Серия микросхем ШИМ-контроллеров разработки компаний «НИИЭТ» и «Группа КРЕМНИЙ ЭЛ» на основе 20-В БиКДМОП-технологии

В начале 2020 года Научно-исследова-тельский институт электронной техники (г. Воронеж) совместно с компанией «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» (г. Брянск) приступил к разработке серии микросхем ШИМ-контроллеров для вторичных источников питания (ВИП). Для данного проекта в компании «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» была разработана 20-В БиКДМОП-технология, предназначенная для изготовления интегральных микросхем силовой электроники. Эта технология позволяет создавать силовые интегральные схемы с мощными ключами на выходе, способными работать на индуктивную или резистивную нагрузку, в частности микросхемы DC/DC-преобразователей, ШИМ-контроллеров, линейных стабилизаторов c малым падением напряжения и т. д. Основные типы микросхем, которые могут быть изготовлены по данному технологическому процессу, приведены на рис. 1.

Рис. 1. Основные типы микросхем, изготавливаемых по 20-В БиКДМОП-технологии, и области их применения

К основным элементам технологии относятся горизонтальный n-канальный ДМОП-транзистор, изолированный n-канальный МОП-транзистор, n-p-n-транзистор (рис. 2а), p-n-p-транзистор (рис. 2б), вертикальный p-n-p-транзистор с изолированным коллектором, КМОП-транзисторы (рис. 2в), n-канальный JFET-транзистор, стабилитрон, пережигаемая перемычка, конденсаторы на подзатворном диэлектрике и резисторы.

Рис. 2. Структуры некоторых основных элементов 20-В БиКДМОП-технологии:
а) n-p-n-транзистор;
б) p-n-p-транзистор; в) КМОП-транзисторы

Совместно с компанией «НИИЭТ» была выполнена характеризация разработанного технологического процесса для применения в САПР по проектированию интегральных схем, что включало создание библиотеки аналоговых элементов, SPICE-моделей элементов, правил проверки на конструкторско-технологические ограничения и правил верификации электрических схем с топологией. Характеризация позволила сократить время разработки электрических схем кристаллов и постановки их на производство.

На основе данного технологического процесса созданы две серии микросхем — 1396ЕУxxx и 5340ЕУxxx. Их назначение и основные технические характеристики приводятся далее. Микросхемы выпускаются в металлополимерных (пластиковых) корпусах, соответствующих по габаритам и посадочным местам корпусам SO-8 и SO-20, а также в металлокерамическом исполнении.

Рис. 3. Структурная схема микросхем 5340ЕУ014 и 5340ЕУ015

Микросхемы 5340ЕУ014 и 5340ЕУ015 представляют собой однотактные ШИМ-контроллеры для построения прямоходовых и обратноходовых преобразователей напряжения. В их состав входят блок защиты от пониженного напряжения питания, источник опорного напряжения, схема мониторинга питающего и опорного напряжения, усилитель сигнала ошибки, генератор, токовый компаратор с ШИМ-защелкой, компаратор выключения, блок бланкирования переднего фронта импульса тока, схема плавного запуска, выходной драйвер, ограничительный стабилитрон между выводом питания и общим выводом. Структурная схема микросхем 5340ЕУ014 и 5340ЕУ015 приведена на рис. 3; их основные характеристики — в таблице 1.

Примечание. Микросхема 5340ЕУ014 совместима pin-to-pin с UCC2813-0 (UCC28C43).

На рис. 4 представлена типовая схема включения микросхем 5340ЕУ014 и 5340ЕУ015.

Рис. 4. Типовая схема включения микросхем 5340ЕУ014 и 5340ЕУ015

Микросхемы 1396ЕУ014, 1396ЕУ015, 1396ЕУ024, 1396ЕУ025, 1396ЕУ034, 1396ЕУ035, 1396ЕУ044 и 1396ЕУ045 представляют собой двухтактные ШИМ-контроллеры для построения вторичных источников питания с двухтактной (push-pull) или полумостовой топологией. Они содержат источник опорного напряжения, блоки защиты от пониженного и повышенного напряжения питания, датчик тока, схему плавного запуска, ШИМ-компаратор, частотозадающий генератор, выходные драйверы, программируемую компенсацию наклона на входе CS и разрядный транзистор. Разрядный транзистор шунтирует выход CS на «землю» в каждом периоде ШИМ-сигнала. Эта функция позволяет минимизировать емкость фильтрующего конденсатора CF и задержку коррекции тока. Сдвоенный выходной каскад сконфигурирован для работы в режиме push-pull. Выходы Т-триггера переключаются с половинной частотой. Для предотвращения протекания сквозного тока задержка переключения составляет 110 нс, что ограничивает коэффициент заполнения в каждом канале величиной 50%.

