Выбор микросхемы контроллера

November 5, 2011 by admin Комментировать »

Сегодня существует большой выбор микросхем управления (контроллеров). Уже на ранних стадиях проектирования можно определить набор функциональности и степень интеграции микросхемы, например: будет ли находиться внутри микросхемы ключ, высоковольтная схема запуска, цепь плавного включения, схемы синхронизации и т.п. Такие решения обусловливаются спецификой конкретного приложения и требуемыми дополнительными функциями.

При выборе микросхемы следует быть крайне осторожным. Первая страница спецификации не всегда содержит ее полное описание. В дальнейшем должны быть исследованы такие тонкие моменты, как метод управления, способ использования выходных драйверов, функционирование схемы защиты и т.п. Это требует тщательного изучения внутренней микросхемы и схематики приложений. Примером, когда вкрадывается неразбериха, может служить новые поколения микросхем понижающего контроллера для выходных напряжений менее 3,3 В. Эти микросхемы предназначены для работы от более высокого напряжения источника, чем их входная линия электроснабжения, и управления полевыми МОП-транзисторами при очень низком уровне напряжения. Традиционный понижающий контроллер работает от своего входного напряжения и управляет этим напряжением полевым МОП- транзистором. Не сопоставив данные первых страниц спецификации, эти две микросхемы неотличимы, и еще труднее различить их, если они представлены как результат поиска на Web-сайте поставщика. Это будет стоить вам драгоценного времени.

Сегодня, более чем когда-либо, новые микросхемы управления занимают узкую целевую нишу рынка приложений. Это обычно подразумевает сокращение до минимума количества контактов корпуса для минимизации внешних цепей. Это сильно ограничивает гибкость микросхемы, по причине чего процесс отбора становится еще более важным.

3.8.1. Краткий обзор схемы управлении импульсными источниками питания

Возможно в этом кратком обзоре мы повторим то, что было сказано ранее в этой главе, однако это необходимо. Главная цель схемы управления — поддержание постоянного выходного напряжения для большого диапазона токов нагрузки. Для этой цели используется контур отрицательной обратной связи. Контроллеры всех источников питания — как линейных, так и импульсных — считывают выходное напряжение. Номинальное выходное напряжение понижается до уровня опорного напряжения где-то внутри микросхемы контроллера. Это напряжение обратной связи подается на инверсный вход операционного усилителя с большой степень усиления, называемого усилителем напряжения ошибки. Опорное напряжение подается на неинверсный вход того же операционного усилителя. Выход усилителя соответствует очень усиленной разнице между опорным и выходным напряжениями. Это выходное напряжение называется напряжением рассогласования (или ошибки). В дальнейшем это напряжение используется для управления той частью энергии, которую источник питания собирается передать нагрузке. Напряжение рассогласования может быть положительным, указывая на то, что выходное напряжение слишком низкое, и источник питания должен поставить на выход больше энергии. С другой стороны, отрицательное значение рассогласования указывает на то, что выходное напряжение слишком велико, и пропускаемая энергии должна быть уменьшена.

Для того чтобы источник питания не превышал своих номиналов мощности, обычно считывают значение тока. Существует два метода измерения тока: средний выходной ток и мгновенный ток. Работа схем среднего тока очень напоминают работу описанного ранее контура обратной связи. Ток обычно измеряется как напряжение на резисторе, включенного последовательно с измеряемым током. Это напряжение либо усиливается, либо используется его очень малая величина. Затем это напряжение подается на инверсный вход операционного усилителя, а опорное напряжение соответствует желаемому максимальному значению выходного напряжения. Когда ток становится слишком большим, напряжение отклонения тока меняет свою полярность (с положительной на отрицательную), указывая, что выходной ток превысил желаемое максимальное значение. Этот сигнал может быть использован для блокировки сигнала рассогласования напряжений и уменьшения энергии, пропускаемой источником питания.

Считывание мгновенного тока используется для защиты мощных полупроводников. Считывающий резистор расположен на пути тока, протекающего через ключ, а напряжение на нем соответствует мгновенному току, протекающему через мощный элемент. Это напряжение затем подается на очень быстрый аналоговый компаратор (схема сравнения). Если предопределенное напряжение превышено, то силовое мощный элемент сразу же выключается (размыкание ключа). Это очень хорошая защита мощного элемента.

3.8.2. Выбор оптимального метода управления

Выбор метода микросхемы контроллера — очень важный момент. Если сделать неправильный выбор, то это может привести к нестабильности источника и пустой трате драгоценного времени. Разработчик должен понимать тонкие различия между разными формами управления. В общем случае, прямоходовые топологии обычно используют контроллеры, работающие в режиме напряжения, а в повышающих топологиях обычно используется управление в токовом режиме. Это, конечно же, не догма, поскольку в каждой топологии могут быть использованы любые методы управления, но с различными результатами. Методы управления в импульсных источниках питания перечислены в табл. 3.6.

Таблица 3.6. Методы управления в импульсных источниках питания

Метод управления

Оптимальная топология

Краткая характеристика

Методы

Vправления широтно-импульсной модуляцией

Режим напряжения с ограничением средней перегрузки по току

Прямоходовая

Медленное ограничение перегрузки по току, что может привести к повреждению ключа

Режим напряжения с межимпульсным ограничением перегрузки по току

Прямоходовая

Очень хорошая защита от перегрузки по току; обычно организовано считывание тока со стороны высокого напряжения

Гистерезисный токовый режим

Прямоходовая и повышающая

Строго запатентованный; несколько микросхем контроллеров

Токовый режим, включение по тактовому сигналу

Повышающая

Очень хорошая защита от перегрузки по току; множество микросхем; обычно используется ключ с заземленным драйвером

Квазирезонансные и резонансно-переходные методы управления

Постоянное время выключения

Квазирезонансное переключение при нулевом напряжении

Различные частоты; требует ограничения высоких частот

Постоянное время включения

Квазирезонансное переключение при нулевом токе

Различные частоты; требует ограничения низких частот

Фазовая модуляция

Полномостовая топология с прямоходовым режимом ШИМ

Фиксированная частота

Управление в режиме напряжения

Этот метод управления представлен на рис. 3.40. Важной чертой управления в режиме напряжения является то, что напряжение рассогласования подается на ШИМ-компаратор и сравнивается с пилообразными импульсами, создаваемыми тактовым генератором. При возрастании или снижении напряжения рассогласования длительность импульса выходного сигнала соответственно увеличивается или уменьшается. Для идентификации микросхемы контроллера, работающей в режиме напряжения, обратите внимание на конденсатор R-C-осциллятора и выясните, подаются ли пилообразные импульсы напряжения этого конденсатора на компаратор вместе с напряжением согласования.

Рис. 3.40. Схема управления в режиме напряжения с ограничением среднего выходного тока и

межимпульсным ограничением тока

Существует два варианта защиты от перегрузки по току в микросхемах управления, работающих в режиме напряжения. Первый, более старый способ, называется ограничением среднего тока (average current foldback). В данном случае выходной ток считывается резистором, включенным последовательно с нагрузкой. Токовый сигнал может быть усилен и подан на усилитель отклонения тока с коррекцией. Усилитель тока распознает, когда сила выходного тока приближается к предустановленному пределу, блокирует усилитель напряжения рассогласования и ограничивает ток, если он пытается еще больше вырасти. Ограничение среднего тока имеет один характерный недостаток, если оно используется само по себе в качестве защиты от перегрузки по току: его реакция слишком медленна для предотвращения повреждения ключа, если на выходе возникнет внезапное короткое замыкание. Кроме того, когда магнитные элементы входят в состояние насыщения, ограничение среднего тока не работает. Это в течение нескольких микросекунд может создавать экспоненциально возрастающие токи, способные вывести ключ из строя.

Второй метод защиты от перегрузки по току — межимпульсное ограничение (pulse-to-pulse limiting). Этот метод гарантирует протекание через ключ максимально безопасного тока. Элемент восприятия тока (резистор или трансформатор тока) включается последовательно с ключом (ключами). Он отслеживает мгновенный ток, протекающий через ключ, и сразу же размыкает ключ в случае превышения этим током предустановленного предела. Такая цепь должна быть очень быстродействующей, и будет защищать ключ от всех форм мгновенных перегрузок по току, включая насыщение сердечника. Этот метод не является формой управления в токовом режиме, поскольку предел такой защиты фиксирован и не зависит от внешних факторов.

