на фиксированной частоте, может использоваться прием введения малой частотной модуляции около центральной частоты (джиттер). Наличие джиттера не влияет на работу преобразователя, однако позволяет «размыть» спектр ЭМИ и таким образом уменьшить амплитуду электромагнитного излучения, индуцируемого в цепи трансформатора и других силовых цепей преобразователя.

Ramp compensation - компенсация пилообразности сигнала обратной связи

В последних разработках ШИМ-контрол-леров используется компенсация пилообраз-ности сигнала обратной связи. Это позволяет улучшить режим стабилизации в процессе регулирования.

Dual level OCP - двухуровневая защита от токовой перегрузки

Защита от повышенного тока (Overcurrent Protection) в нагрузке и силовых цепях имеет два различных уровня. На низком уровне контроллер сохраняет способность к регулированию, но имеет долгий старт. На высоком уровне при потере сигнала регулирования запускается обычный таймер. Это позволяет источнику питания кратковременно работать в режиме критической мощности. Токовая защита зависит только от сигнала в цепи обратной связи.

Приведенные выше функции в полной мере реализованы в последних разработках микросхем ШИМ-контроллеров ON Semi - сериях микросхем NCP1237/38/88 и NCP1379/80.

Структура ШИМ-контроллеров NCP1237, NCP1238, NCP1287 и NCP1288

Микросхемы этих типов практически идентичны по цоколевке и схеме включения. В них используется режим управления по току с фиксированной частотой преобразования. Микросхемы предназначены для применения в обратноходовых преобразователях (Flyback) c гальванической развязкой (трансформатор, управление - обратная связь по напряжению через оптрон, по току - через дополнительную обмотку силового трансформатора). На рис. 4 показана структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237.

Рис. 4. Структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237

Встроенная схема Dynamic Self-Supply (DSS) упрощает проектирование и обеспечивает уменьшение дополнительных элементов. Наличие режима Soft-Skip с пропуском циклов обеспечивает повышение эффективности преобразования при малых нагрузках с сохранением низкого потребления в дежурном режиме. Также поддерживается и понижение частоты преобразования до 31 кГц (frequency foldback) с гистерезисом. Порог включения режима - 1,5 В, обратный переход в рабочий режим происходит при превышении порога 1 В. При понижении напряжения сигнала обратной связи ниже порога 0,7 В активизируется режим пропуска циклов Soft-Skip, который позволяет уменьшить потребление дополнительно, а также уменьшить возникновение акустического шума на трансформаторе и конденсаторах, использовать более дешевые трансформаторы. Встроенный двухпороговый защитный таймер служит для защиты при сбоях и нарушениях работы схемы управления вследствие скачков тока. Встроенная схема формирования джиттера частоты обеспечивает «размывание» спектра и уменьшение пиковых уровней ЭМИ. Контроллер также включает новую схему высоковольтного каскада, которая совместно со схемой старта позволяет оценивать уровень сигнала с токового датчика как в цепи переменного напряжения, так и в цепи постоянного выпрямленного напряжения. ON Semiconductor использует высоковольтную технологию входных цепей контроллера, поэтому NCP1288 может подключаться по питающим цепям непосредственно к шине высокого напряжения питания.

Режим блокировки для NCP1237 (рис. 5) может активизироваться по одному из двух условий: при повышении уровня напряжения выше порогового на входе Latch за счет перенапряжения или при уменьшении напряжения ниже другого заданного порога за счет терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, стоящего на силовом транзисторе.

Рис. 5. Типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1237

Токовый источник HV startup обеспечивает заряд конденсатора VCC до порогового напряжения VCC (on) и работает, пока входное напряжение более VHV (start), обеспечивая режим включения. Затем контроллер производит плавный пуск Soft-Start, во время которого ток потребления линейно возрастает перед включением режима регулирования. Во время периода плавного старта блокировка игнорируется, а ток блокировки удваивается, обеспечивая быстрый предзаряд конденсатора на входе вывода блокировки.

В микросхемах реализована защита от короткого замыкания на выходе.

Частота преобразования - 65/100/133 кГц и определяется модификацией микросхем. Микросхемы рассчитаны на использование в расширенном температурном диапазоне от -40 до +125 °С, что особенно актуально для промышленных приложений. Типовые применения контроллеров:

• сетевые источники питания принтеров, мониторов;
• зарядные устройства для аккумуляторов;
• встроенные сетевые источники бытовой аппаратуры.

Функциональные отличия микросхем

Для модификаций микросхем NCP1238B и NCP1288B есть функции поддержки автовосстановления (autorecovery). NCP1237 имеет схему двухпороговой OCP, в то время как NCP1238 его не имеет. Базовые различия между микросхемами серии показаны в таблице 3.

