Новое поколение контроллеров ШИМ с фазовым сдвигом
Многим отечественным разработчикам источников электропитания известны хорошо зарекомендовавшие себя микросхемы UC3875 и UC3879 производства Unitrode (TI). UCC3895 — новейшая разработка в линейке контроллеров фазового сдвига, в которой расширенный набор функций сочетается с более устойчивой логикой и защитой. Использование этого контроллера позволяет улучшить характеристики и снизить энергопотребление мощных (более 500 Вт) источников электропитания. По мнению разработчиков, эта микросхема должна стать новым стандартом в своей области.
В данной статье проводится сравнение ИС UCC3895, изготовленных по биполярной КМОП- технологии, с их биполярными предшественниками — семейством UC3875/6/7/8 и контроллером UC3879. Все эти интегральные схемы обеспечивают формирование и усиление сигналов, необходимых для построения мостового преобразователя, использующего управление фазовым сдвигом.
Одним из достоинств по сравнению с более ранними контроллерами является возможность установки адаптивной задержки и наличие внутреннего транзистора разряда на выводе RAMP. Внутренняя логика ИС обеспечивает полное отключение каскада усиления мощности, если компаратор обнаружит падение выходного сигнала усилителя ошибки ниже 0,5 В. Кроме того, с целью максимально возможного разделения между сигналами управления и выходами драйвера изменена цоколевка ИС. Поэтому UCC3895 не является непосредственной заменой предыдущих биполярных моделей.
![](/images/arhiv/01_07/84_1.jpg)
Рис. 1. Упрощенная схема включения UCC3895
UCC3895 сохраняет многие лучшие черты предшественников, такие как, например, возможность программировать задержку между командами переключения в плече А-В, которая не зависит от задержки между командами переключения в плече C-D. Чип по-прежнему может работать в режимах с управлением по току или по напряжению, при этом режим работы с управлением по среднему или пиковому току задается пользователем. Сохранены и такие параметры, как ток запуска в 150 мкА, отключение по снижению выходного напряжения (UVLO), 5-вольтовое опорное напряжение и функция мягкого самовозбуждения.
![](/images/arhiv/01_07/84_21.jpg)
Рис. 2. Цоколевка
Высокая нагрузочная способность семейства UC3875 в UC3879 и в UCC3895 отсутствует. Вместо этого имеется встроенная быстродействующая логика с выходным втекающим/вытекающим током 100 мА (пиковое значение). Такой подход использован для того, чтобы развязать слабосигнальные аналоговые цепи фазового сдвига от сильноточных каскадов и тем самым способствовать оптимальности конфигурации земли системы. Кроме того, мостовые схемы могут использовать в качестве драйвера как полупроводниковые, так и магнитные элементы, так что окончательный выбор внешнего драйвера остается за разработчиком.
Упрощенная схема включения UCC3895
Предельные электрические режимы:
- напряжение питания (IDD < 10 мА) — 17 В;
- ток потребления — 30 мА;
- ток источника опорного напряжения — 15 мА;
- выходной ток — 100 мА;
- аналоговые входы (EAP, EAN, RAMP, SYNC, ADS, CS, SS/DISB) — от –0,3 до +0,3 В;
- рассеиваемая мощность при t°=+25 °С:
- корпус типа N — 1 Вт;
- корпус типа D — 650 мВт;
- температура при хранении — от –60 до +150 °С;
- температура перехода — от -60 до +125 °С;
- температура выводов при пайке (10 с) — +300 °С.
Втекающие токи считаются положительными, вытекающие — отрицательными.
