М. Тимофеев

Высоковольтные ШИМ-контроллеры фирмы STMicroelectronics

Наряду с известными микросхемами семейства TOPSwitch фирмы Power Integrations [1], значительное место на рынке занимают компоненты фирмы STMicroelectronics - высоковольтные ШИМ-контроллеры семейства VIPer (VIPer20, VIPer50, VIPer100) и ШИМ-контроллеры L6590, L6590A для построения импульсных блоков питания от 5 до 100 Вт в диапазоне входных напряжений от 85 до 265 В сети переменного тока.

В устройствах семейства VIPer в одной микросхеме интегрированы высоковольтный (700 В) МОП-транзистор и контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Микросхемы VIPer включают в себя все функции, необходимые для построения импульсного источника электропитания: мощный МОП-транзистор, ШИМ-контроллер, высоковольтная цепь запуска, цепи компенсации и защиты по току и температуре. Конструктивно микросхема выполнена в 5-выводном корпусе Pentawatt (ТО-220-5) или в корпусе для поверхностного монтажа PowerSO-10. Корпус PowerSO-10 - фирменная разработка STM, он обеспечивает превосходный отвод тепла, его тепловое сопротивление составляет 50оС/Вт.

Основные области применения микросхем семейства VIPer - бытовая электроника с потреблением энергии до 100 Вт (телевизоры, компьютеры, мониторы, видеомагнитофоны, аудиоусилители), различные зарядные устройства (для радиотелефонов, сотовой телефонии, видеокамер), импульсные источники питания, компьютерная периферия и так далее.

ШИМ-контроллеры L6590, L6590A построены аналогично VIPer. Основные отличия - встроенный генератор 65 кГц, защита от понижения напряжения сети, переход на частоту переключения 22 кГц в дежурном режиме и пониженное потребление в н╦м. Они предназначены для источников питания мощностью до 15 Вт и скорпусированы соответственно в DIP8 и SO16.

Основные области применения микросхем L6590 - это сетевые адаптеры, дежурные источники питания для мониторов (соответствующие стандарту потребления Blue Angel), факсов, телевизоров, принтеров и так далее.

Блок-схема ШИМ-контроллеров L6590, L6590A и схемотехническое построение источника питания на базе L6590A приведены на рис. 1 и 2.

Рассмотрим основные особенности микросхем семейства VIPer:

• регулируемая частота переключения - от 0 до 200 кГц;
• режим токовой регуляции;
• мягкий старт;
• потребление от сети переменного тока менее 1 Вт в дежурном режиме;
• выключение при понижении напряжения питания в случае короткого замыкания (КЗ) или перегрузки по току;
• интегрированная в микросхему цепь запуска;
• автоматический перезапуск;
• защита от перегрева;
• регулируемое ограничение по току.

Блок-схема ШИМ-контроллеров семейства VIPer и схемотехническое построение источника питания на базе VIPer100 приведены на рис. 3 и 4.

Интеграция в одном кристалле ШИМ-контроллера и высоковольтного МОП-транзистора позволяет значительно повысить над╦жность микросхем семейства VIPer за сч╦т уменьшения числа компонентов системы и встроенных в микросхему схем защиты от перегрузки по току и перегрева. Уменьшение числа компонентов и упрощение конструирования позволяют также понизить общую стоимость разработки и производства источников питания. Упрощение проектирования уменьшает вероятность паразитного возбуждения и пульсацию выходного напряжения, что нередко бывает вследствие неудачного расположения элементов и печатных проводников на плате.

Фирма STMicroelectronics также предоставляет для разработчиков пакеты автоматизированного расч╦та параметров источника питания на основе VIPer (VIPerXXX Design Software).

Как и в аналогичных микросхемах семейства TOPSwitch производства фирмы Power Integrations, в микросхемах семейства VIPer применяется режим регулирования по току. Используется две петли обратной связи - внутренняя петля контроля по току и внешняя петля контроля по напряжению. Когда МОП-транзистор открыт, значение тока первичной обмотки трансформатора отслеживается датчиком SenseFET и преобразуется в напряжение, пропорциональное току. Когда это напряжение достигает величины, равной Vcomp (напряжение на выводе COMP - выходное напряжение усилителя ошибки), транзистор закрывается. Таким образом, внешняя петля регулирования по напряжению определяется величиной, при которой внутренняя токовая петля выключает высоковольтный ключ.

Режим токового регулирования гарантирует хорошее ограничение в случае КЗ. В этом случае происходит понижение напряжения обмотки обратной связи, и таким образом Vdd (напряжение на выводе VDD) достигает уровня 8 В. При этом срабатывает защита от понижения напряжения питания UVLO, и транзистор закрывается. Включается высоковольтный запускающий источник тока, который заряжает внешний конденсатор С4 ( рис. 4) до уровня 11 В (соответственно, от ╦мкости С4 будет зависеть время перезапуска), при котором происходит попытка включения источника питания в рабочий режим.

