Силовая электроника №1'2006

IR3220S — силовая микросхема управления ИС электроприводом постоянного тока

Дмитрий Андреев

 

Достаточно быстрое развитие механизации и автоматизации различных технологических процессов, а в последнее время еще и разнообразного специального оборудования и сложной бытовой техники, инициировало создание целого класса микросхем управления, ориентированных на управление электроприводами сверхмалой и малой мощности. Основными требованиями, предъявляемыми к этим микросхемам управления, являются надежность, высокая адаптивность к конкретным условиям применения, малое количество дополнительных элементов, низкая цена.

 

Микросхема управления мощностью IR3220 является эффективным инструментом для управления электроприводами в механотронике и, в том числе, в автомобильных приложениях. Она может управлять включением и направлением вращения электропривода, обеспечивать его плавный старт и торможение.

Функционально микросхема представляет собой верхнюю часть микромощного управляемого моста с цепями управления и защиты. Функциональный состав микросхемы управления представлен на рис. 1.

Микросхема управления имеет электрические цепи, управляющие защитой от перегрузок по току в управляемом электроприводе, а также элементы тепловой защиты. Микросхема управления содержит пусковые цепи (SS), ограничивающие пусковой ток и обеспечивающие плавное возрастание тока от 0 до номинальной величины, что позволяет избежать ударных нагрузок как на элементы электропривода, так и на управляемый двигателем механический электропривод при старте.

Описание основных особенностей микросхем управления

Рассматриваемая интегральная микросхема управления объединяет в себе схемы управления, схемы защиты и верхнее плечо управляемого моста, в состав которого входят два полевых переключающих транзистора (HS1, HS2). В качестве нижнего плеча (LS1, LS2) в мостовой схеме предлагается использовать переключающие полевые транзисторы в отдельных корпусах.

При разработке микросхемы управления за основу были взяты следующие ключевые положения:

  • транзисторы верхнего плеча (HS1 и HS2) управляются независимо друг от друга;
  • каждый транзистор верхнего плеча (HS1 и HS2) имеет отдельную защиту по току, включающую защиту от токов короткого замыкания и схемные решения, предохраняющие микросхему от сквозных токов;
  • нормальное состояние транзисторов нижнего плеча (LS1 и LS2) — открытое. Такой подход способствует простому и эффективному решению проблемы сквозных токов;
  • встроенные цепи плавного пуска двигателя (SS) формируют ШИМ-сигнал и передают его на оба силовых транзистора нижнего плеча (LS1 и LS2) вне зависимости от состояния верхних ключей.

Эти принципы позволяют обеспечить надежную защиту переключающих транзисторов верхнего плеча, входящих в состав микросхемы управления. Контрольные функции, такие как блокировка при понижении напряжения, температурная защита, контролирующая обратная связь и т. д., включены в блок логического контроля (H-Bridge logic control, рис. 1).

Работа микросхемы управления организована так, что в штатном рабочем режиме включены только два транзистора моста, диагонально расположенные по отношению друг к другу (HS1 и LS2, или HS2 и LS1), между ними включены обмотки электропривода. Это наглядно видно из таблицы режимов работы (табл. 1).

Таблица. 1

Режим, когда открыты два последовательно включенных транзистора (HS1 и LS1, либо HS2 и LS2), то есть режим, когда ток не протекает через обмотки двигателя, называется режимом сквозного тока. Он является аварийным и ведет к выходу из строя микросхемы. При разработке микросхемы управления IR3220 были использованы новые идеологические подходы и схемные решения, значительно снижающие возможность возникновения таких режимов. Микросхема управления выполнена в 20-выводном корпусе для планарной технологии и работает в диапазоне питающих напряжений от 5,5 до 35 В. При типовом сопротивлении в открытом состоянии 13 мОм максимальный рабочий ток через транзистор может достигать 6 А при 85 °С. Защита микросхемы по току срабатывает при достижении током уровня 30 А, а защита по температуре — при 165 °С.

Плавный пуск электропривода

Схемы, ограничивающие пусковые токи и обеспечивающие плавный старт двигателя, включают в себя генератор, вырабатывающий пилообразное напряжение с частотой 20 кГц и амплитудой 3 В (пилообразное напряжение изменяется от 1 до 4 В), интегрирующую RC-цепочку и компаратор, на выходе которого получается ШИМ-сигнал, который используется для управления транзисторами нижнего плеча (LS1 и LS2) в процессе старта электропривода, причем этот сигнал подается на оба транзистора нижнего плеча. Работа схемы, обеспечивающей плавный пуск двигателя, представлена на рис. 2.

Рис. 2

Защита от сквозных токов

Вследствие наличия зарядных RC-цепей верхний транзистор имеет большее время включения/выключения по сравнению с соответствующим транзистором нижнего плеча. В связи с этим, когда управляющий сигнал (IN1) становится высоким и транзистор верхнего плеча (HS1) начинает плавно открываться, дополнительный сигнал закрывает соответствующий (последовательный) транзистор нижнего плеча (LS1). С другой стороны, когда сигнал управления (IN1) переходит в низкое состояние, транзистор нижнего плеча не может сразу же переключиться в открытое состояние, схема управления удерживает его в закрытом состоянии до тех пор, пока не закроется верхний транзистор. Основу системы защиты составляют компаратор напряжения и RS-триггер. На рис. 3 представлена схема, поясняющая работу схемы защиты от сквозных токов.

Рис. 3

Замечания по применению микросхем управления

Микросхема управления, выполненная в корпусе 20-Lead SOIC (на рис. 4 показано расположение и назначение выводов микросхемы), предназначена для поверхностного монтажа.

Рис. 4

В качестве транзисторов нижнего плеча производитель рекомендует использовать транзисторы типа IRF7484Q, которые также выполнены в планарном корпусе (8-Lead SOIC). Это дает возможность создавать устройства управления электроприводами постоянного тока с мощностью до 80 Вт. Пример такого устройства представлен на рис. 5. Причем следует отметить, что все устройство без труда разместилось на плате размерами 21x25 мм.

Рис. 5

Реализация силового интерфейса управления электроприводом на базе микросхемы управления IR3220 для микроконтроллера представлена на рис. 6, а временные диаграммы — на рис. 7.

Рис. 7

В данном решении показана возможность использования концевых выключателей для остановки и реверса электропривода.

В заключение хотелось бы еще раз отметить, что наличие встроенного ШИМ-контроллера, развитой логики, широкого набора функций управления и защиты делают микросхему управления IR3220S полноценным регулятором скорости вращения электроприводов постоянного тока с возможностью реверсирования, торможения и плавного пуска.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_01_34.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо