AC/DC-преобразователи от STMicroelectronics

В AC/DC-преобразователях компании STMicroelectronics в одном корпусе объединены микросхема ШИМ-контроллера и силовой ключ MOSFET. Наличие встроенного ключа в AC/DC-преобразователе заметно упрощает жизнь разработчику, позволяет сэкономить место на печатной плате и упростить ее топологию. К сожалению, в этом случае приходится вспомнить пресловутую палку о двух концах. Чтобы уменьшить габариты преобразователя, необходимо уменьшить и площадь кристалла встроенного MOSFET, следовательно, увеличивается сопротивления открытого канала R_DS(ON).

В результате возрастает падение напряжения на открытом канале при протекании тока, что может создать условия для отпирания внутреннего паразитного биполярного транзистора MOSFET и вызвать его лавинный пробой. Для предотвращения этого явления в STMicroelectronics используют специальную технологию avalanche ruggedness, позволяющую избежать лавинного пробоя MOSFET.

Если требуется уменьшить статические потери в силовом ключе из-за относительно высокого значения сопротивления R_DS(ON) и нет жестких ограничений на габариты решения или не устраивают реализуемые преобразователями топологии, можно использовать ШИМ-контроллеры или контроллеры полумостовых резонансных преобразователей, которые также присутствуют в производственной линейке STMicroelectronics. В этом случае выбор внешнего MOSFET и трассировку печатной платы придется делать разработчику.

Однако в данной статье речь пойдет только об AC/DC-преобразователях. Всего в состав производственной линейки компании входят три семейства AC/DC-преобразователей:

• VIPer;
• Altair;
• VIPerPlus.

Все преобразователи являются конструктивно и функционально законченным решением, имеют всю необходимую защиту по напряжению и току. Диапазон максимальных выходных мощностей, охватываемый ими, составляет 4–65 Вт. Такой мощности вполне достаточно для многих электронных систем в разных приложениях. Кроме того, во всех преобразователях имеется токовый контур управления, что позволяет предотвратить насыщение сердечника трансформатора или дросселя и ускорить протекание переходных процессов.

Малые габариты преобразователей, а также их невысокая стоимость, которая в зависимости от условий поставки варьируется в пределах нескольких десятков центов, представляются весомыми аргументами в их пользу.

Поскольку семейство VIPER появилось на свет более 10 лет назад и с тех пор не претерпело изменений, мы ограничимся в его описании перечислением основных параметров, которые указаны в таблице 1. Выходная мощность зависит от типа корпуса и диапазона изменения выходного напряжения. Максимальная выходная мощность достигается при изменении входного напряжения в пределах 195–265 В. При входном напряжении 85–265 В максимальная выходная мощность уменьшается.

Затем в производственной линейке STMicroelectronics появилось семейство Altair. В его состав вошли две микросхемы – ALTAIR04-900 и ALTAIR05T-800 с максимально допустимым напряжением 900 и 800 В и максимальным током 0,7 и 0,65 А, соответственно. Они были созданы для работы в квазирезонансном режиме, с отпиранием силового MOSFET при нулевом напряжении (ZVS) и регулированием по первичной стороне (PSR). Обе микросхемы выпускаются в корпусе SO16.

На смену семейству VIPER пришли микросхемы VIPerPlus, о которых мы расскажем немного подробнее. В состав семейства VIPerPlus входят следующие серии:

• VIPerPlus0P;
• VIPerPlus серии 1;
• VIPerPlus серии 5;
• VIPerPlus серии 6;
• VIPerPlus серии 7;
• VIPerPlus серии 8.

Каждая серия состоит из одной–трех микросхем (см. табл. 2). В ней же приведены основные параметры преобразователей. Максимальное напряжение всех силовых MOSFET семейства VIPerPlus составляет 800 В. Преобразователи могут регулироваться только по вторичной стороне (SSR) или и по первичной PSR, и по вторичной сторонам SSR.

* PSR – регулирование по первичной стороне обратноходового преобразователя. SSR – регулирование по вторичной стороне обратноходового преобразователя.

Преобразователи серий VIPerPlus0P, VIPerPlus серии 1 и VIPerPlus серии 6 помимо стандартной изолированной обратноходовой топологии могут работать и в качестве неизолированного обратноходового преобразователя, когда обратная связь по напряжению поступает в преобразователь напрямую, без гальванической развязки. Кроме того, на их основе можно создать повышающий, понижающий или повышающе-понижающий несинхронный преобразователь; при этом в нижнем плече вместо силового MOSFET используется диод.

Все перечисленные выше топологии хорошо известны, а в документации производителя приведены рекомендуемые варианты схем использования преобразователей для разных топологий. Мы не будем дублировать их в настоящей статье, но кратко рассмотрим особенности каждой серии семейства VIPerPlus.

