Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2001 №7

Новое поколение контроллеров ШИМ с фазовым сдвигом

Забровский Дмитрий


Многим отечественным разработчикам источников электропитания известны хорошо зарекомендовавшие себя микросхемы UC3875 и UC3879 производства Unitrode (TI). UCC3895 — новейшая разработка в линейке контроллеров фазового сдвига, в которой расширенный набор функций сочетается с более устойчивой логикой и защитой. Использование этого контроллера позволяет улучшить характеристики и снизить энергопотребление мощных (более 500 Вт) источников электропитания. По мнению разработчиков, эта микросхема должна стать новым стандартом в своей области.

В данной статье проводится сравнение ИС UCC3895, изготовленных по биполярной КМОП- технологии, с их биполярными предшественниками — семейством UC3875/6/7/8 и контроллером UC3879. Все эти интегральные схемы обеспечивают формирование и усиление сигналов, необходимых для построения мостового преобразователя, использующего управление фазовым сдвигом.

Одним из достоинств по сравнению с более ранними контроллерами является возможность установки адаптивной задержки и наличие внутреннего транзистора разряда на выводе RAMP. Внутренняя логика ИС обеспечивает полное отключение каскада усиления мощности, если компаратор обнаружит падение выходного сигнала усилителя ошибки ниже 0,5 В. Кроме того, с целью максимально возможного разделения между сигналами управления и выходами драйвера изменена цоколевка ИС. Поэтому UCC3895 не является непосредственной заменой предыдущих биполярных моделей.

Рис. 1. Упрощенная схема включения UCC3895

UCC3895 сохраняет многие лучшие черты предшественников, такие как, например, возможность программировать задержку между командами переключения в плече А-В, которая не зависит от задержки между командами переключения в плече C-D. Чип по-прежнему может работать в режимах с управлением по току или по напряжению, при этом режим работы с управлением по среднему или пиковому току задается пользователем. Сохранены и такие параметры, как ток запуска в 150 мкА, отключение по снижению выходного напряжения (UVLO), 5-вольтовое опорное напряжение и функция мягкого самовозбуждения.

Рис. 2. Цоколевка

Высокая нагрузочная способность семейства UC3875 в UC3879 и в UCC3895 отсутствует. Вместо этого имеется встроенная быстродействующая логика с выходным втекающим/вытекающим током 100 мА (пиковое значение). Такой подход использован для того, чтобы развязать слабосигнальные аналоговые цепи фазового сдвига от сильноточных каскадов и тем самым способствовать оптимальности конфигурации земли системы. Кроме того, мостовые схемы могут использовать в качестве драйвера как полупроводниковые, так и магнитные элементы, так что окончательный выбор внешнего драйвера остается за разработчиком.

Упрощенная схема включения UCC3895

Предельные электрические режимы:

  • напряжение питания (IDD < 10 мА) — 17 В;
  • ток потребления — 30 мА;
  • ток источника опорного напряжения — 15 мА;
  • выходной ток — 100 мА;
  • аналоговые входы (EAP, EAN, RAMP, SYNC, ADS, CS, SS/DISB) — от –0,3 до +0,3 В;
  • рассеиваемая мощность при t°=+25 °С:
  • корпус типа N — 1 Вт;
  • корпус типа D — 650 мВт;
  • температура при хранении — от –60 до +150 °С;
  • температура перехода — от -60 до +125 °С;
  • температура выводов при пайке (10 с) — +300 °С.

Втекающие токи считаются положительными, вытекающие — отрицательными.

