Силовая электроника №1'2006

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания

Анатолий Бербенец


В статье рассмотрено многочисленное семейство выпускаемых ведущей европейской фирмой Infineon Technologies микросхем для импульсных (ключевых) источников питания.


Введение

Импульсные источники питания в силу присущих им преимуществ перед аналоговыми источниками питания нашли самое широкое применение во вторичных источниках питания для современной бытовой и промышленной электронной аппаратуры. Их основные преимущества заключаются в следующем:

  • меньшие габариты и вес (меньшие габариты силового трансформатора, конденсаторов, радиаторов);
  • выше КПД (меньше собственные потери на нагрев);
  • малые потери в режиме ожидания;
  • возможность работы в широком диапазоне входного сетевого напряжения (85-245 В) при сохранении высокой эффективности;
  • возможность встраивания электронных функций, например защита от короткого замыкания, мягкий старт, режим ожидания и т. п.

Принцип действия импульсных источников питания

Обобщенная функциональная схема импульсных источников питания приведена на рис. 1. Основными блоками, отличающими импульсные источники питания от традиционного аналогового источника питания, являются инвертор, высокочастотный выпрямитель, вспомогательный (дежурный) выпрямитель, схема управления, схема гальванической развязки.

Рис. 1

Входное сетевое напряжение с частотой 50 Гц выпрямляется и фильтруется первым блоком и поступает на блок инвертора. Инвертор преобразует постоянное напряжение в последовательность однополярных прямоугольных импульсов с частотой повторения от единиц килогерц до нескольких мегагерц. Эти ВЧ-импульсы при необходимости могут быть с помощью силового трансформатора доведены до необходимой амплитуды с последующим выпрямлением ВЧ-выпрямителем. Энергетические параметры импульсных источников питания определяет ключевой преобразователь напряжения, который включает в себя три блока нашей схемы: инвертор с силовым ключом, ВЧ-выпрямитель и фильтр (рис. 1). Практически все микросхемы контроллеров импульсных источников питания Infineon предназначены для использования совместно с силовыми транзисторными ключами МОП полевыми транзисторами или IGBT биполярными транзисторами, например серий CoolMOS (высоковольтные МОП до 800 В) или OptiMOS (низковольтные силовые МОП до 75 В). При этом частоты преобразования не превышают 300 кГц.

Как следует из разложения в ряд Фурье последовательности прямоугольных импульсов длительностью t и, периодом следования Tи амплитудой Um, среднее значение напряжения (после фильтра) определяется соотношением:

Uср = UmTи/T

Из этого выражения следует, что среднее значение напряжения последовательности прямоугольных импульсов U зависит от соотношения tи/Tи его можно регулировать в диапазоне от нуля до Um путем изменения длительности и периода повторения импульсов. Эту функцию выполняет схема управления (драйвер), на вход которой через схему гальванической развязки поступает по петле обратной связи сигнал рассогласования выходного напряжения от заданной опорной величины.

Существует три способа регулирования: широтно-импульсный метод (t и = var, T = const), частотно-импульсный (t и = const, T= var) и время-импульсный (t и = var, T = var).

Наибольшее распространение в импульсных источниках питания, в том числе и контроллерах Infineon, получил широтно-импульсный метод (ШИМ) регулирования и стабилизации напряжения и тока.

Базовые топологии ключевых преобразователей напряжения

Для описания разнообразной номенклатуры микросхем, выпускаемых Infineon для импульсных источников питания, кратко рассмотрим базовые схемотехнические конфигурации (топологии) ключевых преобразователей напряжения, в которых они могут быть использованы.

Ключевые преобразователи напряжения или преобразователи постоянного тока в постоянный, так называемые DC-DC преобразователи напряжения, могут быть выполнены различными способами. Они, прежде всего, делятся на бестрансформаторные и трансформаторные схемы по отсутствию или наличию гальванической (трансформаторной) развязки между входом и выходом преобразователя напряжения. В свою очередь, в бестрансформаторных топологиях выделяют следующие виды преобразователей напряжения:

  • понижающий (buck converter);
  • повышающий (boost converter);
  • повышающе-понижающий (buck-boost converter);
  • преобразователь Чука и его модификации. Трансформаторные топологии делятся на однотактные, полумостовые и мостовые.

При этом различают два принципиально разных типа ключевого преобразователя напряжения с трансформаторной топологией:

  • прямоходовой (feed forward converter) преобразователь напряжения;
  • обратноходовой (flyback converter) преобразователь напряжения.

Это деление основано на принципе передачи энергии в нагрузочную цепь импульсного источника питания схемой ключевого преобразователя напряжения. В преобразователях прямого хода передача энергии в нагрузку происходит при замкнутом электронном ключе инвертора, а в преобразователях обратного хода — при разомкнутом (см. рис. 2-3). Работа этих двух преобразователей напряжения многократно описана в технической литературе и здесь не рассматривается [1].

Рис. 2. Прямоходовой преобразователь с одним транзистором
Рис. 2. Прямоходовой преобразователь напряжения с одним транзистором
Рис. 3. Обратноходовой преобразователь
Рис. 3. Обратноходовой преобразователь напряжения

ШИМ-контроллеры Infineon в рекомендованных документацией схемах включения используют в качестве базовых трансформаторные топологии преобразователей напряжения, хотя ряд микросхем допускает работу и в бестрансформаторных включениях всех четырех вышеперечисленных видов.

В таблице 1 показаны сравнительные возможности различных типов преобразователей напряжения по критерию достижимой мощности импульсного источника питания [3].

