eng
Выпуск #4/2006
Г.Штрапенин.
Микросхемы импульсных стабилизаторов напряжения и ШИМ-контроллеров фирмы National Semiconductor
Микросхемы импульсных стабилизаторов напряжения и ШИМ-контроллеров фирмы National Semiconductor
Просмотры: 4474
Компания National Semiconductor – один из ведущих мировых производителей микросхем стабилизаторов напряжения всех типов [1]. Микросхемы, разработанные этой компанией, в огромных объемах выпускаются фирмами многих стран. Последние разработки National Semiconductor – микромощные интегральные стабилизаторы напряжения (ИСН) серии LM3xxx и высоковольтные ИСН серии LM5xxx – обладают весьма высокими параметрами и перспективны для применения в устройствах питания различной радиоэлектронной аппаратуры. Заслуживают внимания также выпускаемые National Semiconductor микросхемы ШИМ-контроллеров – устройств управления импульсными стабилизаторами напряжения с внешними ключевыми транзисторами, в том числе для полумостовых и мостовых схем включения.
Улучшение параметров и массогабаритных характеристик новейших ИСН компании National Semiconductor достигается главным образом путем перехода от биполярной к БиКМОП- и КМОП-технологии и увеличением их рабочей частоты. Для повышения надежности и устойчивости работы ИСН наряду с традиционным управлением широтно-импульсным модулятором (ШИМ) с обратной связью по напряжению широко применяется дополнительная обратная связь по току дросселя (токовое управление). Кроме того, как правило, в новейших импульсных ИСН предусмотрены следующие дополнительные функции, позволяющие улучшить их параметры и обеспечить определенный режим питания:
· дистанционное включение и выключение (Shutdown);
· дежурный режим (Sleep Mode);
· установка предельного тока (Adjustable Current Limit);
· задержка включения (Delay);
· плавный запуск (Soft Start);
· контроль входного напряжения (Low Battery Detector и Under Voltage Lockout);
· выдача сигнала ошибки (Error Flag), когда выходное напряжение Uвых уменьшается на заданное значение, или обратного ему сигнала, свидетельствующего о нормальном напряжении Uвых (Power Good).
Вначале рассмотрим миниатюрные понижающие ИСН серии LM32xx, выпускаемые в корпусах microSMD и предназначенные для применения в радиочастотной аппаратуре с батарейным питанием – в мобильных телефонах, устройствах беспроводной связи, карманных компьютерах и т.п. Основные параметры некоторых стабилизаторов серии представлены в таблице.
Особенность микросхем LM3200 – управляемый режим прямого подключения (Bypass Mode) источника питания через специальный вывод микросхемы BYPOUT к мощной нагрузке, например к выходному каскаду усилителя мощности передатчика (рис.1). Выходное напряжение Uout регулируется управляющим сигналом, подаваемым на специальный вход Vcon, при этом Uout = 3Vcon. Возможно также и традиционное управление выходным напряжением за счет включения в цепь обратной связи резисторов с определенным сопротивлением. Для LM3200 предусмотрены дежурный режим работы (потребляемый ток 0,1 мкА), устанавливаемый подачей сигнала низкого уровня на вход EN, а также защита от перегрева и перегрузок по выходному току. У ИСН LM3202 аналогичные параметры (кроме Bypass Mode) при максимальном выходном токе 650 мА. Примеры расчета параметров внешних элементов ИСН приведены на сайте компании National Semiconductor (www.national.com).
Заслуживает внимания ИСН LM3661, способный работать как импульсный понижающий (PWM), так и линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO) [2]. По умолчанию LM3661 включается в режиме LDO, переходя через 600 мкс в импульсный режим. Переключение режимов возможно и путем подачи управляющего сигнала на специальный вывод микросхемы PWM/LDO. Этот же вывод в режиме PWM служит входом для сигнала внешней синхронизации частоты коммутации в пределах 500–750 кГц, что во многих случаях существенно снижает помехи при питании высокочастотной аппаратуры. Для установки выходного напряжения в пределах 1,05–1,4 В и для ограничения значения выходного тока в пределах 300–450 мА предусмотрены специальные выводы. Стабилизатор отличается высокой экономичностью – потребляемый ток в режиме LDO не превышает 29 мкА, в дежурном режиме – 0,05 мкА. Выпускается в миниатюрном корпусе microSMD.
Для портативных устройств (цифровых фотоаппаратов, МР-3 плееров, приводов малогабаритных жестких дисков, карманных компьютеров и другой аппаратуры с питанием от одного-трех Li-Ion элементов) National Semiconductor разработаны особо экономичные миниатюрные ИСН LM3670 и LM3671. Выпускаются в корпусах SOT-23 и microSMD. Особенность этих ИСН – автоматическое переключение из режима широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в режим частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) с уменьшением тока нагрузки, что значительно повышает КПД устройства. А благодаря весьма низким значениям токов покоя (16 мкА) и дежурного режима (0,1 мкА) увеличивается срок службы батареи. Еще одно достоинство LM3670 и LM3671 – очень малые (<5 мВ по амплитуде) пульсации выходного напряжения, что особенно ценно для портативных радиочастотных устройств. При этом требуются всего три внешних элемента: малогабаритный дроссель с индуктивностью 2,2 мкГ и два керамических конденсатора (рис.2).
Рассмотрим далее высоковольтные ИСН серии LM5xxx. LM5000 может работать как повышающий источник стабильного напряжения с максимальным выходным напряжением 80 В или как обратноходовой (Flyback) источник. Частота коммутации устанавливается подачей на специальный вывод FS управляющего напряжения: 300 или 700 кГц для модификации LM5000-3 и 600 или 1,3 МГц для LM5000-6. LM5000 содержит развитые системы защиты от перегрузок по току, перегрева и от понижения входного напряжения (Under Voltage Lockout, UVLO). Выпускаются в 16-выводных корпусах LLP и TSSOP.
Большой интерес для разработчиков устройств питания представляет семейство сильноточных высоковольтных понижающих стабилизаторов LM5007/10/08. Устройство управления этих стабилизаторов выполнено по модернизированной релейной схеме с гистерезисом и не требует сложных цепей коррекции, что позволяет обойтись минимумом внешних элементов. Время включения (активного состояния) силового ключа в зависимости от максимального значения входного напряжения задается внешним резистором, подключаемым между входом стабилизатора и выводом Ron. Благодаря обратно пропорциональной зависимости между входным напряжением и временем активного состояния ключа при изменении входного напряжения стабилизатора и сопротивления нагрузки частота переключения широтно-импульсного модулятора практически не изменяется.
Ключевой ИСН LM5007 рассчитан на максимальное напряжение 75 В (в соответствии с таблицей) и ток 0,7 А. Аналогичные параметры при максимальном токе нагрузки до 1,25 А имеет и ИСН LM5010. Резистор Ron с сопротивлением 137 кОм задает время активного состояния 265 нс, емкость конденсатора С6 определяет параметры плавного запуска (рис.3). Максимально допустимое входное напряжение высоковольтного ИСН LM5008 составляет 95 В (см. таблицу). Отметим, что эти стабилизаторы могут заменять в схемах питания с большим перепадом входных и выходных напряжений достаточно сложные и неэкономичные обратноходовые преобразователи.
Как и все ИСН семейства LM5xxx, LM5007/8/10 имеют дежурный режим, регулируемую схему ограничения тока, защиту от перегрева и понижения входного напряжения. LM5007 и LM5008 выпускаются в восьмивыводных корпусах LLP, miniSOIC и CERDIP (только LM5007), а LM5010 – в 10-выводных LLP и 14-выводных TSSOP.
Последняя разработка National Semiconductor – понижающий ИСН LM5005 с током нагрузки 2,5 А при максимальном входном напряжении 75 В. В устройстве применяется оригинальная схема управления ШИМ с обратной связью по нарастанию тока через индуктивность с внутренним генератором пилообразного тока. Схема обеспечивает простоту частотной компенсации, фильтрацию помех и паразитных выбросов и, как следствие, надежную работу стабилизатора при малом коэффициенте заполнения импульсов, необходимом для понижения высоких входных напряжений. Рабочая частота внутрисхемного генератора ИСН в диапазоне 50–500 кГц устанавливается резистором, подключаемым к выводу RT. Двунаправленный вход/выход SYNC обеспечивает синхронизацию тактовой частоты генератора управляющим сигналом или взаимную синхронизацию нескольких ИСН LM5005 (рис.4). Стабилизатор содержит полный набор схем защиты, обеспечивает регулируемый режим плавного запуска, а также дистанционное выключение и дежурный режим, реализуемые путем подачи соответствующих напряжений на управляющий вход SD. Напряжение на входе SD менее 0,7 В соответствует режиму выключения, в котором стабилизатор потребляет ток 5 мкА. При напряжении на входе SD 0,7–1,225 В активизируется внутренний источник питания микросхемы, но силовой ключ находится в закрытом состоянии. Нормальное функционирование ИСН возможно, когда напряжение на входе SD превышает 1,225 В или когда этот вход остается свободным. LM5005 выпускается в 20-выводном корпусе TSSOP с дополнительными монтажными площадками для увеличения рассеиваемой мощности.
Разработчикам мощных высоковольтных импульсных стабилизаторов фирма National Semiconductor предлагает серию современных ШИМ-контроллеров LM50xx. Отметим, что в ряде случаев как по суммарной стоимости, так и по надежности и устойчивости работы источника питания предпочтительнее вместо ИСН использовать комплект из ШИМ-контроллера и дискретных МОП-транзисторов.
Рассмотрение начнем с универсального высоковольтного контроллера LM5020 с диапазоном входных напряжений 8–100 В. Контроллер предназначен для применения в различных импульсных стабилизаторах (понижающих, повышающих, инвертирующих и обратноходовых) с внешним МОП-ключом. LM5020 выпускаются в двух вариантах, отличающихся уровнем ограничения максимального коэффициента заполнения выходных импульсов, необходимым для предотвращения насыщения импульсного трансформатора: 80% (LM5020-1) и 50% (LM5020-2). В контроллерах используется токовое управление, обеспечивающее высокий КПД и простоту частотной компенсации обратной связи. Рабочая частота устанавливается внешним резистором в пределах 50–1000 кГц. Максимальный ток драйвера затвора ключа – 1 А. Возможны программируемый плавный запуск, блокировка при понижении входного напряжения (UVLO), защита от перегрузок и перегрева. Микросхемы LM5020 выпускаются в миниатюрных 10-выводных корпусах LLP и miniSOIC.
По аналогичной LM5020 схеме построены ШИМ-контроллеры LM5021, применяемые в обратно- и прямоходовых ИП с питанием от сети переменного тока. Они также выпускаются в двух вариантах в зависимости от уровня ограничения максимального коэффициента заполнения выходных импульсов. В момент запуска контроллер LM5021 потребляет ток, равный всего 25 мкА, что позволяет снизить потери и использовать в обвязке микросхемы резисторы с малым сопротивлением. Повышению КПД способствует и режим пропуска выходного импульса при малых токах нагрузки. Встроенный драйвер затвора внешнего ключевого МОП-транзистора обеспечивает пиковый ток до 0,7 А. Рабочая частота в диапазоне 50–1000 кГц устанавливается резистором, подключаемым к выводу RT, который может использоваться и для синхронизации (рис.5). Время плавного запуска определяется емкостью конденсатора, подключенного к выводу SS. В дополнение к традиционным устройствам защиты от перегрузок и перегрева в LM5021 предусмотрена возможность пошагового ограничения тока и установления режима токовой защиты с автоматическим возобновлением работы после устранения перегрузки (Hiccup). Выпускаются в восьмивыводных корпусах MSOP и MDIP.
Для работы в прямоходовых преобразователях с входным напряжением до 100 В и выходной мощностью 50–200 Вт National Semiconductor выпускает ШИМ-контроллеры LM5025 c управлением по напряжению и LM5026 c токовым управлением, в которых для повышения экономичности и надежности применяется схема активного сброса тока первичной обмотки импульсного трансформатора с помощью специального ключа (Active Clamp/Reset), позволяющая обойтись без традиционной RDC-цепи и дополнительной обмотки трансформатора (рис.6). Особенность контроллеров – составные БиКМОП-драйверы затворов основного и Clamp-ключа, что обеспечивает высокое значение тока управления для всех случаев переключения. При этом в качестве Clamp-ключа может быть использован как n-, так и p-канальный МОП-транзистор. Драйвер затвора основного ключа обеспечивает ток до 3 А с программируемой установкой времени перекрытия и запирания (Deadtime Control) для исключения сквозных токов. Встроенный генератор работает в диапазоне частот до 1 МГц с возможностью синхронизации. Предумотрены программируемый плавный запуск и все схемы защиты. Затвор р-канального Clamp-ключа подключается к специальному выходу контроллера OUT_B. LM5025 и LM5026 выпускаются в 16-выводных корпусах TSSOP и LLP, размеры последнего – 5х5 мм.
ШИМ-контроллеры LM5030 (c токовым управлением) и LM5033 (c управлением по напряжению) предназначены для построения двухтактных импульсных преобразователей с мостовым и полумостовым включением ключевых МОП-транзисторов. Следует отметить, что LM5033 – один из первых ШИМ-контроллеров, соответствующих требованиям спецификации IBA (Intermediate Bus Architecture – архитектура с промежуточной шиной). Микросхема может управлять несколькими низковольтными шинами питания сложных систем, в которых применяются FPGA-, ASIC- и DSP-микросхемы. Архитектура IBA предусматривает два каскада силового преобразования, первый из которых, питаемый от высоковольтной сети, формирует промежуточное напряжение от 8 до 14 В, гальванически изолированное от входного напряжения. Это – напряжение питания неизолированных преобразователей, расположенных непосредственно вблизи нагрузки. Поэтому преобразователи, как первичный, так и вторичный должны быть максимально эффективными и занимать минимальную площадь печатной платы.
Максимальная рабочая частота контроллеров, устанавливаемая одним резистором, составляет 1 МГц. Предусмотрен режим синхронизации. Драйверы затворов силовых МОП-ключей обеспечивают ток до 1,5 А (возможно использование внешних интегральных драйверов LM5100 [3]). Развитые системы Deadtime Control и токоограничения с временем реакции 100 нс и отключением на переднем фронте импульса обеспечивают защиту силовых ключей, повышают надежность контроллера и позволяют использовать силовые компоненты с меньшим запасом по предельным параметрам. Как и другие ШИМ-контроллеры серии, микросхемы LM5030 и LM5033 содержат устройства плавного запуска и все схемы защиты. Выпускаются в 10-выводных корпусах LLP размером 4х4 мм.
Сдвоенные ШИМ-контроллеры с токовым управлением LM5032 и LM5034 предназначены для построения различных прямоходовых однофазных и двухфазных импульсных источников питания с внешними МОП-ключами. В LM5034 используется схема Active Clamp/Reset. Отметим, что благодаря минимальному времени реакции на изменение тока нагрузки и низкие пульсации выходного напряжения применение двухфазных источников питания весьма перспективно для аппаратуры связи. Контроллеры LM5032 и LM5034 рассчитаны на входное напряжение 12–100 В, их максимальная рабочая частота, устанавливаемая внешним резистором, – 2 МГц. Каждый из двух контроллеров имеет свою схему плавного запуска. Драйверы силовых ключей выполнены на базе составных транзисторов, аналогичных транзисторам, применяемым в контроллерах LM5025/26, и обеспечивают ток до 2,5 А. В качестве Clamp ключей для LM5034 используются p-канальные МОП-транзисторы с возможностью установки времени их перекрытия и запирания. Обе микросхемы имеют развитые системы защиты, включая программируемые схемы ограничения коэффициента заполнения выходных импульсов, UVLO и Hiccup. LM5032 и LM5034 выпускаются соответственно в 16- и 20-выводных корпусах TSSOP.
В заключение рассмотрим двухкаскадный интегрированный ШИМ-контроллер LM5041, состоящий из контроллера предварительного импульсного стабилизатора и схемы управления двухтактным преобразователем, что позволяет использовать его в источниках питания мощностью до 500 Вт. Максимальное значение рабочей частоты составляет 1 МГц. Предварительный импульсный стабилизатор построен по схеме, аналогичной другим ШИМ-контроллерам серии, и может работать как с токовым управлением, так и с управлением по напряжению. Драйверы двухтактного преобразователя рассчитаны на ток до 1,5 А и прямое подключение к ним затворов транзисторов силовых ключей. Для подключения ключевых транзисторов к первому каскаду регулятора (если в этом есть необходимость) требуются специальные микросхемы синхронных импульсных драйверов LM5101 или LM5102 [3]. LM5041 содержит все элементы управления и защиты контроллера и внешних ключей, включая программируемые схемы UVLO и Hiccup. Выпускается в 16-выводных корпусах TSSOP и LLP размером 5x5 мм.
Для сокращения сроков выбора и тестирования интегральных стабилизаторов напряжения и ШИМ-контроллеров National Semiconductor создала и разместила на своем сайте удобную программную оболочку WEBENCH. Она содержит мощную систему поиска, позволяющую быстро и точно находить нужный компонент среди массы других изделий. В результате выявляются наиболее подходящие для решения данной конкретной задачи приборы и схемные построения. Используя WEBENCH, разработчику электронных устройств больше не нужно выполнять трудоёмкие расчеты схем и их дорогостоящее физическое макетирование. Технология обеспечивает мгновенный доступ к последним SPICE-моделям, параметрам и иной информации о компонентах фирмы, а также позволяет пользователю одновременно проводить сравнение характеристик нескольких устройств. Различные инструменты WEBENCH интегрированы друг с другом, что создает дополнительные удобства для пользователя. Пользование программной оболочкой WEBENCH On-line бесплатно. Компания National Semiconductor гарантирует поставку любых поддерживаемых средствами WEBENCH продуктов в пределах 24 часов.
Широкая номенклатура, относительно невысокая стоимость и возможность онлайнового выбора интегральных импульсных стабилизаторов напряжения и ШИМ-контроллеров фирмы National Semiconductor делает их весьма привлекательными для широкого круга российских разработчиков РЭА. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте ЗАО "Промэлектроника" – официального дилера (Value Adder Dealer) фирмы National Semiconductor на территории России – по адресу http://www.promelec.ru/lines/nsc.html
Литература
1. Штрапенин Г. Интегральные импульсные стабилизаторы напряжения фирмы National Semiconductor. – Компоненты и технологии, 2005, №1, с.50–53.
2. Штрапенин Г. Интегральные стабилизаторы с малым падением напряжения фирмы National Semiconductor. – Компоненты и технологии, 2004, №7, с.58–61.
3. National Analog Products Databook. 2004 Edition.
· дистанционное включение и выключение (Shutdown);
· дежурный режим (Sleep Mode);
· установка предельного тока (Adjustable Current Limit);
· задержка включения (Delay);
· плавный запуск (Soft Start);
· контроль входного напряжения (Low Battery Detector и Under Voltage Lockout);
· выдача сигнала ошибки (Error Flag), когда выходное напряжение Uвых уменьшается на заданное значение, или обратного ему сигнала, свидетельствующего о нормальном напряжении Uвых (Power Good).
Вначале рассмотрим миниатюрные понижающие ИСН серии LM32xx, выпускаемые в корпусах microSMD и предназначенные для применения в радиочастотной аппаратуре с батарейным питанием – в мобильных телефонах, устройствах беспроводной связи, карманных компьютерах и т.п. Основные параметры некоторых стабилизаторов серии представлены в таблице.
Особенность микросхем LM3200 – управляемый режим прямого подключения (Bypass Mode) источника питания через специальный вывод микросхемы BYPOUT к мощной нагрузке, например к выходному каскаду усилителя мощности передатчика (рис.1). Выходное напряжение Uout регулируется управляющим сигналом, подаваемым на специальный вход Vcon, при этом Uout = 3Vcon. Возможно также и традиционное управление выходным напряжением за счет включения в цепь обратной связи резисторов с определенным сопротивлением. Для LM3200 предусмотрены дежурный режим работы (потребляемый ток 0,1 мкА), устанавливаемый подачей сигнала низкого уровня на вход EN, а также защита от перегрева и перегрузок по выходному току. У ИСН LM3202 аналогичные параметры (кроме Bypass Mode) при максимальном выходном токе 650 мА. Примеры расчета параметров внешних элементов ИСН приведены на сайте компании National Semiconductor (www.national.com).
Заслуживает внимания ИСН LM3661, способный работать как импульсный понижающий (PWM), так и линейный стабилизатор с малым падением напряжения (LDO) [2]. По умолчанию LM3661 включается в режиме LDO, переходя через 600 мкс в импульсный режим. Переключение режимов возможно и путем подачи управляющего сигнала на специальный вывод микросхемы PWM/LDO. Этот же вывод в режиме PWM служит входом для сигнала внешней синхронизации частоты коммутации в пределах 500–750 кГц, что во многих случаях существенно снижает помехи при питании высокочастотной аппаратуры. Для установки выходного напряжения в пределах 1,05–1,4 В и для ограничения значения выходного тока в пределах 300–450 мА предусмотрены специальные выводы. Стабилизатор отличается высокой экономичностью – потребляемый ток в режиме LDO не превышает 29 мкА, в дежурном режиме – 0,05 мкА. Выпускается в миниатюрном корпусе microSMD.
Для портативных устройств (цифровых фотоаппаратов, МР-3 плееров, приводов малогабаритных жестких дисков, карманных компьютеров и другой аппаратуры с питанием от одного-трех Li-Ion элементов) National Semiconductor разработаны особо экономичные миниатюрные ИСН LM3670 и LM3671. Выпускаются в корпусах SOT-23 и microSMD. Особенность этих ИСН – автоматическое переключение из режима широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в режим частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) с уменьшением тока нагрузки, что значительно повышает КПД устройства. А благодаря весьма низким значениям токов покоя (16 мкА) и дежурного режима (0,1 мкА) увеличивается срок службы батареи. Еще одно достоинство LM3670 и LM3671 – очень малые (<5 мВ по амплитуде) пульсации выходного напряжения, что особенно ценно для портативных радиочастотных устройств. При этом требуются всего три внешних элемента: малогабаритный дроссель с индуктивностью 2,2 мкГ и два керамических конденсатора (рис.2).
Рассмотрим далее высоковольтные ИСН серии LM5xxx. LM5000 может работать как повышающий источник стабильного напряжения с максимальным выходным напряжением 80 В или как обратноходовой (Flyback) источник. Частота коммутации устанавливается подачей на специальный вывод FS управляющего напряжения: 300 или 700 кГц для модификации LM5000-3 и 600 или 1,3 МГц для LM5000-6. LM5000 содержит развитые системы защиты от перегрузок по току, перегрева и от понижения входного напряжения (Under Voltage Lockout, UVLO). Выпускаются в 16-выводных корпусах LLP и TSSOP.
Большой интерес для разработчиков устройств питания представляет семейство сильноточных высоковольтных понижающих стабилизаторов LM5007/10/08. Устройство управления этих стабилизаторов выполнено по модернизированной релейной схеме с гистерезисом и не требует сложных цепей коррекции, что позволяет обойтись минимумом внешних элементов. Время включения (активного состояния) силового ключа в зависимости от максимального значения входного напряжения задается внешним резистором, подключаемым между входом стабилизатора и выводом Ron. Благодаря обратно пропорциональной зависимости между входным напряжением и временем активного состояния ключа при изменении входного напряжения стабилизатора и сопротивления нагрузки частота переключения широтно-импульсного модулятора практически не изменяется.
Ключевой ИСН LM5007 рассчитан на максимальное напряжение 75 В (в соответствии с таблицей) и ток 0,7 А. Аналогичные параметры при максимальном токе нагрузки до 1,25 А имеет и ИСН LM5010. Резистор Ron с сопротивлением 137 кОм задает время активного состояния 265 нс, емкость конденсатора С6 определяет параметры плавного запуска (рис.3). Максимально допустимое входное напряжение высоковольтного ИСН LM5008 составляет 95 В (см. таблицу). Отметим, что эти стабилизаторы могут заменять в схемах питания с большим перепадом входных и выходных напряжений достаточно сложные и неэкономичные обратноходовые преобразователи.
Как и все ИСН семейства LM5xxx, LM5007/8/10 имеют дежурный режим, регулируемую схему ограничения тока, защиту от перегрева и понижения входного напряжения. LM5007 и LM5008 выпускаются в восьмивыводных корпусах LLP, miniSOIC и CERDIP (только LM5007), а LM5010 – в 10-выводных LLP и 14-выводных TSSOP.
Последняя разработка National Semiconductor – понижающий ИСН LM5005 с током нагрузки 2,5 А при максимальном входном напряжении 75 В. В устройстве применяется оригинальная схема управления ШИМ с обратной связью по нарастанию тока через индуктивность с внутренним генератором пилообразного тока. Схема обеспечивает простоту частотной компенсации, фильтрацию помех и паразитных выбросов и, как следствие, надежную работу стабилизатора при малом коэффициенте заполнения импульсов, необходимом для понижения высоких входных напряжений. Рабочая частота внутрисхемного генератора ИСН в диапазоне 50–500 кГц устанавливается резистором, подключаемым к выводу RT. Двунаправленный вход/выход SYNC обеспечивает синхронизацию тактовой частоты генератора управляющим сигналом или взаимную синхронизацию нескольких ИСН LM5005 (рис.4). Стабилизатор содержит полный набор схем защиты, обеспечивает регулируемый режим плавного запуска, а также дистанционное выключение и дежурный режим, реализуемые путем подачи соответствующих напряжений на управляющий вход SD. Напряжение на входе SD менее 0,7 В соответствует режиму выключения, в котором стабилизатор потребляет ток 5 мкА. При напряжении на входе SD 0,7–1,225 В активизируется внутренний источник питания микросхемы, но силовой ключ находится в закрытом состоянии. Нормальное функционирование ИСН возможно, когда напряжение на входе SD превышает 1,225 В или когда этот вход остается свободным. LM5005 выпускается в 20-выводном корпусе TSSOP с дополнительными монтажными площадками для увеличения рассеиваемой мощности.
Разработчикам мощных высоковольтных импульсных стабилизаторов фирма National Semiconductor предлагает серию современных ШИМ-контроллеров LM50xx. Отметим, что в ряде случаев как по суммарной стоимости, так и по надежности и устойчивости работы источника питания предпочтительнее вместо ИСН использовать комплект из ШИМ-контроллера и дискретных МОП-транзисторов.
Рассмотрение начнем с универсального высоковольтного контроллера LM5020 с диапазоном входных напряжений 8–100 В. Контроллер предназначен для применения в различных импульсных стабилизаторах (понижающих, повышающих, инвертирующих и обратноходовых) с внешним МОП-ключом. LM5020 выпускаются в двух вариантах, отличающихся уровнем ограничения максимального коэффициента заполнения выходных импульсов, необходимым для предотвращения насыщения импульсного трансформатора: 80% (LM5020-1) и 50% (LM5020-2). В контроллерах используется токовое управление, обеспечивающее высокий КПД и простоту частотной компенсации обратной связи. Рабочая частота устанавливается внешним резистором в пределах 50–1000 кГц. Максимальный ток драйвера затвора ключа – 1 А. Возможны программируемый плавный запуск, блокировка при понижении входного напряжения (UVLO), защита от перегрузок и перегрева. Микросхемы LM5020 выпускаются в миниатюрных 10-выводных корпусах LLP и miniSOIC.
По аналогичной LM5020 схеме построены ШИМ-контроллеры LM5021, применяемые в обратно- и прямоходовых ИП с питанием от сети переменного тока. Они также выпускаются в двух вариантах в зависимости от уровня ограничения максимального коэффициента заполнения выходных импульсов. В момент запуска контроллер LM5021 потребляет ток, равный всего 25 мкА, что позволяет снизить потери и использовать в обвязке микросхемы резисторы с малым сопротивлением. Повышению КПД способствует и режим пропуска выходного импульса при малых токах нагрузки. Встроенный драйвер затвора внешнего ключевого МОП-транзистора обеспечивает пиковый ток до 0,7 А. Рабочая частота в диапазоне 50–1000 кГц устанавливается резистором, подключаемым к выводу RT, который может использоваться и для синхронизации (рис.5). Время плавного запуска определяется емкостью конденсатора, подключенного к выводу SS. В дополнение к традиционным устройствам защиты от перегрузок и перегрева в LM5021 предусмотрена возможность пошагового ограничения тока и установления режима токовой защиты с автоматическим возобновлением работы после устранения перегрузки (Hiccup). Выпускаются в восьмивыводных корпусах MSOP и MDIP.
Для работы в прямоходовых преобразователях с входным напряжением до 100 В и выходной мощностью 50–200 Вт National Semiconductor выпускает ШИМ-контроллеры LM5025 c управлением по напряжению и LM5026 c токовым управлением, в которых для повышения экономичности и надежности применяется схема активного сброса тока первичной обмотки импульсного трансформатора с помощью специального ключа (Active Clamp/Reset), позволяющая обойтись без традиционной RDC-цепи и дополнительной обмотки трансформатора (рис.6). Особенность контроллеров – составные БиКМОП-драйверы затворов основного и Clamp-ключа, что обеспечивает высокое значение тока управления для всех случаев переключения. При этом в качестве Clamp-ключа может быть использован как n-, так и p-канальный МОП-транзистор. Драйвер затвора основного ключа обеспечивает ток до 3 А с программируемой установкой времени перекрытия и запирания (Deadtime Control) для исключения сквозных токов. Встроенный генератор работает в диапазоне частот до 1 МГц с возможностью синхронизации. Предумотрены программируемый плавный запуск и все схемы защиты. Затвор р-канального Clamp-ключа подключается к специальному выходу контроллера OUT_B. LM5025 и LM5026 выпускаются в 16-выводных корпусах TSSOP и LLP, размеры последнего – 5х5 мм.
ШИМ-контроллеры LM5030 (c токовым управлением) и LM5033 (c управлением по напряжению) предназначены для построения двухтактных импульсных преобразователей с мостовым и полумостовым включением ключевых МОП-транзисторов. Следует отметить, что LM5033 – один из первых ШИМ-контроллеров, соответствующих требованиям спецификации IBA (Intermediate Bus Architecture – архитектура с промежуточной шиной). Микросхема может управлять несколькими низковольтными шинами питания сложных систем, в которых применяются FPGA-, ASIC- и DSP-микросхемы. Архитектура IBA предусматривает два каскада силового преобразования, первый из которых, питаемый от высоковольтной сети, формирует промежуточное напряжение от 8 до 14 В, гальванически изолированное от входного напряжения. Это – напряжение питания неизолированных преобразователей, расположенных непосредственно вблизи нагрузки. Поэтому преобразователи, как первичный, так и вторичный должны быть максимально эффективными и занимать минимальную площадь печатной платы.
Максимальная рабочая частота контроллеров, устанавливаемая одним резистором, составляет 1 МГц. Предусмотрен режим синхронизации. Драйверы затворов силовых МОП-ключей обеспечивают ток до 1,5 А (возможно использование внешних интегральных драйверов LM5100 [3]). Развитые системы Deadtime Control и токоограничения с временем реакции 100 нс и отключением на переднем фронте импульса обеспечивают защиту силовых ключей, повышают надежность контроллера и позволяют использовать силовые компоненты с меньшим запасом по предельным параметрам. Как и другие ШИМ-контроллеры серии, микросхемы LM5030 и LM5033 содержат устройства плавного запуска и все схемы защиты. Выпускаются в 10-выводных корпусах LLP размером 4х4 мм.
Сдвоенные ШИМ-контроллеры с токовым управлением LM5032 и LM5034 предназначены для построения различных прямоходовых однофазных и двухфазных импульсных источников питания с внешними МОП-ключами. В LM5034 используется схема Active Clamp/Reset. Отметим, что благодаря минимальному времени реакции на изменение тока нагрузки и низкие пульсации выходного напряжения применение двухфазных источников питания весьма перспективно для аппаратуры связи. Контроллеры LM5032 и LM5034 рассчитаны на входное напряжение 12–100 В, их максимальная рабочая частота, устанавливаемая внешним резистором, – 2 МГц. Каждый из двух контроллеров имеет свою схему плавного запуска. Драйверы силовых ключей выполнены на базе составных транзисторов, аналогичных транзисторам, применяемым в контроллерах LM5025/26, и обеспечивают ток до 2,5 А. В качестве Clamp ключей для LM5034 используются p-канальные МОП-транзисторы с возможностью установки времени их перекрытия и запирания. Обе микросхемы имеют развитые системы защиты, включая программируемые схемы ограничения коэффициента заполнения выходных импульсов, UVLO и Hiccup. LM5032 и LM5034 выпускаются соответственно в 16- и 20-выводных корпусах TSSOP.
В заключение рассмотрим двухкаскадный интегрированный ШИМ-контроллер LM5041, состоящий из контроллера предварительного импульсного стабилизатора и схемы управления двухтактным преобразователем, что позволяет использовать его в источниках питания мощностью до 500 Вт. Максимальное значение рабочей частоты составляет 1 МГц. Предварительный импульсный стабилизатор построен по схеме, аналогичной другим ШИМ-контроллерам серии, и может работать как с токовым управлением, так и с управлением по напряжению. Драйверы двухтактного преобразователя рассчитаны на ток до 1,5 А и прямое подключение к ним затворов транзисторов силовых ключей. Для подключения ключевых транзисторов к первому каскаду регулятора (если в этом есть необходимость) требуются специальные микросхемы синхронных импульсных драйверов LM5101 или LM5102 [3]. LM5041 содержит все элементы управления и защиты контроллера и внешних ключей, включая программируемые схемы UVLO и Hiccup. Выпускается в 16-выводных корпусах TSSOP и LLP размером 5x5 мм.
Для сокращения сроков выбора и тестирования интегральных стабилизаторов напряжения и ШИМ-контроллеров National Semiconductor создала и разместила на своем сайте удобную программную оболочку WEBENCH. Она содержит мощную систему поиска, позволяющую быстро и точно находить нужный компонент среди массы других изделий. В результате выявляются наиболее подходящие для решения данной конкретной задачи приборы и схемные построения. Используя WEBENCH, разработчику электронных устройств больше не нужно выполнять трудоёмкие расчеты схем и их дорогостоящее физическое макетирование. Технология обеспечивает мгновенный доступ к последним SPICE-моделям, параметрам и иной информации о компонентах фирмы, а также позволяет пользователю одновременно проводить сравнение характеристик нескольких устройств. Различные инструменты WEBENCH интегрированы друг с другом, что создает дополнительные удобства для пользователя. Пользование программной оболочкой WEBENCH On-line бесплатно. Компания National Semiconductor гарантирует поставку любых поддерживаемых средствами WEBENCH продуктов в пределах 24 часов.
Широкая номенклатура, относительно невысокая стоимость и возможность онлайнового выбора интегральных импульсных стабилизаторов напряжения и ШИМ-контроллеров фирмы National Semiconductor делает их весьма привлекательными для широкого круга российских разработчиков РЭА. Более подробную техническую информацию можно найти на сайте ЗАО "Промэлектроника" – официального дилера (Value Adder Dealer) фирмы National Semiconductor на территории России – по адресу http://www.promelec.ru/lines/nsc.html
Литература
1. Штрапенин Г. Интегральные импульсные стабилизаторы напряжения фирмы National Semiconductor. – Компоненты и технологии, 2005, №1, с.50–53.
2. Штрапенин Г. Интегральные стабилизаторы с малым падением напряжения фирмы National Semiconductor. – Компоненты и технологии, 2004, №7, с.58–61.
3. National Analog Products Databook. 2004 Edition.
Отзывы читателей