Таблица 3. Базовые различия модификаций ШИМ-контроллеров серии NCP12xx

ШИм-контроллеры серии NCP1379/80

Микросхемы в первую очередь ориентированы для применения в сетевых адаптерах с высокой мощностью (AC/DC Wall Adapters). Основное отличие от серии NCP12xx - квазирезонансный режим, который и обеспечивает высокую токовую нагрузочную способность. При регулировании используется обратная связь по напряжению. На рис. 6 показана структурная схема микросхемы ШИМ-контроллера NCP1379.

Рис. 6. Структура микросхемы NCP1379

Динамическое питание для фазы запуска в микросхемах этой серии не используется. Питание подается постоянно через резистор от входной шины входного напряжения и через диод - с питающей обмотки трансформатора. NCP1379 и NCP1380 обеспечивают ультранизкое потребление в дежурном режиме, а также высокую эффективность работы с пониженной токовой нагрузкой за счет переключения на пониженную частоту.

Блокировка для микросхем серии NCP1379/80, в отличие от микросхем серии NCP1237/38/87/88, происходит по другим условиям. Реализована защита от превышения мощности в нагрузке Over Power Protection (OPP), или повышенного тока. В качестве токового датчика используется дополнительная обмотка трансформатора. Сигнал с обмотки подается на вывод 1 микросхем NCP1379/80. По сигналу на входе вывода 1 контролируется не только условие начального пуска по точке пересечения нуля (Zero Crossing Detection), но и оценивается превышение тока в нагрузке выше критического порога. На рис. 7 показана типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1379.

Рис. 7. Типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1379

В микросхемах NCP1379/80 реализована внутренняя термозащита (Internal Shutdown).

Таблица 4. Базовые различия модификаций ШИМ-контроллеров серии NCP1379/80

Различия между модификациями микросхем NCP1380 определяются логикой схем начального запуска и работой цепей защиты.

В модификациях или реализуется блокировка (Latch), или разрешается автовосстановление после сбоя (AutoRecovery). Блокировка срабатывает при обнаружении повышенного тока в цепи нагрузки, например при коротком замыкании. Условие короткого замыкания определяется таймером длительностью 80 мс. Если повышенный ток детектируется более 80 мс, то ситуация оценивается как аварийная и работа преобразователя блокируется.

Защита от перенапряжения, пониженного напряжения на входе, а также защита от перегрева выходного транзистора реализуется посредством двухпорогового детектора, стоящего на входе вывода 7 микросхем NCP1379/80. Следует только учесть, что не все типы защит реализуются сразу в одной микросхеме, а только определенные комбинации. Четыре модификации микросхемы NCP1380 позволяют выбрать набор определенных защит.

Соответственно, немного отличаются и типовые схемы включения для модификаций NCP1380 (рис. 8, 9).

Рис. 8. Типовая схема включения модификаций микросхем NCP1380A/B

Рис. 9. Типовая схема включения модификаций микросхем NCP1380C/D

Рассмотренные ШИМ-контроллеры предназначены для тех приложений, где устойчивость к жестким условиям эксплуатации и стоимость устройства - ключевые факторы выбора.

Литература

1. AND8344/D Implementing an LCD TV Power Supply with the NCP1392B, NCP1606 and NCP1351B Prepared by: Jaromir Uherek ON Semiconductor.
2. Ромадина И. Контроллеры ON Semiconductor для сетевых источников питания с экономичным дежурным режимом // Компоненты и технологии. 2009. № 7.
3. Datasheet NCP1237 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
4. Datasheet NCP1288 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
5. Datasheet NCP1379 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-line Supplies.
6. Datasheet NCP1380 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-Line Supplies.

На сегодняшний день разработано около 14 различных топологий импульсных источников питания (табл. 1). Каждая обладает уникальными свойствами, позволяющими использовать ее для решения своего круга задач.

Таблица 1. Базовые топологии схем, применяемые при построении импульсных источников питания

Топология	Схема	Мощность, Вт	Область применения	Особенности
Обратноходовый (flyback)		до 300	Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.), мощные зарядные устройства и внешние блоки питания.	Простота схемы, низкая стоимость
Прямоходовый (feed forward)		до 300	Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.), мощные зарядные устройства, внешние и встроенные блоки питания.	Пониженный уровень помех, повышенная эффективность при низких выходных напряжениях
Резонансный (resonance)		до 300	Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.)	Высокая рабочая частота и как следствие — малые габариты, простота фильтрации помех
Двухтактный (push-pull)		100…5000	Внешние и встраиваемые источники питания для бытовой, промышленной и автомобильной аппаратуры	Пониженный уровень помех
Полумостовой (half-bridge)		100…1000	Внешние и встраиваемые источники питания (например, компьютеры)	Малые габариты Пониженный уровень помех
Мостовой (full-bridge)		100…3000	Блоки бесперебойного питания, зарядные устройства	Повышенный КПД

Сегодня «сердцем» практически любого современного трансформаторного импульсного источника питания средней и высокой мощности является специализированная ИС, управляющая работой внешнего силового транзистора/транзисторов. В подавляющем большинстве таких источников используется несколько режимов управления работой силовых транзисторов: широтно-импульсный (PWM — ШИМ), частотно-импульсный (FPM — ЧИМ), квазирезонансный (QR). Также зачастую с целью повышения КПД используется смешанный режим: ЧИМ или квазирезонансный режимы — на низкой выходной мощности, а ШИМ — на средних и больших мощностях.

Задачи и функции ШИМ-контроллеров сводятся не только к управлению внешними силовыми транзисторами и поддержанию выходного напряжения на требуемом уровне с заданной погрешностью. В действительности в перечень этих функции в обязательном порядке входят:

контроль состояния ключевых транзисторов (ограничение тока и скважности импульсов управления);

плавный запуск после подачи питания (плавный пуск);

контроль уровня входного напряжения и его «провалов» и «выбросов»;

защита от пробоя силового трансформатора и выходным цепей выходного выпрямителя;

контроль температуры самого контроллера (реже и силовых транзисторов).

Условно все производимые ШИМ-контроллеры STMicroelectronics (табл. 2) можно разделить на три группы: управление по напряжению, управление по току и смешанное управление.

Таблица 2. Краткие характеристики и параметры ШИМ-контроллеров STMicroelectronics

SG2525A/SG3524/SG3525A — серия управляемых напряжением ШИМ-контроллеров (рис. 1) с фиксированной частотой преобразования, специально спроектированных для построения любых типов импульсных источников питания (согласно заявлению компании-производителя) и позволяющих до минимума сократить число необходимых внешних компонентов.

Рис. 1.

Это стало возможным благодаря наличию встроенного опорного источника питания (+5,1 В ±1%), возможности управления частотой работы внешней RC-цепью, длительностью интервала «мертвого» времени — одним внешним резистором, длительностью времени плавного старта — одним внешним конденсатором (вывод SOFT-START), встроенным драйверам (±200 мА) для управления внешними силовыми транзисторами или внешним маломощным трансформатором. Помимо всего вышеуказанного, в ИС предусмотрена возможность синхронизации нескольких источников от одного внешнего тактового сигнала (вывод SYNC) и защиты по току внешних силовых транзисторов (вывод SHUTDOWN). Область применения — практически любой DC/DC-конвертер малой и средней мощности (рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2.

Рис. 3.

UC2842B/3B/4B/5B и UC3842B/3B/4B/5B — популярная серия малогабаритных ШИМ-контроллеров с фиксированной частотой преобразования и управлением током, размещенных в 8-выводных корпусах SO и MiniDIP (рис. 4).

Рис. 4.

Несмотря на то, что она выпускается уже около 10 лет, по-прежнему остается одной из самых востребованных серий в основном благодаря низкой стоимости и высокой надежности, отчасти благодаря простоте реализации. Предназначены для построения однотактных DC/DC-преобразователей с входным напряжением до 8,2…30 В. Наличие RC-генератора (частота работы до 500 кГц), встроенного мощного драйвера (±200 мА) для управления внешним полевым или биполярным транзистором, встроенного термостабилизированного опорного источника +5 В ± 1% позволяют строить на основе ИС этой серии обратноходовые источники питания с необходимым набором защитных функций — защита от перенапряжения на входе, защита внешнего силового транзистора по току, температурная защита ИС. Для исключения ложного срабатывания встроенного компаратора по току (Current Sense) из-за возможных помех, возникающих при переключениях внешнего силового транзистора, реализован т.н. режим блокировки компаратора (Leading Edge Blanking) на фиксированное время (около 100 нс) с моментов переключения транзистора (рис. 5).

Рис. 5.

Особенность серии — управление по току внешнего силового транзистора, что позволяет исключить из схемы дополнительные гальванически развязанные цепи обратной связи (оптрон), что позволяет в значительной степени уменьшить габариты и стоимость конечного DC/DC-преобразователя. Кроме того, при построении маломощных преобразователей (до 3 Вт) существует возможность исключения внешнего силового транзистора и использования вместо него встроенный выходной драйвер.

L5991/L5991A — серия ШИМ-контроллеров с управлением по току, высокой частотой работы (до 1 МГц) и повышенной функциональностью (рис. 6).

Рис. 6.

К отличительным особенностям ИС этой серии относятся: мощный драйвер с выходным током до 1 А для управления мощным полевым транзистором, программируемый плавный запуск, возможность синхронизации как по входу (Slave), так и по выходу (Master), вход отключения с сокращением тока потребления до 120 мкА, возможность ограничения максимальной скважности внешними RC-цепями, наличие режима Standby, повышающего экономичность (работа с малой нагрузкой или без нее). Серия создана для построения мощных обратноходовых DC/DC-преобразователей.

Для исключения ложного срабатывания встроенного компаратора по току (Current Sense) из-за возможных помех, возникающих при переключениях внешнего силового транзистора, реализован т.н. режим блокировки компаратора (Leading Edge Blanking) на фиксированное время (около 100 нс) с моментов переключения транзистора (рис. 7).

Рис. 7.

L6566A/L6566B/L6668 — серия многофункциональных ШИМ-контроллеров, специально спроектированных для работы в составе обратноходовых импульсных преобразователей напряжения средней и высокой мощности (рис. 7). Отличительные особенности ИС: два режима работы по выбору — режим с фиксированной частотой (Fixed Frequency — FF) и квазирезонансный режим (Quasi-resonant — QR). Частота работы в режиме с фиксированной частотой, которая определяется номиналами внешней RC-цепи. Дополнительный вход FMOD позволяет работать в режиме модуляции частоты, что позволяет уменьшить помехи от работы источника. В ИС встроен источник питания с высоковольтным входом, предназначенный для начального запуска.

Отдельно стоить отметить особенности работы ИС в квазирезонансном режиме, в котором источник работает на гране режимов непрерывного и прерывистого тока. Для этой цели в силовом трансформаторе должна быть предусмотрена дополнительная обмотка, предназначенная для точного определения момента открытия силового транзистора. В этом режиме достигается максимальная эффективность преобразователя: на малых нагрузках частота работы низкая, а потери на силовом транзисторе минимальны. На средней и большой нагрузке частота работы увеличивается до заданной частоты, определяемой внешней RC-цепью.

L6566A/L6566B/L6668 прежде всего ориентированы на применение в составе одно- и многоканальных AC/DC-преобразователей средней и высокой мощности (рис. 8). Основными приложениями являются внешние блоки питания ноутбуков, бытовой техники, встраиваемые источники питания для промышленной аппаратуры и т.п.

Рис. 8.

Заключение

На сегодняшний момент семейства ШИМ-контроллеров компании STMicroelectronics уверенно и прочно заняли нишу в ряду недорогих надежных многофункциональных, и в то же время простых в эксплуатации импульсных источников питания малой, средней и большой мощности. В большинстве своем их можно встретить как в обычной бытовой технике (компьютеры, ноутбуки, DVD-проирыватели, ЖК-телевизоры и мониторы и т.п.), так и в сложной промышленной и медицинской аппаратуре. Одной из причин этого стала весьма низкая цена при высокой функциональности в малогабаритных 8- и 16-выводных SO- и DIP-корпусах, высокой надежности с увеличенным жизненным циклом (согласно опыту многих разработчиков). Большая популярность некоторых серий, сохраняющаяся вот уже более десяти лет, дает определенную гарантию производителям источников питания, что ШИМ-контроллеры от STMicroelectronics не будут сняты с производства еще долгие годы.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail:

TI анонсировала новые DSP

Моделирование системы и первоначальная реализация алгоритма в большинстве случаев производится на базе арифметики с плавающей точкой. После чего, отлаженный алгоритм загружается на микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор с фиксированной точкой. Процессоры с плавающей точкой используются только в приложениях, требующих высокой точности и производительности, где цена конечного устройства не критична.

Для таких приложений компания Texas Instruments выпустила цифровые сигнальные процессоры с плавающей точкой TMS320F28335, TMS320F28334, TMS320F28332. Но, как и раньше, не остановилась на этом. Появились новые DSP TMS320F2823x с фиксированной точкой, которые программно и аппаратно совместимы с процессорами с плавающей точкой TMS320F2833x.

Теперь пользователи могут моделировать систему, отлаживать ее на платформе с плавающей точкой (TMS320F2833x), а затем просто перекомпилировать полученный программный код под TMS320F2823x, сократив тем самым время разработки (время загрузки приложения на платформу с фиксированной точкой) и стоимость конечного устройства.

Серийное производство TMS320F2823x и TMS320F2833x начнется во втором квартале 2008 года.

TI раскрывает подробности своего 45-нм техпроцесса

Компания Texas Instruments (TI) готова к серийному выпуску своих первых 45-нанометровых микросхем. Переход к нормам 45 нм, как утверждается, позволил снизить энергопотребление чипов на 63% и повысить производительность на 55% по сравнению с 65-нанометровыми продуктами

В настоящее время TI отгружает ознакомительные образцы первого 45-нанометрового процессора для устройств с поддержкой сетей 3.5G. В производстве новинки применяется напряженный кремний, иммерсионная литография и диэлектрики со сверхмалым значением диэлектрической постоянной (ultra-low K).

Указанный процессор позволит выпускать более компактные и легкие устройства для сетей 3.5G.

О компании ST Microelectronics