Таблица 1. Диапазоны мощности КИП в зависимости от типа преобразователя
Таблица 1. Диапазоны мощности импульсных источников питания в зависимости от типа преобразователя напряжения

Интегральные схемы Infineon для импульсных источников питания

Одним из основных узлов любого импульсного источника питания можно считать схему управления — контроллер ШИМ, определяющий тот или иной метод реализации блока инвертора в ключевых преобразователей напряжения (рис. 1), а также обеспечивающий дополнительные функции: защиту, корректировку коэффициента мощности, режимы пониженного потребления и т. п.

Сравнительный обзор микросхем управления для импульсных источников питания, выпускаемых фирмой Infineon, представлен в таблицах 2-4. Микросхемы условно разделены на четыре функциональные группы: • ШИМ-контроллеры общего применения

(табл. 2);

  • комбинированнные ШИМ-контроллеры, имеющие в составе блок ККМ (табл. 3);
  • корректоры   коэффициента  мощности (ККМ) (табл. 3);
  • ШИМ-контроллеры семейства CoolSET, интегрированные с силовым МОП силовым транзистором (табл. 4).
Таблица 2. ШИМ-контроллеры общего применения
Таблица 2. ШИМ-контроллеры общего применения
Таблица 3. Комбинированные ШИМ-контроллеры, с блоком ККМ, корректоры коэффициента мощности
Таблица 3. Комбинированные ШИМ-контроллеры, с блоком ККМ, корректоры коэффициента мощности
Таблица 4. ШИМ_контроллеры семейства CoolSET, интегрированные с силовым МОП
Таблица 4. ШИМ_контроллеры семейства CoolSET, интегрированные с силовым МОП

Микросхемы ШИМ-контроллеров могут быть использованы в разнообразных модификациях топологий ключевых преобразователей напряжения. Наиболее универсальными являются микросхемы TDA16888, ICE3DS01, ICE2xS01.Микросхемы TDA16846 и ICE1QS01 подходят для квазирезонансных обратноходовых импульсных источников питания. Эти микросхемы обеспечивают включение МОП силового транзистора в проводящее состояние при минимальной амплитуде резонансных колебаний, возникающих на стоке в закрытом состоянии транзистора — включение в нуле напряжения, что снижает потери переключения и высокочастотные помехи [2].

ИМС контроллеров с фиксированной частотой— ICE2A(B)S01, ICE3DS01, TDA16850, TDA16888 предназначены для зарядных устройств, адаптеров питания (ЖК-мониторы, принтеры, ноутбуки и т. п.), бытовых маломощных устройств, а также для блоков питания ПК и более мощных промышленных применений. Они наилучшим образом подходят для обратноходовых топологий. Микросхема TDA16888 работает и в прямоходовых топологиях импульсных источников питания, к тому же в состав микросхемы входит блок корректировки коэффициента мощности, что расширяет область ее применения.

Применение микросхем серии CoolSET с интегрированным силовым МОП-транзистором в корпусе DIP-8 или TO220 позволяет упростить проектирование и снизить габариты источника питания. Например, использование в составе контроллера силового транзистора серии CoolMOS , имеющего низкое сопротивление во включенном состоянии (<0,8 Ом), позволяет получить импульсный источник питания с мощностью до 67 Вт без использования радиатора (контроллер в корпусе DIP-8). Вариант контроллера в корпусе TO220 имеет электрически изолированный от кристалла теплосток (ISOdrain), то есть микросхема может монтироваться на радиатор без дополнительной электрической изоляции.

Микросхемы корректировки коэффициента мощности предназначены для обеспечения максимально близкого к единице коэффициента мощности (фактора мощности) импульсных источников питания. Это необходимо в соответствии с требованиями стандартов, например европейских EN-61000-3-2 (IEC1000-3-2), с целью снижения гармонических составляющих токов в силовой сети 50 Гц, которые возникают от нелинейных потребителей. К таким потребителям относятся, в частности, источники питания, и особенно импульсные источники питания. Согласно этим нормам, например, в Европе все телевизоры, мониторы и персональные компьютеры с потребляемой мощностью более 75 Вт должны вносить в силовую сеть строго регламентированный уровень гармонических составляющих. Этим же нормам должны удовлетворять электронные балласты люминесцентных ламп мощностью более 25 Вт. Выполнение этих требований достигается применением в импульсных источников питания микросхем ККМ— специализированных или входящих в состав ШИМ-контроллеров. (Российский аналог стандарта IEC1000-3-2 — ГОСТ Р 51317.3.2 — 99.)

Пример структурной схемы импульсного источника питания с использованием полупроводниковых компонентов, выпускаемых Infineon, приведен на рис. 4. Как видно из рисунка, помимо собственно контроллеров ШИМ и ККМ Infineon производит для импульсных источников питания еще ряд принципиально необходимых компонентов. В частности, в схеме корректора мощности применяются транзисторы IGBT или CoolMOS и быстрый диод Шоттки на карбиде кремния (thinQ). В схеме инвертора и выпрямителя используются мощные МОП-транзисторы семейства OptiMOS.

Рис. 4. Блок-схема ключевого источника питания на базе компонентов Infineon
Рис. 4. Блок-схема импульсного источника питания на базе компонентов Infineon

В заключение необходимо отметить, что помимо стандартных схем включения микросхем ШИМ-контроллеров, приведенных в технической документации, Infineon предлагает большое количество материалов по применению, прикладные программы для расчета внешних компонентов, демонстрационно-оценочные платы и PSPICE модели для дискретных силовых компонентов и отдельных микросхем [3].

Литература

  1. Быстров Ю. А. и др. Электронные цепи и устройства. СПб.: Энергоатомиздат. 1999.
  2. TDA4605-3 Datasheet V2.0. 2002.
  3. www.infineon.com
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_01_50.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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