Таблица 1. Сравнение параметров ИС
Параметр |
UC3875/6/7/8 |
UC3879 |
UCC3895 |
Начальное напряжение UVLO, B |
10,75 или 15,25 |
10,75 или 15,25 |
11 |
Гистерезис UVLO, B |
1,25 или 6,0 |
1,75 или 6,0 |
2 |
Стартовый ток потребления, мкА |
150 |
150 |
150 |
Стационарный ток потребления, мА |
30 |
23 |
5 |
Скорость нарастания усилителя ошибки (YO), В/мкс |
11 |
11 |
2,2 |
Полоса единичного усиления УО, МГц |
11 |
10 |
6,5 |
Задержка от ГЛИН до выхода OUT, нс |
65 |
115 |
70 |
Нестабильность генератора от сети/нагрузки, % |
20 |
20 |
2,5 |
Мин. напряжение ГЛИН, В |
0 |
0,2 |
0,2 |
Макс. напряжение ГЛИН, В |
3,8 |
2,9 |
2,35 |
Задержка от датчика тока до выхода, нс |
85 |
160 |
75 |
Ток нагрузки по выходу OUT, мА |
200 |
100 |
100 |
Отключение компаратора "нет нагрузки" |
Нет |
Есть |
Есть |
Таблица 2. Температура и выбор корпуса
Тип ИС |
Температурный диапазон |
Суффикс в обозначении |
UCC1895 |
От -55 до +125 °С |
J, L |
UCC2895 |
От -40 до +85 °С |
DW, N, PW, Q |
UCC3895 |
От 0 до +70 °С |
DW, N, PW, Q |
Электрические характеристики представлены в табл. 3. Если не указаны иные значения, то VDD = 12 В, RT = 82 кОм, CT = 220 пФ,
RDELAB = 10 кОм, RDELCD = 10 кОм, CREF = 0,1 мкФ, CVDD = 1 мкФ, ненагруженный выход, TA = TJ, TA составляет 0…70 °С для UCC3895x, –40…85 °C для UCC2895x и
-55… +125 °C для UCC1895x.
Назначение выводов
ADS — адаптивная установка задержки. Эта функция задает отношение между максимальным и минимальным временем паузы программируемой задержки. Когда вывод ADS напрямую соединяется с выводом датчика тока CS, задержка не модулируется. Максимальная модуляция задержки имеет место, когда вывод ADS заземлен. В этом случае время задержки при CS = 0 В вчетверо больше, чем при CS = 2,0 В (порог по максимальному току), а ADS изменяет выходное напряжение на выводах задержки DELAB или DELCD согласно формуле
![](/images/arhiv/01_07/f-1.jpg)
где VCS и VADS в вольтах. ADS должно находиться в пределах от 0 до 2,5 В и быть меньше или равно CS. DELAB и DELCD также должны быть зафиксированы на уровне не ниже 0,5 В.
EAOUT — выход усилителя ошибки. Он соединен внутри с неинвертирующим входом ШИМ-компаратора и компаратора отсутствия нагрузки. Напряжение EAOUT ограничивается внутри на уровне напряжения мягкого самовозбуждения. Компаратор отсутствия нагруз
ки отключает выходные каскады, если напряжение на EAOUT падает ниже 500 мВ, и снова включает их по достижении значения 600 мВ.
СТ — времязадающий конденсатор генератора (рис. 3, блок-схема генератора). Схема генератора в UCC3895 заряжает конденсатор программируемым током. Напряжение на СТ имеет пилообразную форму с максимумом, равным 2,35 В. Приблизительно период колебаний генератора можно рассчитать по формуле
![](/images/arhiv/01_07/f-2.jpg)
где СТ в фарадах, RT в омах, а tOSC в секундах. СТ может иметь значение от 100 до
880 пФ. Следует иметь в виду, что сочетание больших значений СТ и низких значений RT вызовет увеличение времени спада напряжения на конденсаторе. Увеличенное время спада приведет к увеличенной длительности импульса SYNC, ограничивая максимальный фазовый сдвиг между выходами OUTA, OUTB и OUTC, OUTD и тем самым ограничивая максимальную скважность преобразователя.
CS — датчик тока. Это инвертирующий вход компаратора датчика тока и неинвертирующий вход компаратора перегрузки по току, а также усилителя ADS. Сигнал с датчика тока используется для ограничения тока на каждом импульсе в режиме управления по пиковому току и для защиты от токовых перегрузок во всех случаях вторичной отсечки для отключения выхода. Отключение выхода, вызванное перегрузкой по току, также вызывает цикл перезапуска, называемый «мягким остановом» с полным циклом мягкого самовозбуждения.
DELAB, DELCD — программирование задержки между противофазными выходами. DELAB задает мертвое время между переключением OUTA и OUTB, а DELCD — между выходами OUTC и OUTD. Эта задержка вводится между противофазными выходами одного и того же плеча внешнего моста. UCC3895 обеспечивает пользователю возможность выбора задержки, с которой происходит резонансное переключение внешних мощных каскадов. Отдельная задержка для двух половин моста вводится для того, чтобы учесть разницу в токе заряда резонансных конденсаторов. Задержка в каждом каскаде устанавливается в соответствии с формулой
![](/images/arhiv/01_07/f-3.jpg)
где VDEL в вольтах, RDEL в омах, а tDELAY в секундах. DELAB и DELCD допускают вытекающий ток до 1 мА. Резисторы, устанавливающие задержку, следует выбирать так, чтобы этот максимум не был превышен. Программируемую задержку выхода можно обойти, если DELAB и/или DELCD подключить непосредственно к REF. Для оптимальной работы паразитная емкость на этих выводах не должна превышать 10 пФ.
ЕАР — неинвертирующий вход усилителя ошибки.
EAN — инвертирующий вход усилителя ошибки.
GND — общий вывод ИС для всех цепей, кроме выходных каскадов.
OUTA, OUTB, OUTC, OUTD — четыре выхода с током до 100 мА для управления МОП- транзисторами. Выход OUTA и OUTB полностью комплементарны, то есть между ними нет программируемой задержки. Они работают со скважностью, близкой к 50 %, на частоте, равной половине генерируемой. OUTA и OUTB предназначены для управления одной полумостовой схемой внешнего усилителя мощности. Вторая половина моста управляется от выходов OUTC и OUTD с такими же характеристами выходов такие же, как у OUTA и OUTB. Выход OUTC сдвинут по фазе относительно OUTA, а выход OUTD — относительно OUTB. Надо иметь в виду, что изменение фазовых соотношений OUTC и OUTD относительно OUTA и OUTB требует отличной от номинальных 50 % скважности на OUTC и OUTD при переходных процессах.
PGND — общий вывод для выходных каскадов. Чтобы наводки от переключений на выходе не влияли на критичные аналоговые цепи, в ИС UCC3895 предусмотрены два отдельных вывода земли. PGND — это вывод земли для сильноточных выходных каскадов. GND и PGND должны быть электрически соединены друг с другом в непосредственной близости от микросхемы. Кроме того, так как вывод PGND сильноточный, проводники печатной платы должны быть низкоимпедансными.
RAMP — инвертирующий вход ШИМ-компаратора. На этот вход подается либо пилообразное напряжение с CT в режиме управления по току или по напряжению, либо сигнал тока (плюс компенсация наклона) в режиме управления по пиковому току. Ко входу RAMP подключен разрядный транзистор, включаемый во время паузы генератора.
RT — времязадающий резистор генератора (рис. 3, блок-схема генератора). Работа генератора в UCC3895 основана на заряде внешнего времязадающего конденсатора СТ током, программируемым с помощью резистора RT. Ток через RT рассчитывается следующим образом:
![](/images/arhiv/01_07/f-4.jpg)
где RT в омах, а IRT в амперах. RT может находиться в диапазоне 40…120 кОм. Ток заряда и разряда при мягком самовозбуждении также программируется через IRT.
SS/DISB — мягкое самовозбуждение/
отключение. Этот вывод выполняет две независимые функции.
Режим отключения: для быстрого отключения микросхемы требуется либо принудительно снизить напряжение на выводе SS/DISB ниже 0,5 В, либо принудительно снизить напряжение на выводе REF ниже 4 В, падение VDD ниже порога отсечки UVLO или срабатывание датчика перегрузки по току (CS = 2,5 В).
В случае если на выводе REF принудительно устанавливается напряжение ниже 4 В или напряжение на выходе падает ниже порога срабатывания схемы UVLO, внутренний МОП-транзистор замыкает вывод SS/DISB на землю. Если возникает перегрузка по току, вывод будет отбирать ток (10ґIRT) до тех пор, пока напряжение на нем не упадет ниже 0,5 В.
Если на вывод SS/DISB принудительно напряжение ниже 0,5 В, вывод начинает отбирать ток, равный IRT. Необходимо учесть также, что единственная ситуация, когда микросхема переключается в режим низкого потребления по IDD — это когда она отключается по падению напряжения на выходе ниже порогового.