Таблица 1. Сравнение параметров ИС
Параметр UC3875/6/7/8 UC3879 UCC3895
Начальное напряжение UVLO, B 10,75 или 15,25 10,75 или 15,25 11
Гистерезис UVLO, B 1,25 или 6,0 1,75 или 6,0 2
Стартовый ток потребления, мкА 150 150 150
Стационарный ток потребления, мА 30 23 5
Скорость нарастания усилителя ошибки (YO), В/мкс 11 11 2,2
Полоса единичного усиления УО, МГц 11 10 6,5
Задержка от ГЛИН до выхода OUT, нс 65 115 70
Нестабильность генератора от сети/нагрузки, % 20 20 2,5
Мин. напряжение ГЛИН, В 0 0,2 0,2
Макс. напряжение ГЛИН, В 3,8 2,9 2,35
Задержка от датчика тока до выхода, нс 85 160 75
Ток нагрузки по выходу OUT, мА 200 100 100
Отключение компаратора "нет нагрузки" Нет Есть Есть

Таблица 2. Температура и выбор корпуса
Тип ИС Температурный диапазон Суффикс в обозначении
UCC1895 От -55 до +125 °С J, L
UCC2895 От -40 до +85 °С DW, N, PW, Q
UCC3895 От 0 до +70 °С DW, N, PW, Q

Электрические характеристики представлены в табл. 3. Если не указаны иные значения, то V DD = 12 В, RT = 82 кОм, CT = 220 пФ, R DELAB = 10 кОм, R DELCD = 10 кОм, C REF = 0,1 мкФ, C VDD = 1 мкФ, ненагруженный выход, TA = TJ, TA составляет 0…70 °С для UCC3895x, –40…85 °C для UCC2895x и -55… +125 °C для UCC1895x.

Назначение выводов

ADS — адаптивная установка задержки. Эта функция задает отношение между максимальным и минимальным временем паузы программируемой задержки. Когда вывод ADS напрямую соединяется с выводом датчика тока CS, задержка не модулируется. Максимальная модуляция задержки имеет место, когда вывод ADS заземлен. В этом случае время задержки при CS = 0 В вчетверо больше, чем при CS = 2,0 В (порог по максимальному току), а ADS изменяет выходное напряжение на выводах задержки DELAB или DELCD согласно формуле

где VCS и VADS в вольтах. ADS должно находиться в пределах от 0 до 2,5 В и быть меньше или равно CS. DELAB и DELCD также должны быть зафиксированы на уровне не ниже 0,5 В.

EAOUT — выход усилителя ошибки. Он соединен внутри с неинвертирующим входом ШИМ-компаратора и компаратора отсутствия нагрузки. Напряжение EAOUT ограничивается внутри на уровне напряжения мягкого самовозбуждения. Компаратор отсутствия нагрузки отключает выходные каскады, если напряжение на EAOUT падает ниже 500 мВ, и снова включает их по достижении значения 600 мВ.СТ — времязадающий конденсатор генератора (рис. 3, блок-схема генератора). Схема генератора в UCC3895 заряжает конденсатор программируемым током. Напряжение на СТ имеет пилообразную форму с максимумом, равным 2,35 В. Приблизительно период колебаний генератора можно рассчитать по формуле

где СТ в фарадах, RT в омах, а tOSC в секундах. СТ может иметь значение от 100 до 880 пФ. Следует иметь в виду, что сочетание больших значений СТ и низких значений RT вызовет увеличение времени спада напряжения на конденсаторе. Увеличенное время спада приведет к увеличенной длительности импульса SYNC, ограничивая максимальный фазовый сдвиг между выходами OUTA, OUTB и OUTC, OUTD и тем самым ограничивая максимальную скважность преобразователя.

CS — датчик тока. Это инвертирующий вход компаратора датчика тока и неинвертирующий вход компаратора перегрузки по току, а также усилителя ADS. Сигнал с датчика тока используется для ограничения тока на каждом импульсе в режиме управления по пиковому току и для защиты от токовых перегрузок во всех случаях вторичной отсечки для отключения выхода. Отключение выхода, вызванное перегрузкой по току, также вызывает цикл перезапуска, называемый «мягким остановом» с полным циклом мягкого самовозбуждения.

