Рубрики
Источники питания

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания Анатолий Бербенец В статье рассмотрено бессчетное семейство выпускаемых ведущей европейской компанией Infineon Technologies микросхем

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания Анатолий Бербенец

В статье рассмотрено бессчетное семейство выпускаемых ведущей европейской компанией Infineon Technologies микросхем для импульсных (главных) источников питания.

Введение

Импульсные источники питания в силу присущих им преимуществ перед аналоговыми источниками питания отыскали самое обширное применение во вторичных источниках питания для современной бытовой и промышленной электрической аппаратуры. Их главные достоинства заключаются в последующем:

  • наименьшие габариты и вес (наименьшие габариты силового трансформатора, конденсаторов, радиаторов);
  • выше КПД (меньше собственные утраты на нагрев);
  • малые утраты в режиме ожидания;
  • возможность работы в широком спектре входного сетевого напряжения (85-245 В) при сохранении высочайшей эффективности;
  • возможность встраивания электрических функций, к примеру защита от недлинного замыкания, мягенький старт, режим ожидания и т. п.

Принцип деяния импульсных источников питания

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

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Рис. 1

Входное сетевое напряжение с частотой 50 Гц выпрямляется и фильтруется первым блоком и поступает на блок инвертора. Инвертор конвертирует неизменное напряжение в последовательность однополярных прямоугольных импульсов с частотой повторения от единиц килогерц до нескольких мгц. Эти ВЧ-импульсы по мере надобности могут быть при помощи силового трансформатора доведены до нужной амплитуды с следующим выпрямлением ВЧ-выпрямителем. Энерго характеристики импульсных источников питания определяет главный преобразователь напряжения, который содержит в себе три блока нашей схемы: инвертор с силовым ключом, ВЧ-выпрямитель и фильтр (рис. 1). Фактически все микросхемы контроллеров импульсных источников питания Infineon созданы для использования вместе с силовыми транзисторными ключами МОП полевыми транзисторами либо IGBT биполярными транзисторами, к примеру серий CoolMOS (высоковольтные МОП до 800 В) либо OptiMOS (низковольтные силовые МОП до 75 В). При всем этом частоты преобразования не превосходят 300 кГц.

Как надо из разложения в ряд Фурье последовательности прямоугольных импульсов продолжительностью 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 находится в зависимости от соотношения tи/Tи его можно регулировать в спектре от нуля до Um методом конфигурации продолжительности и периода повторения импульсов. Эту функцию делает схема управления (драйвер), на вход которой через схему гальванической развязки поступает по петле оборотной связи сигнал рассогласования выходного напряжения от данной опорной величины.

Существует три метода регулирования: широтно-импульсный способ (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 способ (ШИМ) регулирования и стабилизации напряжения и тока.

Базисные топологии главных преобразователей напряжения

Для описания различной номенклатуры микросхем, выпускаемых Infineon для импульсных источников питания, коротко разглядим базисные схемотехнические конфигурации (топологии) главных преобразователей напряжения, в каких они могут быть применены.

Главные преобразователи напряжения либо преобразователи неизменного тока в неизменный, так именуемые DC-DC преобразователи напряжения, могут быть выполнены разными методами. Они, сначала, делятся на бестрансформаторные и трансформаторные схемы по отсутствию либо наличию гальванической (трансформаторной) развязки меж входом и выходом преобразователя напряжения. В свою очередь, в бестрансформаторных топологиях выделяют последующие 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 всем этом различают два принципно различных типа главного 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 главного преобразователя напряжения. В преобразователях прямого хода передача энергии в нагрузку происходит при замкнутом электрическом ключе инвертора, а в преобразователях оборотного хода — при разомкнутом (см. рис. 2-3). Работа этих 2-ух преобразователей напряжения неоднократно описана в технической литературе и тут не рассматривается [1].

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Рис. 2. Прямоходовой преобразователь напряжения с одним транзистором
Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Рис. 3. Обратноходовой преобразователь напряжения

ШИМ-контроллеры Infineon в рекомендованных документацией схемах включения употребляют в качестве базисных трансформаторные топологии преобразователей напряжения, хотя ряд микросхем допускает работу и в бестрансформаторных включениях всех 4 перечисленных выше видов.

В таблице 1 показаны сравнительные способности разных типов преобразователей напряжения по аспекту достижимой мощности импульсного источника питания [3].

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Таблица 1. Спектры мощности импульсных источников питания зависимо от типа преобразователя напряжения
Интегральные схемы Infineon для импульсных источников питания

Одним из главных узлов хоть какого импульсного источника питания можно считать схему управления — контроллер ШИМ, определяющий тот либо другой способ реализации блока инвертора в главных преобразователей напряжения (рис. 1), также обеспечивающий дополнительные функции: защиту, корректировку коэффициента мощности, режимы пониженного употребления и т. п.

Сравнительный обзор микросхем управления для импульсных источников питания, выпускаемых компанией Infineon, представлен в таблицах 2-4. Микросхемы условно разбиты на четыре многофункциональные группы: • ШИМ-контроллеры общего внедрения

(табл. 2);

  • комбинированнные ШИМ-контроллеры, имеющие в составе блок ККМ (табл. 3);
  • корректоры коэффициента мощности (ККМ) (табл. 3);
  • ШИМ-контроллеры семейства CoolSET, встроенные с силовым МОП силовым транзистором (табл. 4).

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Таблица 2. ШИМ-контроллеры общего внедрения
Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Таблица 3. Комбинированные ШИМ-контроллеры, с блоком ККМ, корректоры коэффициента мощности
Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Таблица 4. ШИМ_контроллеры семейства CoolSET, встроенные с силовым МОП

Микросхемы ШИМ-контроллеров могут быть применены в различных модификациях топологий главных преобразователей напряжения. Более 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 малой амплитуде резонансных колебаний, возникающих на стоке в закрытом состоянии транзистора — включение в нуле напряжения, что понижает утраты переключения и высокочастотные помехи [2].

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

Применение микросхем серии CoolSET с встроенным силовым МОП-транзистором в корпусе DIP-8 либо TO220 позволяет упростить проектирование и понизить габариты источника питания. К примеру, внедрение 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), другими словами микросхема может устанавливаться на радиатор без дополнительной электронной изоляции.

Микросхемы корректировки коэффициента мощности созданы для обеспечения очень близкого к единице коэффициента мощности (фактора мощности) импульсных источников питания. Это нужно в согласовании с требованиями эталонов, к примеру европейских EN-61000-3-2 (IEC1000-3-2), с целью понижения гармонических составляющих токов в силовой сети 50 Гц, которые появляются от нелинейных потребителей. К таким потребителям относятся, а именно, источники питания, и в особенности импульсные источники питания. Согласно этим нормам, к примеру, в Европе все телеки, мониторы и индивидуальные компы с потребляемой мощностью более 75 Вт должны заносить в силовую сеть строго регламентированный уровень гармонических составляющих. Тем же нормам должны удовлетворять электрические балласты люминесцентных ламп мощностью более 25 Вт. Выполнение этих требований достигается применением в импульсных источников питания микросхем ККМ- специализированных либо входящих в состав ШИМ-контроллеров. (Русский аналог эталона IEC1000-3-2 — ГОСТ Р 51317.3.2 — 99.)

Пример структурной схемы импульсного источника питания с внедрением полупроводниковых компонент, выпускаемых Infineon, приведен на рис. 4. Как видно из рисунка, кроме фактически контроллеров ШИМ и ККМ Infineon производит для импульсных источников питания еще ряд принципно нужных компонент. А именно, в схеме корректора мощности используются транзисторы IGBT либо CoolMOS и резвый диодик Шоттки на карбиде кремния (thinQ). В схеме инвертора и выпрямителя употребляются массивные МОП-транзисторы семейства OptiMOS.

Микросхемы Infineon для импульсных источников питания
Рис. 4. Блок-схема импульсного источника питания на базе компонент Infineon

В заключение стоит отметить, что кроме стандартных схем включения микросхем ШИМ-контроллеров, приведенных в технической документации, Infineon предлагает огромное количество материалов по применению, прикладные программки для расчета наружных компонент, демонстрационно-оценочные платы и PSPICE модели для дискретных силовых компонент и отдельных микросхем [3].