Рис. 5. Структурная схема микросхем 1396ЕУ014, 1396ЕУ015, 1396ЕУ024, 1396ЕУ025, 1396ЕУ034, 1396ЕУ035, 1396ЕУ044 и 1396ЕУ045

Структурная схема микросхем 1396ЕУ014, 1396ЕУ015, 1396ЕУ024, 1396ЕУ025, 1396ЕУ034, 1396ЕУ035, 1396ЕУ044 и 1396ЕУ045 приведена на рис. 5, а их основные характеристики — в таблице 2.

Таблица 2. Основные характеристики микросхем 1396ЕУ014, 1396ЕУ015, 1396ЕУ024, 1396ЕУ025, 1396ЕУ034, 1396ЕУ035, 1396ЕУ044 и 1396ЕУ045

Примечание. Микросхема 1396ЕУ014 совместима pin-to-pin с UCC28083, микросхема 1396ЕУ024 совместима pin-to-pin с UCC28084, микросхема 1396ЕУ034 совместима pin-to-pin с UCC28085, микросхема 1396ЕУ044 совместима pin-to-pin с UCC28086.

На рис. 6 представлена типовая схема включения микросхем 1396ЕУ014, 1396ЕУ015, 1396ЕУ024, 1396ЕУ025, 1396ЕУ034, 1396ЕУ035, 1396ЕУ044 и 1396ЕУ045. Это двухтактный изолированный DC/DC-преобразователь мощностью 20–200 Вт с входным напряжением 12 В и выходным напряжением 2,5 В.

Рис. 6. Типовая схема включения микросхем 1396ЕУ014, 1396ЕУ015, 1396ЕУ024, 1396ЕУ025, 1396ЕУ034, 1396ЕУ035, 1396ЕУ044 и 1396ЕУ045

Микросхемы 1396ЕУ064 и 1396ЕУ065 представляют собой ШИМ-контроллеры с фазовым сдвигом. Такие ШИМ-контроллеры реализуют управление силовым каскадом полного моста посредством резонансного переключения при нулевом напряжении для обеспечения высокой эффективности на высоких частотах. В состав микросхем входят блок защиты от пониженного напряжения питания, источник опорного напряжения, схема мониторинга питающего и опорного напряжения, усилитель сигнала ошибки, генератор, токовый компаратор с ШИМ-защелкой, компаратор выключения, схема плавного запуска, выходной драйвер, ограничительный стабилитрон между выводом питания и общим выводом.

Рис. 7. Структурная схема микросхем 1396ЕУ064 и 1396ЕУ065

Структурная схема микросхем 1396ЕУ064 и 1396ЕУ065 приведена на рис. 7; их основные характеристики — в таблице 3.

Примечание. Микросхема 1396ЕУ064 совместима pin-to-pin с UCC2895.

На рис. 8 представлена типовая схема включения микросхем 1396ЕУ064 и 1396ЕУ065 — AC/DC-преобразователь с входным переменным напряжением 220 В и выходным постоянным напряжением 12 В.

Рис. 8. Типовая схема включения микросхем 1396ЕУ064 и 1396ЕУ065

Для микросхем ШИМ-контроллеров разработаны комплекты макетно-отладочных средств, состоящие из демонстрационных плат и SPICE-моделей для симулятора LTspice.

Демонстрационные платы представляют собой образцы источников питания (Reference Design). Примеры данных плат показаны на рис. 9.

Рис. 9. Демонстрационные платы для микросхем: а) 1396ЕУ045; б) 1396ЕУ064

Для компьютерного моделирования источников питания на базе микросхем ШИМ-контроллеров серий 1396ЕУxxx и 5340ЕУxxx разработаны SPICE-модели для LTspice — бесплатного симулятора, созданного компанией Linear Technology, с 2017 года принадлежащей Analog Devices.

На рис. 10а приведена электрическая схема источника питания на микросхеме 1396ЕУ014, на рис. 10б показаны результаты моделирования работы источника питания в LTspice.

Рис. 10. а) Электрическая схема источника питания на микросхеме 1396ЕУ014 в LTspice; б) результаты ее моделирования

Заключение

Первый совместный опыт работы компаний «НИИЭТ» и «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» можно считать успешным. В рамках данного проекта компания «ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ» разработала серию микросхем 5340ЕУxxx и намерена расширить номенклатуры выпускаемых ИС. В настоящее время планируется разработка микросхемы с максимальным коэффициентом заполнения 50% для обратноходовых преобразователей. Также ведутся работы по созданию серии микросхем контроллеров ККМ, мониторов питания, драйверов МОП-транзисторов.

В рамках данной совместной работы «НИИЭТ» создал серию микросхем 1396ЕУxxx и также планирует расширение линейки ИС собственной разработки. В настоящее время предприятие проводит исследование, направленное на создание микросхем синхронных DC/DC-преобразователей и ШИМ-контроллеров для построения источников питания.