DELAB, DELCD — программирование задержки между противофазными выходами. DELAB задает мертвое время между переключением OUTA и OUTB, а DELCD — между выходами OUTC и OUTD. Эта задержка вводится между противофазными выходами одного и того же плеча внешнего моста. UCC3895 обеспечивает пользователю возможность выбора задержки, с которой происходит резонансное переключение внешних мощных каскадов. Отдельная задержка для двух половин моста вводится для того, чтобы учесть разницу в токе заряда резонансных конденсаторов. Задержка в каждом каскаде устанавливается в соответствии с формулой

где VDEL в вольтах, RDEL в омах, а tDELAY в секундах. DELAB и DELCD допускают вытекающий ток до 1 мА. Резисторы, устанавливающие задержку, следует выбирать так, чтобы этот максимум не был превышен. Программируемую задержку выхода можно обойти, если DELAB и/или DELCD подключить непосредственно к REF. Для оптимальной работы паразитная емкость на этих выводах не должна превышать 10 пФ.

ЕАР — неинвертирующий вход усилителя ошибки.

EAN — инвертирующий вход усилителя ошибки.

GND — общий вывод ИС для всех цепей, кроме выходных каскадов.

OUTA, OUTB, OUTC, OUTD — четыре выхода с током до 100 мА для управления МОП- транзисторами. Выход OUTA и OUTB полностью комплементарны, то есть между ними нет программируемой задержки. Они работают со скважностью, близкой к 50 %, на частоте, равной половине генерируемой. OUTA и OUTB предназначены для управления одной полумостовой схемой внешнего усилителя мощности. Вторая половина моста управляется от выходов OUTC и OUTD с такими же характеристами выходов такие же, как у OUTA и OUTB. Выход OUTC сдвинут по фазе относительно OUTA, а выход OUTD — относительно OUTB. Надо иметь в виду, что изменение фазовых соотношений OUTC и OUTD относительно OUTA и OUTB требует отличной от номинальных 50 % скважности на OUTC и OUTD при переходных процессах.

PGND — общий вывод для выходных каскадов. Чтобы наводки от переключений на выходе не влияли на критичные аналоговые цепи, в ИС UCC3895 предусмотрены два отдельных вывода земли. PGND — это вывод земли для сильноточных выходных каскадов. GND и PGND должны быть электрически соединены друг с другом в непосредственной близости от микросхемы. Кроме того, так как вывод PGND сильноточный, проводники печатной платы должны быть низкоимпедансными.

RAMP — инвертирующий вход ШИМ-компаратора. На этот вход подается либо пилообразное напряжение с CT в режиме управления по току или по напряжению, либо сигнал тока (плюс компенсация наклона) в режиме управления по пиковому току. Ко входу RAMP подключен разрядный транзистор, включаемый во время паузы генератора.

RT — времязадающий резистор генератора (рис. 3, блок-схема генератора). Работа генератора в UCC3895 основана на заряде внешнего времязадающего конденсатора СТ током, программируемым с помощью резистора RT. Ток через RT рассчитывается следующим образом:

где RT в омах, а IRT в амперах. RT может находиться в диапазоне 40…120 кОм. Ток заряда и разряда при мягком самовозбуждении также программируется через IRT.

SS/DISB — мягкое самовозбуждение/отключение. Этот вывод выполняет две независимые функции.

Режим отключения: для быстрого отключения микросхемы требуется либо принудительно снизить напряжение на выводе SS/DISB ниже 0,5 В, либо принудительно снизить напряжение на выводе REF ниже 4 В, падение VDD ниже порога отсечки UVLO или срабатывание датчика перегрузки по току (CS = 2,5 В).

В случае если на выводе REF принудительно устанавливается напряжение ниже 4 В или напряжение на выходе падает ниже порога срабатывания схемы UVLO, внутренний МОП-транзистор замыкает вывод SS/DISB на землю. Если возникает перегрузка по току, вывод будет отбирать ток (10ґIRT) до тех пор, пока напряжение на нем не упадет ниже 0,5 В.