Последняя форма управления в режиме напряжения очень проста. Ее можно назвать гистерезисным режимом напряжения. В этой форме управления осциллятор фиксированной частоты выдает импульс "BKJ1", только когда выходное напряжение падает ниже предела, заданного контуром обратной связи по напряжению. Такой режим иногда называют "режимом икоты", поскольку ключ время от времени на короткий период замыкается, а затем возвращается в постоянное разомкнутое состояние. Существует несколько микросхем контроллеров и интегрированных импульсных источников питания, использующих этот режим управления. Они дают фиксированный уровень пульсаций выходного напряжения, который варьируется по частоте пропорционально току нагрузки.

Управление в токовом режиме

Управление в токовом режиме лучше всего использовать в топологиях, где выше линейные склоны в форме волны тока. Это относится к повышающим топологиям: чисто повышающей, инвертирующей и обратноходовой.

Методы управления в токовом режиме регулируют пиковые (а иногда минимальные) значения размаха амплитуды тока, протекающего через ключ, что эквивалентно размаху амплитуды магнитной индукции внутри магнитного сердечника. По сути, регулируются магнитные характеристики сердечника. Самой распространенной формой токового режима является "включение по тактовому импульсу" (рис. 3.41). В этом случае осциллятор фиксированной частоты устанавливает триггер, а высокоскоростной токовый компаратор сбрасывает этот триггер. Триггер находится в состоянии "1", когда ключ проводит ток.

Порог для токового компаратора устанавливается выходом усилителя напряжения рассогласования. Если усилитель ошибки сигнализирует о том, что выходное напряжение слишком низкое, то порог тока повышается, чтобы позволить большему количеству энергии достичь нагрузки. Имеет место также и обратный процесс.

Управлению в режиме тока присуща защита от перегрузки по току. Высокоскоростной токовый компаратор обеспечивает межимпульсное ограничение тока. Такая форма защиты называется постоянной силовой формой защиты от перегрузки (см. раздел 3.11) и ограничивает ток и напряжение для поддержания постоянной мощности на нагрузке. Такая защита, возможно, не является оптимальной для всех изделий (особенно в тех, где типичные сбои медленно увеличивают аварийный ток).

В схеме управления может быть также размещена и другая форма защиты от перегрузки — гистерезисное управление в токовом режиме (рис. 3.42). При таком управлении контролируются как пиковые, так и минимальные значения тока. Гистерезисное управление явно лучше подходит для повышающих преобразователей, работающих в непрерывном прямоходовом режиме. Такой подход отчасти услож

няет конструкцию, но обеспечивает очень малое время реакции. Гистерезисный метод управления не самый распространенный, а его частота варьируется.

Рис. 3.41. Управление в токовом режиме с включением по тактовому импульсу

 

Рис. 3.42. Пример схемы управления в гистерезисном токовом режиме Другие режимы управления

Некоторые производители микросхем сегодня позволяют себе большую свободу в создании новых режимов управления или методов контроля переключений

в некоторых рабочих точках для повышения общего КПД конечного источника питания. Такая практика может привести к путанице, а подобная схема управления может не работать в приложениях, отличных от того, для которого она разрабатывалась. Например, некоторые микросхемы понижающего контроллера позволяют индуктору входить в прерывистый режим через снижение рабочей частоты. Устойчивость контура обратной связи может изменяться, поэтому используется некий загадочный метод управления для компенсации предполагаемой неустойчивости.

Управление по гистерезису напряжения. Это тот метод, который в народе называется "режимом икоты". Для наблюдения за выходным напряжением используется простой компаратор. Если напряжение падает ниже определенного предела, то включается контур широтно-импульсной модуляции на время, пока этот предел превышен (плюс некоторое напряжение гистерезиса). Это гарантирует, что пульсация выходного напряжения равна или больше, чем значение напряжения гистерезиса в схеме управления.

Управление по переменной частоте. При легких нагрузках методы управления по фиксированной частоте теряют в КПД из-за фиксированных потерь переключения. Некоторые контроллеры при легких нагрузках переключаются на тактовый генератор переменной частоты с сохранением того же метода управления.

Резюме. При выборе микросхемы контроллера в вашем приложении будьте очень осторожны!

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты