И. Фурман, Е. Звонарев

Мощные драйверы MOSFET; LDO и стандартные линейные стабилизаторы фирмы Texas Instruments

Драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов - устройства для управления мощными полупроводниковыми приборами в выходных каскадах преобразователей электрической энергии.

Используются в качестве промежуточного звена между управляющей схемой (контроллером или цифровым сигнальным процессором) и мощными исполнительными элементами, коммутирующими нагрузку.

Этапы развития энергетической (силовой) электроники определяются достижениями в технологиях силовых ключей и их схемами управления. Доминирующим направлением в энергетической электронике является повышение рабочих частот конверторов, входящих в состав импульсных источников питания (ИП). Преобразование электроэнергии на более высоких частотах позволяет улучшить удельные массогабаритные характеристики импульсных трансформаторов, конденсаторов и дросселей фильтров. Динамические и статические параметры силовых приборов постоянно улучшаются, но мощными ключами надо ещ╦ и эффективно управлять. Для сбалансированного взаимодействия между управляющей схемой и выходными каскадами и предназначены новые мощные высокоскоростные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов фирмы Texas Instruments. Драйверы имеют высокие выходные токи (до 9 А), малые длительности фронта, спада, задержки и другие интересные отличительные особенности. Обзорное представление о параметрах драйверов фирмы Texas Instruments дает рис. 1.

Рисунок 1. Драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов фирмы Texas Instruments

Основные параметры мощных высокоскоростных драйверов представлены в табл. 1.

Таблица 1. Мощные высокоскоростные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов фирмы Texas Instruments

*) PowerPADTM - зарегистрированная торговая марка корпусов микросхем компании Texas Instruments.

**) при обеспечении теплоотвода (см. в статье и Application Brief SLMA004 и SLMA002 на сайте www.ti.com).

***) UVLO (Under-Voltage Lock-Out) - блокировка при напряжении питания ниже допустимого уровня.

****) допустимые входные уровни драйверов - от 3,3-В логики до полного диапазона напряжения питания.

Функциональные схемы самых мощных новых одиночных и сдвоенных высокоскоростных драйверов показаны на рис. 2 и 3.

Рисунок 2. Функциональная схема одиночных драйверов UCC27321/2 и UCC37321/2

Рисунок 3. Функциональная схема сдвоенных драйверов UCC27323/4/5 и UCC37323/4/5

Достичь таких больших выходных токов в сочетании с высоким быстродействием позволяет мощный выходной буфер TrueDriveTM, представляющий собой параллельное включение двух каскадов. Одна его часть состоит из комплементарной пары полевых транзисторов разной проводимости, а другая - из двух биполярных npn-транзисторов. Отдельно схема выходного каскада TrueDriveTM показана на рис. 4. Инвертирующая схема на входе верхнего npn-транзистора обеспечивает противофазную работу биполярных транзисторов. Такой комбинированный выходной каскад эффективно усиливает ток и при низком напряжении питания благодаря наличию p- и n-канальных силовых МОП-транзисторов (MOSFET).

Рисунок 4. Мощный выходной буфер TrueDrive^TM (параллельное включение двух силовых каскадов на биполярных npn-транзисторах и комплементарных MOSFET с p- и n-каналами). TrueDrive^TM - зарегистрированный торговый знак компании Texas Instruments

Для увеличения нагрузочной способности допускается параллельное включение двух каналов сдвоенных драйверов. Пример такого включения приведен на рис. 5.

Рисунок 5. Параллельное включение двух каналов сдвоенных драйверов для увеличения нагрузочной способности

Схемы на рис. 6 и 7 позволяют проверить пиковую нагрузочную способность драйверов, то есть максимальный импульсный ток, втекающий в микросхему (current sink), и максимальный импульсный ток, вытекающий из микросхемы (current source). На вход подаются импульсы длительностью 250 нс с частотой 1 кГц. Осциллограмму наблюдают на датчике тока 0,1 Ом. Выходные пиковые токи для UCC37321 достигают 9 А при напряжении питания 15 В. Texas Instruments рекомендует использовать внешние компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, так как они имеют существенно меньшие значения паразитных параметров ESR и ESL (эквивалентные последовательные сопротивление и индуктивность).

Рисунок 6. Схема для измерения пикового тока, втекающего в драйвер (current sink) через нижнее плечо выходного каскада

Рисунок 7. Схема для измерения пикового тока, вытекающего из драйвера (current source) через верхнее плечо выходного каскада

Собственный ток потребления драйверами очень мал, но в предельных режимах драйверам приходится рассеивать значительную мощность. Максимальная нагрузочная способность драйверов ограничивается ещ╦ и типом корпуса, что отражено в табл. 1.

Заряд затвора Q_G силового транзистора (этот параметр приводится в справочных данных) и рабочая частота преобразования f являются отправными точками для расчета максимального выходного тока драйвера I_OUT:

I_OUT = Q_G x f,

где f - частота преобразования.

Энергия Е для заряда эквивалентной входной емкости затвора С (основной вклад в полную входную емкость вносит эффект Миллера) равна энергии е╦ разряда и рассчитывается по формуле:

E = 1/2 x CV²,

где V - значение выходного напряжения драйвера.

При отсутствии внешнего резистора между выходом драйвера и затвором транзистора вся мощность рассеивается на резистивных элементах внутри корпуса микросхемы. При напряжении питания V_DD = 12 В, С_H = 10 нФ и f = 300 кГц рассеиваемая корпусом мощность рассчитывается по формуле:

P = С_H x V² x f = Q_G x V x f, (1)

P = 10 нФ x (12 В)2 x (300 кГц) = 0,432 Вт.

При V_DD = 12 В средний ток потребления драйвером:

I = P/V = 0,432 Вт / 12 В = 0,036 А.

Драйверы в корпусах SOIC-8 и PDIP-8 могут рассеивать мощность около 0,5 Вт при температуре окружающей среды 70ºС. Это ограничивает рабочую частоту преобразователя. Для повышения частоты преобразования необходимо увеличивать максимальную мощность, которую может рассеять корпус. Радикально решить этот вопрос позволяет корпус PowerPADTM, имеющий эффективный теплоотвод, который передает тепло через печатные площадки на плате. Корпус PowerPADTM изображен на рис. 8, 9 и 10. Для дополнительного улучшения отвода тепла свободные выводы корпуса PowerPADTM рекомендуется подключить к общему проводу. Тепловое сопротивление корпуса составляет всего 4,7ºС/Вт. Технология монтажа этого корпуса подробно описана в "PowerPAD Thermally Enhanced Package" (TECHNICAL BRIEF: SLMA002). Это описание можно найти на сайте Texas Instruments www.ti.com. И, конечно, не стоит забывать о возможности выбора транзисторов с минимальным зарядом затвора. Использование ключей, управляемых логическим уровнем, позволит снизить напряжение питания драйвера и уменьшить амплитуду выходных импульсов. Комплекс этих мер позволяет сделать компромиссный выбор между необходимым быстродействием и требуемым для этого типом корпуса, что видно из формулы 1, приведенной выше.

Рисунок 8. Корпус PowerPAD^TM фирмы Texas Instruments с эффективным теплоотводом и низким тепловым сопротивлением

Рисунок 9. Корпус PowerPAD^TM TSSOP-20 фирмы Texas Instruments с эффективным теплоотводом и низким тепловым сопротивлением (этот тип корпуса бывает с разным количеством выводов)

Рисунок 10. Габариты корпуса PowerPAD^TM TSSOP-8. Все размеры даны в миллиметрах

LDO (Low Drop Out) и стандартные линейные стабилизаторы Texas Instruments

Фирма Texas Instruments выпускает большое количество серий линейных стабилизаторов напряжения (в последнее время их иногда называют регуляторами). Большинство из них предназначено для широкого применения, но есть в производственной линейке TI и регуляторы, оптимизированные для конкретных приложений. Среди них некоторые типы LDO-стабилизаторов (с малым падением напряжения вход/выход), представленные в табл. 2:

• LDO с фиксированным выходным напряжением;
• LDO с регулировкой выходного напряжения;
• LDO со сверхнизким собственным током потребления (при I_вых = 0, то есть при отключенной нагрузке). Такие экономичные стабилизаторы предназначены в первую очередь для питания микроконтроллеров MSP430 и портативных устройств. Пример таких регуляторов - TPS797xx. Их собственный ток потребления составляет всего около 1 мкА;
• LDO, не требующие установки конденсатора на выходе (No Cap или Capacitor Free). Эта особенность позволяет сэкономить место на печатной плате и на стоимости отсутствующего конденсатора. Примеры таких регуляторов - REG1xx;
• LDO с низким выходным шумом. Этот параметр выходит на первое место при питании чувствительных аналоговых схем с высоким коэффициентом усиления;
• LDO с быстрым откликом. Такие стабилизаторы эффективно подавляют импульсные помехи и быстро реагируют на изменения входного напряжения;
• LDO с отрицательным выходом;
• LDO с супевизором (SVS - Supply Voltage Supervisor) и с выходом PG (Power Good - питание в норме). Выходной уровень PG может использоваться для формирования сигнала сброса или указывать на разряд батареи. Эти стабилизаторы содержат внутреннюю схему мониторинга и в некоторых случаях позволяют отказаться от дополнительных устройств контроля питания;
• LDO, имеющие вход разрешения Enable (для включения или отключения);
• LDO с двумя выходами и более;
• Smart LDO (Smart - интеллектуальный, то есть с управлением для подключения к нагрузке одного из нескольких источников питания в зависимости от конкретной ситуации).

В некоторых случаях необходимо питать устройство от нескольких источников (основного и дополнительных). При этом должны быть исключены выбросы на нагрузке при переключении ИП и учтены их приоритеты. Для этих целей и разработаны Smart LDO-стабилизаторы TPPM0301 и TPPM0302, параметры которых приведены также в табл. 2. Для ознакомления с принципом работы интеллектуальных стабилизаторов рассмотрим блок-схему на рис. 11.

Рисунок 11. Smart LDO-стабилизатор фирмы Texas Instruments TPPM0302 с автоматическим подключением любого из трех источников питания в зависимости от их работоспособности и приоритета

В состав микросхемы входят три LDO-стабилизатора, которые подключаются к выходу в соответствии с табл. 3.

Таблица 3. Логика работы Smart LDO-стабилизатора TPPM0302

Из не╦ видно, что источник 5 В имеет максимальный приоритет, а ИП 3,3 В - минимальный. Источник 3,3 В подключается только при отсутствии напряжения на 5-В входах (или при выходе их напряжений за допустимые пределы). При переключении гарантируется отсутствие выбросов на нагрузке. Микросхема TPPM0302 имеет ещ╦ и встроенный супервизор питания с формирователем сигнала сброса.

В производственной линейке Texas Instruments есть и стандартные линейные стабилизаторы с выходным током от 100 до 1500 мА. Их параметры представлены в табл. 4.

Более подробную техническую информацию можно найти на сайте компании Texas Instruments www.ti.com, а также у официального дистрибьютора TI - ЗАО "КОМПЭЛ" (www.compel.ru).

Источники информации (с сайта Texas Instruments):

1. Texas Instruments Power Management Selection Guide 1Q 2003.
2. UCC37231 (datasheet).
3. UCC37323 (datasheet).
4. SLMA002. PowerPAD Thermally Enhanced Package.
5. SLMA004. PowerPADTM Made Easy (Application Brief).