Новое поколение контроллеров ШИМ с фазовым сдвигом

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.

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.

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
• 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.

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.

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.