Во всех сериях преобразователей кроме VIPerPlus серии 5, использующей квазирезонансную топологию, применяется технология «джиттера частоты». Суть ее в том, что частота коммутации во время работы «плавает» на несколько процентов вокруг центрального значения. Например, в одной из модификации преобразователя VIPer38 центральная рабочая частота составляет 60 кГц, а в другой модификации – 120 кГц. При этом в первом случае частота колеблется вокруг центрального значения в пределах ±4 кГц, а во втором – в пределах ±8 кГц.

Такое колебание частоты «размазывает» спектр электромагнитных помех и уменьшает пиковое и среднее значение электромагнитных помех. Примерно по такому же принципу построена технология расширения спектра (spread spectrum), но в ней колебания частоты значительно больше, из-за чего могут возникнуть проблемы при выборе ЭМП-фильтра и сглаживающего фильтра на выходе преобразователя. В случае небольшого колебания частоты, как это происходит в VIPerPlus, такие проблемы не возникают.

Конечно, из-за меньшего колебания рабочей частоты в VIPerPlus генерируемые помехи ослабляются в меньшей степени. Однако, учитывая компактный монтаж, при котором ШИМ-контроллер и силовой ключ находятся в одном корпусе, а также относительно небольшую мощность преобразователей, расширение спектра было бы избыточным. К тому же, усложнилась бы задача по выбору фильтра.

Серия VIPerPlus0P характеризуется режимом нулевого потребления ZPM. В нем отсутствует коммутация силового ключа, и отключается питание от значительной части внутренней схемы, что позволяет снизить ток собственного потребления до 20 мкА. Включение/выключение режима ZPM происходит по внешнему сигналу. На рисунке 1 показана схема включения преобразователя VIPerPlus0P в конфигурации изолированного обратноходового преобразователя с регулированием PSR по первичной стороне.

Рисунок 1. Схема включения преобразователя VIPerPlus0P в конфигурации изолированного обратноходового преобразователя с регулированием PSR по первичной стороне

Широкий диапазон питания 4,5–30 В серии VIPerPlus1, как и у серии VIPerPlus0P, позволяет использовать для питания преобразователей либо вспомогательную, третью, обмотку обратноходового трансформатора, либо внешний низковольтный источник. На рисунке 2 показана схема включения преобразователя VIPer11 в конфигурации повышающее-понижающего неизолированного преобразователя с отрицательным выходным напряжением.

Рисунок 2. Схема включения преобразователя VIPer11 в конфигурации повышающее-понижающего неизолированного преобразователя с отрицательным выходным напряжением

Квазирезонансная обратноходовая топология серии VIPerPlus5 позволяет уменьшить коммутационные потери в силовом ключе и упростить ЭМП-фильтр. Детектирование нулевого значения тока первичной обмотки происходит по напряжению вспомогательной обмотки трансформатора которое поступает на внешний вывод преобразователя через резисторный делитель напряжения. Схема включения преобразователя в описанной конфигурации показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Схема включения квазирезонансного преобразователя VIPer35

Компоненты серии VIPerPlus6 при работе по схеме изолированного обратноходового преобразователя могут использовать оптопару для обратной связи. В этом случае не требуется третья вспомогательная обмотка трансформатора. На рисунке 4 в качестве примера показана изолированная топология с использованием оптопары для обратной связи.

Рисунок 4. Изолированная топология на базе преобразователя VIPer26с использованием оптопары для обратной связи

В преобразователи серии VIPerPlus7 встроен узел для обнаружения прерывания питания BR (Brown out protection), который позволяет измерять сетевое напряжение питания. Если в течение определенного времени его значение ниже допустимой величины, это состояние распознается как авария сетевого напряжения, и силовой MOSFET выключается. На рисунке 5 показана схема включения преобразователя с использованием BR. Если эта функция не используется, то внешний вывод BR замыкается на землю.

Рисунок 5. Схема включения преобразователя с VIPer37с использованием функции BR

Преобразователи серии VIPerPlus8 способны в течение 2 с выдать пиковое значение мощности, заметно превышающее номинальное. Например, максимально допустимая мощность преобразователя VIPer38 при входном напряжении 85–265 В составляет 15 Вт, а пиковая мощность при температуре окружающего воздуха не более 50°С достигает величины 25 Вт. Типовая съема включения преобразователя этого семейства ничем не отличается от таковой для преобразователей серии VIPerPlus7, поэтому мы не будем ее приводить.

AC/DC-преобразователи от STMicroelectronics в наличии на складе Промэлектроника: