IR3220S — силовая микросхема управления ИС электроприводом постоянного тока

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).

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 21×25 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.