Д. Яблоков

Новые ШИМ-контроллеры фирмы Texas Instruments (Unitrode)

За более чем 10 лет, прошедшие с момента разработки компанией Unitrode ШИМ-контроллеров серии UC38хх, на них базируется около 2/3 мирового объема производства DC/DC-преобразователей и AC/DC импульсных источников питания (ИИП) средней мощности. Удачность изначальной конструкции подтверждается надежностью ИИП, выпущенных за эти годы миллионными тиражами. Эти микросхемы стали, фактически, "промышленным стандартом" и клонированы в разных модификациях почти всеми производителями интегральных схем: Fairchild, LG, ON Semiconductor, Philips, Samsung, ST Microelectronics, Texas Instruments и другими. Значительная часть микросхем с маркировкой UC38хх выпускается безымянными азиатскими фирмами с весьма невысоким качеством.

После приобретения Unitrode компанией Texas Instruments в 1999 году значительно расширились исследовательские работы по внедрению новых технологий и разработке современной схемотехники импульсных преобразователей. По результатам прошлого года, компания Texas Instruments занимает 4 место среди ведущих поставщиков микросхем, с годовым оборотом 6,2 млрд. долларов, 18% из которых традиционно вкладываются в перспективные исследования. Продолжающиеся в настоящее время разработки ШИМ-контроллеров идут по ряду направлений:

• переход с биполярной на БиКМОП-технологию со снижением потребляемого тока;
• повышение предельной рабочей частоты;
• внедрение синхронного выпрямления;
• развитие контроллеров для полумостовых, мостовых и многофазных инверторов;
• введение дополнительных потребительских функций, направленных на повышение экономичности и надежности источников (корректор коэффициента мощности - ККМ, "мягкое" включение/отключение и т.п.).

Движущей силой новых разработок являются требования рынка:

• повышение КПД источников питания;
• снижение напряжения питания современной элементной базы высокой степени интеграции и быстродействия до 3,3√1,2 В, и в субвольтовый диапазон в ближайшем будущем;
• повышение качества низких напряжений питания: точности, динамической стабильности, снижение пульсаций.

Рассмотрим новые микросхемы Texas Instruments (Unitrode) подробнее.

UCC38C40√UCC38C45 - БиКМОП-версия популярных микросхем UC3840√UC3845. Рабочая частота повышена до 1 МГц. Пусковой ток снижен до 50 мкА. Не требуют внешнего драйвера ключевого транзистора. Предназначены для производства малогабаритных DC/DC- и AC/DC-преобразователей. При мощностях, меньших 20 Вт, ИИП, выполненные на первоначальном варианте UC384x, проигрывали традиционным 50-Гц трансформаторам по размерам и стоимости. БиКМОП-технология сдвигает вниз до 5┘10 Вт границу рациональной применимости ИИП, позволяя создавать более компактные и экономичные изделия.

Получающие сейчас распространение микросхемы для построения ИИП с интегрированным высоковольтным транзистором имеют в своем составе тот же ШИМ-контроллер, аналог UC384х. Эти микросхемы являются, обычно, гибридными, так как сочетают в одном корпусе кристаллы, изготовленные по различным технологиям. Они больше подвержены импульсным помехам, защелкиванию и температурному дрейфу из-за близости ключевого транзистора к схеме управления. С другой стороны, комплект из дискретного МОП-транзистора и UC384х ведет себя устойчивее. По цене же такое традиционное решение дает фору гибридным контроллерам на 15┘20%, благодаря продолжающемуся снижению цен на транзисторы, в сочетании с дешевыми микросхемами контроллеров Texas Instruments.

UCC35705, UCC35706 - высокочастотные ШИМ-контроллеры (более 4 МГц) для создания однотактных DC/DC- или AC/DC-преобразователей до 200√250 Вт. Диапазон напряжений питания 4:1. Эти микросхемы выпускаются в малогабаритных 8-выводных корпусах. Необходимо учесть, что для корректной работы на максимальной частоте необходим внешний драйвер ключевого транзистора, в качестве которого может быть использована одна из недорогих микросхем серии TPS281x (улучшенный вариант IR442x IRF).

UC28025 - дальнейшее развитие микросхемы UC3825. UC28025 - двухтактный, многорежимный универсальный контроллер для построения полумостовых источников мощностью до 800 Вт. Оптимизирован для высокочастотных применений. Микросхема имеет широкий диапазон напряжения питания 9┘30 В и "мягкий" запуск. Мощный выходной каскад рассчитан на ток ╠1,5 А и, в большинстве приложений, не требует внешнего драйвера ключевых транзисторов. На рис. 1 представлена типовая схема малогабаритного 50-Вт DC/DC-преобразователя на UC28025, рабочая частота - 1,5 МГц.

Рисунок 1. Типовая схема 1,5-МГц 50-Вт DC/DC-преобразователя на UC28025

UCC28220, UCC28221 - двухфазные ШИМ-контроллеры, оптимизированные на действующий ток нагрузки 50√100 А. Частота коммутации фаз - 1 МГц, сдвиг - 180 градусов. Имеют независимый контроль и активное выравнивание токов фаз. Эти микросхемы в наибольшей степени подходят для питания систем связи (входное напряжение - 36√76 В) или сварочного оборудования благодаря специфике двухфазной схемы (минимальное время реакции на импульсный ток нагрузки и минимальные пульсации выходного напряжения). Типовая упрощенная схема включения приведена на рис. 2.

Рисунок 2. Упрощенная схема двухфазного преобразователя на UCC28221

UCC3895 - дальнейшее развитие серии микросхем универсальных контроллеров для построения резонансных мостовых преобразователей с фазовым сдвигом на мощности до 2 кВт UC3875√UC3878. Специфические особенности контроллера: "мягкая" коммутация выходных транзисторов при нулевом напряжении, программируемая задержка переключения, плавное включение и выключение устройства по внешнему управляющему сигналу. Рабочая частота - до 1 МГц. Требуется внешний драйвер МОП-транзисторов. Типовая упрощенная схема включения UCC3895 приведена на рис. 3.

Рисунок 3. Упрощенная схема мостового преобразователя на UCC3895

Идя по пути повышения степени интеграции, компания Texas Instru-ments (Unitrode) разработала микросхемы UCC38500√UCC38503, UCC28510√UCC28517, совмещающие ШИМ-контроллер и корректор коэффициента мощности (ККМ) в одном корпусе. ККМ представляет собой первичный импульсный повышающий стабилизатор, включенный между диодным мостом и высоковольтным накопительным конденсатором, модулирующий потребляемый ток синфазно с входным напряжением, приближая коэффициент мощности к единице. Реальное значение коэффициента мощности составляет 0,98√0,99 при нагрузке 60√100% от максимальной при 3√5% гармонических искажений тока. Совмещение ШИМ и ККМ в одном корпусе позволило взаимно синхронизировать их для снижения помех и повышения КПД, а также реализовать "мягкий" запуск источника с ограничением тока без применения дополнительных компонентов. Мощные выходные каскады UCC2851x не требуют внешних драйверов ключевых транзисторов.

Применение ККМ может быть актуально для разработчика в нескольких случаях:

• значительная мощность преобразователя и, соответственно, повышенные требования к входным цепям;
• очень широкий диапазон входных напряжений (60√280 В);
• повышенные требования к электромагнитной совместимости;
• производство высокотехнологичной продукции, в том числе, и на экспорт, где наличие ККМ в AC/DC-преобразователях необходимо начиная уже с 75 Вт.

Для знакомства и макетирования рекомендуется оценочный модуль ИИП, выпускаемый Texas Instruments (Unitrode), UCC38500EVM с универсальным входом, выходом 12 В при 8,3 А и ККМ, показанный на рис. 4. В н╦м применена микросхема UCC38500 в полумостовом включении.

Рисунок 4. Внешний вид UCC38500EVM

Во многих случаях возникает необходимость создания ИИП незначительнной мощности, при минимальных размерах и цене. Решение, предлагаемое фирмой Texas Instruments, - микросхемы UCC3888 и UCC3889. Это ШИМ-контроллеры, предназначенные для преобразователей из 80┘400 В в 5 или 12 В без гальванической развязки. UCC388x используют оригинальную технологию последовательного двухступенчатого преобразования на одном ключевом транзисторе, запатентованную компанией Lambda Electronics. Значительное упрощение конструкции преобразователей и снижение цены достигается применением двух стандартных индуктивностей вместо традиционного изолирующего трансформатора. Высокая частота преобразования (около 100 кГц) позволяет использовать компоненты только поверхностного монтажа. Отличаются микросхемы диапазонами выходных напряжений: UCC3888 рассчитана на стабилизацию 2,7√5 В, а UCC3889 - на 12√18 В. Допустимая мощность нагрузки около 1 Вт при КПД преобразователей до 60%.

Дешевые малогабаритные неизолированные источники питания идеально подходят для счетчиков электроэнергии, распределенных датчиков систем контроля доступа или удаленных контроллеров в системах автоматического управления, объединенных локальной сетью. В последнем случае развязка может быть легко обеспечена оптроном или импульсным трансформатором в канале связи. Типовая схема включения UCC3889 приведена на рис. 5.

Рисунок 5. Типовая схема включения UC3889

Отдельно стоит упомянуть новые драйверы МОП/IGBT-транзисторов, предназначенные для применения в мощных преобразователях. Они необходимы для:

• повышения устойчивости управляющего ШИМ-контроллера при работе на значительных мощностях (свыше 500 Вт), либо на высоких частотах (свыше 100 кГц);
• снижения потерь при переключении за счет уменьшения его продолжительности благодаря низкому сопротивлению выходного push-pull каскада драйвера.

Современные микросхемы одноканальных (UCC37321, UCC37322) и двухканальных (UCC37323┘5) драйверов, выполнены по БиКМОП-технологии в 8-выводных корпусах. Различия между микросхемами серии заключаются в наличии инверсного канала; кроме того, UCC37321/2 рассчитаны на выходной ток ╠9 А, а UCC37323/5 - на ╠4 А. Все они имеют скорость нарастания/спада импульса около 25 нс. Интерфейс UCC37325 с транзистором верхнего плеча реализуется подключением малогабаритного импульсного разделительного трансформатора между выходами драйвера, работающими в противофазе. Драйверы МОП-транзисторов серий UCC27221, UCC27222 предназначены для низковольтных DC/DC-преобразователей с синхронным выпрямлением без гальванической развязки.

UCC27221/2 сопрягаются с любым однотактным ШИМ-контроллером, управляя транзисторами и силового ключа и выпрямителя, отличаясь друг от друга только наличием инверсии входа. Особенность этих драйверов в формировании сигнала управления синхронным выпрямителем на основании адаптивного предсказания момента открывания внутреннего диода соответствующего МОП-транзистора. Своевременно открытый канал транзистора полностью принимает на себя ток диода, минимизируя падение напряжения на выпрямителе. Использованный алгоритм предсказания моментов переключения транзистора синхронного выпрямителя позволяет снизить почти вдвое потери на частотах свыше 400 кГц и выходном напряжении менее 3,3 В.

Микросхемы рассчитаны на выходной ток до ╠3,3 А. Типовая схема включения UCC27222 приведена на рис. 6.

Рисунок 6. Типовая схема включения UCC27222

Полезно знать систему обозначений фирмы Texas Instruments (Unitrode): префикс UCC означает БиКМОП, а UC - биполярную технологию производства. Расширенный рабочий температурный диапазон -55┘+125ºC имеют микросхемы, номера которых начинаются с цифры 1, индустриальный диапазон -40┘+85ºC обозначается цифрой 2, коммерческий 0┘+70ºC - цифрой 3 (например, UC1842, UC2842 и UC3842, соответственно). Коммерческий и индустриальный варианты имеют все микросхемы производства Texas Instruments. Суффикс N соответствует пластмассовому DIP-корпусу, суффиксы D и DW - SOIC, PW - TSSOP-корпусу.

Продукция фирмы Texas Instruments заслуживает особого внимания как "устанавливающая традиции" и имеющая наибольшее количество практических реализаций и технических наработок. Несмотря на значительную консервативность реализуемых уже более 10 лет схемотехнических решений, использованных в импульсных преобразователях на основе серии UC38хх, новые интересные микросхемы контроллеров появляются регулярно и требуют от разработчиков постоянного внимания, информированности и ждут своего внедрения.

Для каждой из микросхем ШИМ-контроллеров фирма Texas Instruments предлагает оценочные модули, на которых можно досконально исследовать требуемые режимы работы и варианты включения. Такая возможность важна для быстрой проверки проектируемого ИИП и изучения его поведения в реальных условиях.

Скачать подробную документацию по ШИМ-контроллерам можно с сайта www.power.ti.com, подписаться на рассылку новостей на www.my.ti.com, а получить техническую консультацию, заказать бесплатные образцы и взять модули на исследование под перспективный проект можно в службе технической поддержки ЗАО "Сканти-РУС" texas.spb@scanti.ru.