Если на вывод SS/DISB принудительно напряжение ниже 0,5 В, вывод начинает отбирать ток, равный IRT. Необходимо учесть также, что единственная ситуация, когда микросхема переключается в режим низкого потребления по IDD — это когда она отключается по падению напряжения на выходе ниже порогового.

Режим мягкого самовозбуждения: когда ликвидирован сбой или снимается сигнал отключения, напряжение VDD выше порога запуска и/или SS/DISB при мягком останове падает ниже 0,5 В, SS/DISB переключается в режим мягкого самовозбуждения. В этой ситуации вывод генерирует вытекающий ток, равный IRT. Подключаемый к выводу SS/DISB конденсатор с номиналом, выбираемым пользователем, определяет возможность мягкого самовозбуждения и его длительность. Кроме того, параллельно конденсатору можно подключить резистор, ограничивающий максимальное напряжение на выводе SS/DISB. Учтите, что вывод SS/DISB как при мягком самовозбуждении или мягком останове, так и в условиях отключения активно ограничивает напряжение EAOUT примерно до уровня на SS/DISB.

Рис. 3. Блок-схема

SYNC — синхронизация генератора (рис. 3, блок-схема генератора). Этот вывод — двунаправленный. Когда он используется как выход, сигнал YNC можно использовать в качестве тактового, такого же, что и внутренняя тактовая частота микросхемы. Когда он служит входом, SYNC подавляет сигнал внутреннего генератора и сам служит источником тактового сигнала. Эта двунаправленность позволяет синхронизировать несколько источников питания. Кроме того, сигнал SYNC через внутренние цепи разряжает конденсатор CT и любые конденсаторы фильтрации, подключенные к выводу RAMP. Внутренние цепи на выводе SYNC чувствительны к уровню напряжения с нижним порогом чувствительности в 1,9 В и верхним порогом в 2,1 В. Для снижения длительности импульса достаточно подключить вывод SYNC на землю через резистор номиналом 3,9 кОм.

VDD — напряжение питания. Вывод VDD должен быть заземлен с помощью конденсатора емкостью не менее 1 мкФ с низким паразитным сопротивлением и паразитной индуктивностью.

REF — опорное напряжение 5 В ±1,2 %. Питает внутренние цепи и может отдавать до 5 мА во внешнюю нагрузку. При отключении по снижению выходного напряжения напряжение REF отключается, но при отключении микросхемы во всех других аварийных ситуациях — нет. Рекомендуется шунтировать вывод REF на землю конденсатором номиналом 0,1 мкФ с низкими потерями и низким значением индуктивности.