При желании внутренне ограниченный пиковый ток можно уменьшить, ограничивая напряжение на выводе Vcomp, что удобно для дистанционного выключения всего источника питания по внешнему сигналу.

Важным преимуществом семейства VIPer является чрезвычайно широкий диапазон рабочего цикла - от 0 до 90 %. Известно, что микросхемы Power Integrations семейства TOPSwitch требуют небольшую балластную нагрузку при работе в режиме холостого хода, чтобы источник питания не вышел за пределы регулирования.

У VIPer этот недостаток отсутствует. Находясь в режиме холостого хода, они переходят в режим отдельных импульсов тока, позволяющий осуществить регулирование по вторичной обмотке. При этом напряжение на вспомогательной обмотке превышает 13 В и переводит усилитель ошибки в состояние логического нуля. Транзистор выключается, и источник питания работает практически с нулевым рабочим циклом. Когда Vdd достигает порога включения, устройство вновь включается на короткое время. Эти циклы повторяются с пропуском периодов переключения, и эквивалентная рабочая частота в таком режиме намного меньше, чем в нормальном режиме, что приводит к значительному уменьшению потребления энергии от сети переменного тока. Дежурный режим работы соответствует немецкому стандарту Blue Angel (потребление энергии меньше 1 Вт для систем в режиме Stand-by).

Ещ╦ одним важным преимуществом VIPer является регулируемая частота преобразования до 200 кГц с помощью внешней RC-цепочки. Тактовая частота 200 кГц позволяет уменьшить габариты трансформатора и выходного сглаживающего LC-фильтра, а значит и всего источника питания в целом. Также вывод OSC позволяет осуществить синхронизацию источника питания от внешнего источника сигнала.

Нельзя не отметить и улучшенные тепловые характеристики микросхем семейства VIPer, по сравнению с семейством TOPSwitch Power Integrations. Тепловое сопротивление RJA VIPer корпуса Pentawatt достигает 60ºC/Вт, а корпуса PowerSO-10 - 50ºC/Вт. При этом корпус PowerSO-10 очень удобен при применении технологии поверхностного монтажа и может быть установлен на контактную медную площадку на поверхности печатной платы широкой подложкой, соедин╦нной со стоком мощного транзистора.

В настоящее время в разработке находятся новые микросхемы семейства VIPer. Это VIPer20AII, VIPer50AII с частотой переключения до 300 кГц, а также VIPer12А с фиксированной частотой переключения 50 кГц и максимальной выходной мощностью 12 Вт в корпусах DIP-8 и SO-8. Интересно сравнить технические характеристики двух похожих семейств высоковольтных ШИМ-контроллеров TOPSwitch фирмы Power Integrations и VIPer фирмы STMicroelectronics.

Кажется несколько странным, что при худших тепловых сопротивлениях (70ºC/Вт - TOP227; 60 (50)ºC/Вт - VIPer100A (VIPer100ASP)), практически одинаковых сопротивлениях ключа в открытом состоянии RDS ON (3,0 Ом - TOP227; 2,8 Ом - VIPer100A), одинаковом значении ограничения пикового тока (3,0 А) и меньшем диапазоне рабочего цикла (2√67% для TOP227; 0√90% для VIPer100A) производители TOP227 заявляют о применении этих микросхем в источниках питания мощностью до 150 Вт. Разработчики VIPer придерживаются цифры 100 Вт для источников питания, работающих от сети 230 В переменного тока.

Заказать микросхемы семейства VIPer можно в фирме МАКРО ТИМ по адресу: Москва, Зел╦ный пр-т, 2/19. Изделия STMicroelectronics отличаются низкой коммерческой стоимостью и высоким качеством, полностью соответствующим стандартам крупнейших фирм-производителей. Вс╦ это позволяет расcчитывать на широкие перспективы применения микросхем семейства VIPer на российском рынке. По всем возникающим вопросам, а также за дополнительной информацией просим обращаться к нам.

Таблица. Сравнительные характеристики VIPer и TOPSwitch

*) V_DS - напряжение сток√исток; R_{DS ON MAX} - сопротивление ключа в открытом состоянии; I_LIMI - порог ограничения пикового тока; F - частота переключения; R_JA - тепловое сопротивление перехода кристалл - окружающая среда; D - рабочий цикл; I_SUPPLY - ток собственного потребления микросхемы.

Литература

1. Кессених В., Воробьев О. Преобразователи напряжения. TOPSwitch POWER INTEGRATIONS // Chip News. 1999. ╧ 9. С. 21√23.
2. Балковой А., Сливинская Г., Цаценкин В. Система управления линейным прецизионным электроприводом на базе сигнального процессора // Chip News. 2000. ╧ 9. С. 22√26.