ШИМ-контроллеры
За последнее десятилетие мы видим
ускоренный темп развития электронных устройств. Вместе с ним растут и
требования к устройству питания. Линейные регуляторы напряжения имеют низкий
КПД и не всегда могут обеспечить требования, предъявляемые к устройству. Схемы
с синхронным выпрямителем сегодня получили большое распространение.
Номенклатура ИС, выпускаемых различными производителями, очень велика. В данной
статье пойдет речь об особенностях использования синхронного ключа в синхронном
выпрямителе и будет рассмотренно несколько видов ШИМ-контроллеров компании
International Rectifier.
Схема синхронного выпрямителя была
разработана очень давно. Для ее построения используются обычные n-канальные
полевые транзисторы, только работают они в источниках питания с низким выходным
напряжением и заменяют собой выпрямительные диоды. Напряжение сток-исток таких
транзисторов обычно невелико, но емкости между сток-исток и затвор-сток весьма
и весьма значительны. Характерной особенностью работы полевых транзисторов в
качестве синхронных выпрямителей является их работа в четвертом квадранте их
вольтамперной характеристики, то есть ток через них протекает в обратном
направлении — от истока к стоку. На рис. 1 представлена схема построения
синхронного выпрямителя.
Даже если на затворы транзисторов не подавать
вообще никакого сигнала, ток все равно будет протекать через паразитный диод.
Сначала следует обратить внимание на то, что работа синхронного ключа зависит
от работы других управляемых ключей, в нашем примере — от работы коммутирующего
транзистора Q1. Управляющие сигналы для обоих ключей являются зависимыми друг
от друга и должны отвечать определенным временным критериям. Управляющие
сигналы ни в коем случае не должны накладываться друг на друга — это неизбежно
приведет к протеканию ничем не ограниченного сквозного тока через оба открытых
ключа. В идеале оба транзистора должны переключаться одновременно и никакой ток
через паразитный диод синхронного ключа протекать не должен. Но, к сожалению,
избежать протекания тока через паразитный диод практически никогда не удается.
Для этого требуется слишком точное и адаптивное время задержки, выходящее за
пределы традиционных технологий. Поэтому в большинстве случаев приходится
мириться с весьма небольшим промежутком времени — обычно от 20 до 80 нс — когда
синхронный ключ еще не включился и весь ток течет через его паразитный диод.
Процесс работы синхронного выпрямителя был
описан во многих изданиях и различных статьях, но не все они в равной мере
описывают процесс, протекающий в синхронном ключе. Процесс включения
синхронного ключа начинается с момента выключения коммутирующего ключа Q1.
Когда управляющее напряжение на затворе коммутирующего транзистора становится
низким, напряжение на его стоке стремится от уровня входного напряжения к нулю.
Ток продолжает протекать через коммутирующий транзистор до тех пор, пока не
разрядится выходной конденсатор и паразитный диод не получит прямое смещение. В
этот момент синхронный ключ принимает на себя весь ток и коммутирующий транзистор
окончательно выключается.
Рисунок
1 Схема построения синхронного выпрямителя
Рисунок
2 Блок-схема видов приборов для построения синхронных регуляторов, производимых
компанией International Rectifier
Через некоторое время, определяемое задержкой
контроллера, устанавливается управляющее напряжение к затвору транзистора Q1 и
его открывшийся канал перемыкает паразитный диод. Процесс выключения
синхронного ключа начинается с переключения выхода драйвера в низкое состояние.
Но ток все равно продолжает протекать через паразитный диод в том же
направлении. И только когда коммутирующий ключ получает управляющий сигнал, ток
начинает переключаться на него. Как только весь ток начнет протекать через
коммутирующий транзистор и паразитный диод полностью восстановится, напряжение
на стоке синхронного ключа повышается от уровня земли до напряжения питания. В
это время конденсатор синхронного выпрямителя быстро заряжается и напряжение на
синхронном ключе так же быстро нарастает. Анализируя столь необычный режим
работы синхронного ключа и схемы его управления, можно отметить одну очень
важную особенность — и во время включения, и во время выключения синхронный
ключ испытывает очень большие скачки напряжения на его стоке, зависящие от
скорости переключения коммутирующего ключа (и, соответственно, от схемы его
управления). Поэтому схемы управления обоими ключами должны быть согласованы
между собой, чтобы обеспечить корректные переключения и ограничение скорости
dv/dt во всех режимах.
Требования к выбору элементов схемы при
построении синхронного выпрямителя таковы:
- Интервал проводимости синхронного транзистора имеет наибольшую
продолжительность и, чтобы снизить потери на этом интервале, сопротивление
перехода сток–исток синхронного транзистора должно быть как можно более
низким.
- Интервалы проводимости основного и синхронного транзисторов
разделены короткими интервалами проводимости паразитного диода. Этот диод
должен иметь низкое прямое падение напряжения и быстро восстанавливать
запертое состояние.
Подводя итог по выбору
элементов заметим, что при выборе транзисторов компания рекомендует
разработчикам выбирать синхронные ключи с минимальным значением сопротивления.
Для коммутирующего ключа необходимо выбирать транзистор с минимальным значением
заряда затвора.
Очевидно, что паразитный диод полевого
транзистора не является элементом со специально подобранными параметрами. Это
означает, что трудно ожидать от него высоких коммутационных качеств. В тоже
время, диоды Шоттки проектируются таким образом, чтобы максимально снизить
потери обратного восстановления. Поэтому, чтобы снизить потери в процессе
выключения паразитного диода, можно подключить параллельно синхронному
транзистору диод Шоттки. Компания International Rectifier выделила такие
приборы в специально производимую серию под название FETKY-N или Р-ка-нальный
транзистор совместно с диодом Шоттки в одном монолитном корпусе. Номенклатура
представляемых приборов данного семейства достаточно велика и позволяет
разработчику решать широкий круг задач. К примеру, IRF7335D1 включает
синхронный с диодом Шоттки и коммутирующий ключи, а IRL3103D1 синхронный ключ с
диодом Шоттки расположен в ТО-220 корпусе. Подробно с параметрами приборов
FETKY можно ознакомиться на официальном сайте компании производителя.
Компания International Rectifier представляет
широкий ряд ИС ШИМ-конт-роллеров с различными функциональными возможностями
(см. рис. 2). Семейство импульсных синхронных регуляторов включает
интегрированные сборки в монолитных корпусах (SupIRBuck, IPower) и
ШИМ-контроллеры без внутренних ключей. Двухканальные сборки представлены, в
первом случае, монолитными интегрированными схемами и ШИМ-контроллерами с
внутренним линейным опорным преобразователем или без него. Многофазовые системы
представлены ИС семейства Х-Fase и I-Power.
IR3651S
Интегральная схема синхронного ШИМ-контроллера IR3651SPBF разработана для
высокоэффективных синхронных понижающих DC/DC конверторов с входными
напряжениями до 150 В. Программируемые рабочие частоты в диапазоне до 400 кГц
позволяют применять микросхему в источниках питания телекоммуникационного
оборудования и базовых станций, сетевых серверов, в автомобильных и
промышленных блоках управления. При использовании микросхемы в маломощных устройствах
уровень выходного напряжения может быть точно отрегулирован благодаря
встроенному источнику опорного напряжения (1.25 В). ИС ШИМ-контроллера IR3651S
совместно с парой DirectFET транзисторов обеспечивает эффективность
преобразования более 88% при напряжении питания 48 В и выходном напряжении 3.3
В на токе 6 А без применения радиаторов или обдува. Другое преимущество данной
ИС перед аналогами, представленными на рынке на сегодняшний день, заключается в
повышенном максимальном напряжении питания. ИС разработана по 160-вольтовой
HVIC технологии. Это позволяет повысить параметры надежности разработки в
целом. ИС ШИМ-контроллера IR3651S разработана для управления двумя внешними
N-каналь-ными МОП-транзисторами при их токах управления до 25 А и имеет несколько
опций защиты: программируемый плавный запуск, защита по току и блокировка
низкого напряжения. ИС имеет также функцию синхронизации для ее согласованной
работы на общую фазу. Таким образом, эта микросхема может быть использована как
для маломощных (менее 60 Вт) неизолированных DC/DC конверторов сетевого
оборудования, так и для мощных (более 200 Вт) каскадов предварительного
регулирования в управляемых изолированных конверторах. На рис. 3 представлена
схема включения ИС IR3651S.
Рисунок
3 Схема включения контроллера IR3651S
IR3094M
Схема 3-фазного ШИМ-контроле-ра для
синхронного DC-DC преобразователя IR3094MPbF совместно с использованием
транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET позволяет сократить на 40 % размеры
платы при сравнении с сегодняшними аналогами. Малые размеры контроллера IR3094
идеально подходят для построения компактных синхронных преобразователей для
систем с высокой плотностью монтажа. Обычно решения синхронных преобразователей
с тремя выходными напряжениями требуют 14 элементов: 3 контроллера, 6 ключей, 3
дросселя, компоненты, обеспечивающие внешнее включение, плюс компоненты
обратной связи. Преобразователи, собранные с применением контролера IR3094 и
транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET, IRF6637 и IRF6678 уменьшают количество
элементов преобразователя до 7 единиц. Три пары транзисторов в корпусе
DirectFET могут быть размещены в непосредственной близости с IR3094, создавая
решение, которое минимизирует размер печат ной платы и корпуса. Встроенные
мощные драйверы контроллера IR3094, объединенные с парой DirectFET
транзисторов, в каждой фазе создают решение для управления мощностью с высокой
плотностью тока для конверторов типа POL (точка-нагрузка). Контроллер IR3094M
разработан для приложений, требующих напряжения питания от 0.85 до 5.1 В. Он
размещен в компактном MLPQ корпусе 7
мм ? 7
мм и содержит встроенный 3 А драйвер управления ключами,
1 % источник опорного напряжения, установку выходного напряжения по каждой
фазе, программируемую частоту переключения до 540 кГц.
Контроллер обеспечивает следующие виды
защиты:
- программируемый мягкий старт;
- защита от КЗ в виде икающего тока на выходе каждой фазы;
- защита от перенапряжения;
- выход, сигнализирующий о текущем состоянии контроллера — «power
good».
Совместно с данным типом контроллера рекомендуется использовать транзистор
IRF6678, который является идеальным синхронным MOSFETом, который показывает
низкое значение сопротивления — 1.7 мОм –10 В. Транзистор IRF6637 обладает
низким значением заряда затвора (4 нКл) и менее подвержен эффекту Миллера,
сопротивление перехода составляет 5.7 мОм при 10 В.
IR3637
Для получения точного выходного напряжения с
отклонением 1 % компания International Rectifier выпускает ИС IR3637. Ее
применяют там, где необходимо высоко качество питающего напряжения. Данная ИС
позволяет пользователю работать в диапазоне входного напряжения от 4.5 до 16 В.
Основное преимущество данного ШИМ-контроллера — упрощенная конструкция и
повышение компактности DC-DC преобразователя. ИС расположена в компактном
корпусе SO-8 и обладает такими защитами как защита от короткого замыкания,
блокировка по низкому напряжению питания, функция мягкого старта с внешним
программированием.
Контроллер обеспечивает скважность
ШИМ-сигнала до 85 % на частоте 400 кГц, что позволяет снизить размеры дросселя
и улучшить динамические характеристики преобразователя. На рис. 4 представлена
схема включения ИС ШИМ-контроллера IR3637.
Ранее в приложениях с 12 В входным напряжением разработчики имели недостаточный
выбор возможностей и ориентировались в основном на использование
интегрированных неизолированных DC-DC преобразователей, занимающих существенно
большую площадь. Применение альтернативного решения на дискретных
компонентах(новых ШИМ-контроллерах и МОП-транзисторах) позволяет использовать
преимущества интеграции схемы конвертора в плату.
Рисунок
4 Схема включения ИС ШИМ-контроллера IR3637
При разработке схемы синхронного выпрямления
разработчику рекомендуется обратить внимание на три основных момента в разводке
цепи земли ШИМ контроллера:
- Во-первых, всегда старайтесь минимизировать физические области
протекания затворного тока. При разводке печатной платы все пути протекания
затворного тока должны быть минимизированы по площади.
- Во-вторых, необходима минимизация пути следующего большого
импульсного тока — тока заряда бутстрепного конденсатора. Этот путь
включает в себя бутстрепный конденсатор, бутстрепный диод, вывод VS
ШИМ-контроллера и открытый коммутирующий транзистор.
Бутстрепный конденсатор периодически подзаряжается через бут-стрепный диод
от демпфирующего конденсатора, что происходит за очень короткое время,
соответственно, очень большим током. Поэтому выход драйвера синхронного
ключа должен быть расположен как можно ближе к этому конденсатору. - Третья проблема связана с наличием емкостного тока между землей и
выходом управления синхронным ключом ШИМ-контроллера, протекающего по
низкоимпедансной цепи. ШИМ контроллеры компании ИР имеют отдельные выводы
сигнальной земли (обычно маркируются как GND) и силовой земли (COM). Это
позволяет возвращать паразитные емкостные токи по наиболее короткому пути.
Тем не менее, вывод силовой земли COM необходимо располагать как можно
ближе к истоку коммутирующего силового ключа, а конденсатор по питанию
ШИМ-контроллера должен быть расположен в непосредственной близости от
выводов питания и земли. Этот конденсатор может быть весьма небольшим,
поскольку он не пропускает через себя никаких больших импульсных токов и
не участвует в процессах перезаряда входных емкостей силовых ключей.
Номенклатура ШИМ-контроллеров
и интегрированных сборок на их основе у компании International Rectifier
насчитывает более 100 наименований. В табл. 1 приведены основные параметры
некоторых ШИМ-контроллеров. Для ускорения разработки синхронного
преобразователя напряжения компания International Rectifier представляет на
сайте on-line проект для разработчиков My-Power — http://www.irf.
com/design-center/mypower/index.html. Здесь разработчик может не только
рассчитать параметры схемы и увидеть осциллограммы работы устройства, но также
получить рекомендации по типу транзисторов и посмотреть их основные параметры.
Источник:
http://integral.rv.ua/IR5.html 