Таблица 3
Параметр Условия измерения Мин. Тип. Макс.
Блок отключения при падении выходного напряжения (UVLO)
Начальное напряжение, В   10,2 11 11,8
Конечное напряжение, В   8,2 9 9,8
Гистерезис, В   1 2 3
Ток потребления
При запуске, мкА VDD=8 В   150 250
В активном режиме, мА     5 6
Напряжение фиксации на VDD, В Ток потребления ID=10 мА 16,5 17,5 18,5
Блок опорного напряжения
Выходное напряжение, В При температуре перехода TJ=25 °С 4,94 5 5,06
  10 B < VDD < 17,5 B, 0 мА < IREF < 5 мА 4,85 5 5,15
Ток короткого замыкания, мА REF = 0 B, TJ=25 °C 10 20  
Усилитель ошибки
Диапазон синфазных напряжений, В   -0,1   3,6
Напряжение смещения, В   -7   7
Высокий уровень вых. напр. VOH, В EAP-EAN=500 mB, IEAOUT=-0,5 mA 4 4,5 5
Низкий уровень вых. напр. VOH, В EAP-EAN=-500 mB, IEAOUT=0,5 mA 0 0,2 0,4
Вытекающий ток, мА EAP-EAN=500 mB, IEAOUT=2,5 В 1 1,5  
Втекающий ток, мА EAP-EAN=-500 mB, IEAOUT=2,5 В 2,5 4,5  
Усиление по пост. току без обратной связи, дБ   75 85  
Полоса единичного усиления, МГц (Прим.3) 5 7  
Скорость нарастания, В/мкс EAN от 1 В до 0 В, ЕАР=500 мВ, EUOT от 0,5 В до 3 В 1,5 2,2  
Порог отключения компаратора отсутствия нагрузки, В   0,45 0,5 0,55
Порог включения компаратора отсутствия нагрузки, В   0,55 0,6 0,69
Гистерезис компаратора отсутствия нагрузки, В   0,035 0,1 0,165
Узел генератора
Частота, кГц TJ=25°C 473 500 527
Максимальное отклонение, % Сеть, температура   2,5 5
SYNC VIH, B   2,05 2,1 2,25
SYNC VIL, B   1,85 1,9 1,95
SYNC VOH, B Ток SYNC=-400 мкА, СТ=2,5 В 4,1 4,5 5
SYNC VOL, B Ток SYNC=100 мкА, СТ=2,5 В 0 0,5 1
Длительность вых. импульса SYNC, нс Нагрузка SYNC=3 кОм]] 3 пФ   85 135
Напряжение RT, B   2,9 3 3,1
Напряжение СТ в максимуме, В   2,25 2,65 2,5
Напряжение СТ в минимуме, В   0 0,2 0,4
Компаратор ШИМ
Входное напряжение смещения от EAOUT до RAMP,В RAMP=0 B, DELAB=DELCD=REF 0,72 0,85 1,05
Мин. фазовый сдвиг
(OUTA отн. OUTC, OUTB отн. OUTD), B
RAMP=0 B, EAOUT=650 мВ (Прим. 1) 0 0,85 1,4
Задержка RAMP отн. OUTC/OUTD, нс RAMP от 0 до 2,5 В EAOUT = 1,2 B
DELAB=DELCD=REF (Прим. 2)
  70 120
Ток смещения RAMP, мкА RAMP < 5В, СТ < 2,2 В -5   5
Вытекающий ток RAMP, мкА RAMP = 5В, СТ < 2,6 В 12 19  
Датчик тока
Ток смещения датчика тока, мкА 0 < CS < 2,5 B, 0 < ADS < 2,5 B -4,5   20
Порог пикового тока, В   1,9 2 2,1
Порог перегрузки по току, В   2,4 2,5 2,6
Задержка от датчика тока до выхода, нс CS от 0 до 2,3 В, DELAB=DELCO=REF   75 110
Узел мягкого самовозбуждения/выключения
Вытекающий ток МСВ, мкА SS/DISB = 3,0 B, CS < 1,9 B -40 -35 -30
Втекающий ток МСВ, мкА SS/DISB = 3,0 B, CS > 2,6 B 325 350 375
Порог компаратора МСВ/Отключение, В   0,44 0,5 0,56
Узел установки задержки
Выходное напряжение DELAB/DELCD, В ADS = CS = 0 B 0,45 0,5 0,55
  ADS = CS = 2,0 B 1,9 2 2,1
Задержка выхода ADS = CS = 0 B (Прим. 2) 450 525 600
Ток смещения ADS 0 < ADS < 2 < 5 B, 0 < CS < 2,5 B -20   20
Выходные каскады
Высокий уровень (все выходы), мВ Вых. ток - 10 мА, от выхода до VDD   250 400
Низкий уровень (все выходы), мВ Вых. ток 10 мА   150 250
Время нарастания, нс Емкость нагрузки 100 пФ   20 35
Время спада, нс Емкость нагрузки 100 пФ   20 35

Сообщить об ошибке