Режим мягкого самовозбуждения: когда ликвидирован сбой или снимается сигнал отключения, напряжение VDD выше порога запуска и/или SS/DISB при мягком останове падает ниже 0,5 В, SS/DISB переключается в режим мягкого самовозбуждения. В этой ситуации вывод генерирует вытекающий ток, равный IRT. Подключаемый к выводу SS/DISB конденсатор с номиналом, выбираемым пользователем, определяет возможность мягкого самовозбуждения и его длительность. Кроме того, параллельно конденсатору можно подключить резистор, ограничивающий максимальное напряжение на выводе SS/DISB. Учтите, что вывод SS/DISB как при мягком самовозбуждении или мягком останове, так и в условиях отключения активно ограничивает напряжение EAOUT примерно до уровня на SS/DISB.
![](/images/arhiv/01_07/84_3.jpg)
Рис. 3. Блок-схема
SYNC — синхронизация генератора (рис. 3, блок-схема генератора). Этот вывод — двунаправленный. Когда он используется как выход, сигнал YNC можно использовать в качестве тактового, такого же, что и внутренняя тактовая частота микросхемы. Когда он служит входом, SYNC подавляет сигнал внутреннего генератора и сам служит источником тактового сигнала. Эта двунаправленность позволяет синхронизировать несколько источников питания. Кроме того, сигнал SYNC через внутренние цепи разряжает конденсатор CT и любые конденсаторы фильтрации, подключенные к выводу RAMP. Внутренние цепи на выводе SYNC чувствительны к уровню напряжения с нижним порогом чувствительности в 1,9 В и верхним порогом в 2,1 В. Для снижения длительности импульса достаточно подключить вывод SYNC на землю через резистор номиналом 3,9 кОм.
VDD — напряжение питания. Вывод VDD должен быть заземлен с помощью конденсатора емкостью не менее 1 мкФ с низким паразитным сопротивлением и паразитной индуктивностью.
REF — опорное напряжение 5 В ±1,2 %. Питает внутренние цепи и может отдавать до
5 мА во внешнюю нагрузку. При отключении по снижению выходного напряжения напряжение REF отключается, но при отключении микросхемы во всех других аварийных ситуациях — нет. Рекомендуется шунтировать вывод REF на землю конденсатором номиналом 0,1 мкФ с низкими потерями и низким значением индуктивности.
Таблица 3
Параметр |
Условия измерения |
Мин. |
Тип. |
Макс. |
Блок отключения при падении выходного напряжения (UVLO) |
Начальное напряжение, В |
|
10,2 |
11 |
11,8 |
Конечное напряжение, В |
|
8,2 |
9 |
9,8 |
Гистерезис, В |
|
1 |
2 |
3 |
Ток потребления |
При запуске, мкА |
VDD=8 В |
|
150 |
250 |
В активном режиме, мА |
|
|
5 |
6 |
Напряжение фиксации на VDD, В |
Ток потребления ID=10 мА |
16,5 |
17,5 |
18,5 |
Блок опорного напряжения |
Выходное напряжение, В |
При температуре перехода TJ=25 °С |
4,94 |
5 |
5,06 |
|
10 B < VDD < 17,5 B, 0 мА < IREF < 5 мА |
4,85 |
5 |
5,15 |
Ток короткого замыкания, мА |
REF = 0 B, TJ=25 °C |
10 |
20 |
|
Усилитель ошибки |
Диапазон синфазных напряжений, В |
|
-0,1 |
|
3,6 |
Напряжение смещения, В |
|
-7 |
|
7 |
Высокий уровень вых. напр. VOH, В |
EAP-EAN=500 mB, IEAOUT=-0,5 mA |
4 |
4,5 |
5 |
Низкий уровень вых. напр. VOH, В |
EAP-EAN=-500 mB, IEAOUT=0,5 mA |
0 |
0,2 |
0,4 |
Вытекающий ток, мА |
EAP-EAN=500 mB, IEAOUT=2,5 В |
1 |
1,5 |
|
Втекающий ток, мА |
EAP-EAN=-500 mB, IEAOUT=2,5 В |
2,5 |
4,5 |
|
Усиление по пост. току без обратной связи, дБ |
|
75 |
85 |
|
Полоса единичного усиления, МГц |
(Прим.3) |
5 |
7 |
|
Скорость нарастания, В/мкс |
EAN от 1 В до 0 В, ЕАР=500 мВ, EUOT от 0,5 В до 3 В |
1,5 |
2,2 |
|
Порог отключения компаратора отсутствия нагрузки, В |
|
0,45 |
0,5 |
0,55 |
Порог включения компаратора отсутствия нагрузки, В |
|
0,55 |
0,6 |
0,69 |
Гистерезис компаратора отсутствия нагрузки, В |
|
0,035 |
0,1 |
0,165 |
Узел генератора |
Частота, кГц |
TJ=25°C |
473 |
500 |
527 |
Максимальное отклонение, % |
Сеть, температура |
|
2,5 |
5 |
SYNC VIH, B |
|
2,05 |
2,1 |
2,25 |
SYNC VIL, B |
|
1,85 |
1,9 |
1,95 |
SYNC VOH, B |
Ток SYNC=-400 мкА, СТ=2,5 В |
4,1 |
4,5 |
5 |
SYNC VOL, B |
Ток SYNC=100 мкА, СТ=2,5 В |
0 |
0,5 |
1 |
Длительность вых. импульса SYNC, нс |
Нагрузка SYNC=3 кОм]] 3 пФ |
|
85 |
135 |
Напряжение RT, B |
|
2,9 |
3 |
3,1 |
Напряжение СТ в максимуме, В |
|
2,25 |
2,65 |
2,5 |
Напряжение СТ в минимуме, В |
|
0 |
0,2 |
0,4 |
Компаратор ШИМ |
Входное напряжение смещения от EAOUT до RAMP,В |
RAMP=0 B, DELAB=DELCD=REF |
0,72 |
0,85 |
1,05 |
Мин. фазовый сдвиг (OUTA отн. OUTC, OUTB отн. OUTD), B |
RAMP=0 B, EAOUT=650 мВ (Прим. 1) |
0 |
0,85 |
1,4 |
Задержка RAMP отн. OUTC/OUTD, нс |
RAMP от 0 до 2,5 В EAOUT = 1,2 B DELAB=DELCD=REF (Прим. 2) |
|
70 |
120 |
Ток смещения RAMP, мкА |
RAMP < 5В, СТ < 2,2 В |
-5 |
|
5 |
Вытекающий ток RAMP, мкА |
RAMP = 5В, СТ < 2,6 В |
12 |
19 |
|
Датчик тока |
Ток смещения датчика тока, мкА |
0 < CS < 2,5 B, 0 < ADS < 2,5 B |
-4,5 |
|
20 |
Порог пикового тока, В |
|
1,9 |
2 |
2,1 |
Порог перегрузки по току, В |
|
2,4 |
2,5 |
2,6 |
Задержка от датчика тока до выхода, нс |
CS от 0 до 2,3 В, DELAB=DELCO=REF |
|
75 |
110 |
Узел мягкого самовозбуждения/выключения |
Вытекающий ток МСВ, мкА |
SS/DISB = 3,0 B, CS < 1,9 B |
-40 |
-35 |
-30 |
Втекающий ток МСВ, мкА |
SS/DISB = 3,0 B, CS > 2,6 B |
325 |
350 |
375 |
Порог компаратора МСВ/Отключение, В |
|
0,44 |
0,5 |
0,56 |
Узел установки задержки |
Выходное напряжение DELAB/DELCD, В |
ADS = CS = 0 B |
0,45 |
0,5 |
0,55 |
|
ADS = CS = 2,0 B |
1,9 |
2 |
2,1 |
Задержка выхода |
ADS = CS = 0 B (Прим. 2) |
450 |
525 |
600 |
Ток смещения ADS |
0 < ADS < 2 < 5 B, 0 < CS < 2,5 B |
-20 |
|
20 |
Выходные каскады |
Высокий уровень (все выходы), мВ |
Вых. ток - 10 мА, от выхода до VDD |
|
250 |
400 |
Низкий уровень (все выходы), мВ |
Вых. ток 10 мА |
|
150 |
250 |
Время нарастания, нс |
Емкость нагрузки 100 пФ |
|
20 |
35 |
Время спада, нс |
Емкость нагрузки 100 пФ |
|
20 |
35 |
Дмитрий Забровский
ye@yeint.spb.ru
Санкт-Петербург,
Торжковская ул., дом 5
Офис 426
Тел./факс:
(812) 324-4053,
324-4068, 324-4008,
324-4051
ye@yeint.spb.ru
www.yeint.ru
|