Контроллеры VIPerPlus для импульсных источников питания

13 мая 2020

Александр Русу (г. Одесса)

В семейство интегральных контроллеров VIPerPlus, разработанных STMicroelectronics, входят семь подсемейств микросхем для различных применений, которые позволяют создать импульсные преобразователи электроэнергии с мощностью до 15 Вт, построенные по понижающей, инвертирующей и обратноходовой схеме.

Список приложений, питающихся от промышленной сети переменного тока, постоянно растет. Не так давно он пополнился домашними и промышленными интеллектуальными системами, малопотребляющими устройствами интернета вещей, а также оборудованием для светодиодного освещения. Эта тенденция формирует устойчивую потребность в маломощных выпрямительных устройствах, не только удовлетворяющих жесткие требования к качеству выходного напряжения, но и отличающихся повышенной надежностью, малой стоимостью и высоким значением КПД и удельной мощности. Кроме этого, в условиях жесткой конкуренции немаловажную роль играет время вывода устройства на рынок.

На сегодняшний день компоненты для силовой электроники выпускаются многими ведущими мировыми производителями. В этой статье речь пойдет о микросхемах семейства VIPerPlus производства компании STMicroelectronics, являющихся прекрасной основой для создания компактных и надежных источников питания, отвечающих перечисленным выше требованиям.

Ключевые преимущества семейства ViperPlus

Первые микросхемы семейства VIPer появились в конце 2002 года и с этого момента активно используются в самой различной аппаратуре. Название «VIPer» является аббревиатурой от английских слов «Vertical Intelligent Power Enhanced Regulator», что можно перевести как «вертикальный интеллектуальный регулятор мощности с расширенными возможностями». При этом слово «вертикальный» указывает на наличие интегрированного полевого транзистора с вертикальным каналом, имеющего лучшие по сравнению с традиционными планарными MOSFET технические характеристики.

Интеграция в одном малогабаритном корпусе схемы управления и силового транзистора привела к уменьшению общего количества компонентов, требуемых для создания источников питания, а новые технологии производства силовых полупроводниковых приборов, обеспечивающие меньшие потери при переключениях, позволили изготавливать микросхемы в корпусах, не предназначенных для установки на внешний радиатор. Все это способствовало стабильному росту популярности продуктов линейки и появлению в 2008 году микросхем серии VIPerPlus, являющихся дальнейшим развитием инноваций, заложенных в основе VIPer.

Микросхемы VIPerPlus предназначены для построения импульсных преобразователей электрической энергии мощностью до 15 Вт, предназначенных для работы от источников питания с высоким входным напряжением. Многие подсемейства могут работать с силовой частью, построенной по понижающей, инвертирующей и обратноходовой схеме, хотя встречаются и приборы, позволяющие создать на их основе только обратноходовые преобразователи. Это определяет и основную область применения контроллеров VIPerPlus – компактные маломощные источники питания для оборудования постоянного тока, питающегося от промышленной сети с частотой 50/60 Гц (рисунок 1). Однако это не запрещает использовать их и в высоковольтных системах электропитания постоянного тока.

Рис. 1. Структурная схема источника питания на основе микросхем VIPerPlus

Каждый прибор содержит интегрированный высоковольтный транзистор и контроллер, работающий по алгоритмам, зависящим от конкретной модели микросхемы. В большинстве случаев для стабилизации напряжения используется хорошо зарекомендовавший себя метод широтно-импульсной модуляции. Однако в приложениях с жесткими требованиями к уровню потерь можно использовать микросхемы VIPerPlus, работающие по более эффективным алгоритмам управления, например, с использованием квазирезонансных колебаний.

Все представители семейства VIPerPlus обеспечивают превосходную стабильность выходного напряжения, при этом имеется возможность гибкого выбора способа организации отрицательной обратной связи. Например, при невысоких требованиях к точности напряжения на выходе можно использовать более компактный и дешевый метод стабилизации на первичной стороне, а для более ответственных приложений – полноценные контуры с использованием нескольких усилителей ошибки и оптических изоляторов.

Немаловажным фактором, особенно для систем светодиодного освещения, является цена готового устройства. Для компонентов VIPerPlus привлекательная стоимость обусловлена высоким уровнем интеграции и применением передовых технологий производства электронных компонентов. (Например, оптовая цена VIPER25HN составляет около 1 USD). Кроме того, наличие в составе контроллеров VIPerPlus всех необходимых узлов для создания полноценного источника питания с требуемым уровнем безопасности позволяет максимально упростить схему конечного устройства и ограничиться минимальным количеством внешних компонентов.

На сегодняшний день в семейство VIPerPlus входят несколько подсемейств микросхем (рисунок 2). Каждое подсемейство может содержать несколько микросхем разной мощности и имеет свою уникальную отличительную особенность, делающую его идеальным для тех или иных приложений.

Рис. 2. Состав линейки VIPerPlus

Однако список отличительных особенностей подсемейства не ограничивается единственным преимуществом, ведь при создании серии VIPerPlus были использованы последние достижения в области импульсного преобразования электрической энергии. Анализируя общий список технологий, реализованных в этом семействе (таблица 1), мы заключаем, что на основе микросхемы VIPerPlus можно создать источники питания для множества самых разнообразных устройств, в числе которых осветительные и измерительные приборы, бытовая техника и потребительская электроника.

Таблица 1. Основные технологии, используемые в семействе VIPerPlus

VIPerPlus0P

Ключевой особенностью микросхем семейства VIPerPlus0P (рисунок 3) является поддержка функции интеллектуального управления питанием. При установке на выводе OFF напряжения низкого логического уровня (по отношению к выводу SGND) более чем на 10 мс микросхема переходит в режим нулевого энергопотребления (Zero-Power Mode, ZPM), при котором процесс преобразования энергии останавливается и выходное напряжение пропадает. Внутри микросхемы VIPerPlus0P при этом также отключаются практически все внутренние узлы, кроме тех, которые должны вывести ее из этого состояния: встроенного высоковольтного стабилизатора тока, поддерживающего напряжение питания на уровне около 13 В, и узлов, контролирующих состояние вывода ON. Для возобновления подачи энергии в нагрузку необходимо вручную или с помощью микроконтроллера соединить вывод ON с общим проводом (SGND) более чем на 20 мкс.

Рис. 3. Один из вариантов преобразователя на основе контроллераVIPerPlus0P

Управление выводами ON и OFF может осуществляться с помощью центрального процессора системы, вручную пользователем или комбинированным способом (рисунок 4). Наиболее интересным является режим полного управления, когда оба вывода подключаются к портам ввода-вывода микроконтроллера. В этом случае после перехода в режим нулевого энергопотребления и прекращения подачи энергии в нагрузку питание микроконтроллера может осуществляться от вывода ON при условии, что он сможет функционировать от источника с напряжением 3,3 В и внутренним сопротивлением около 45 кОм (внутреннее сопротивление вывода ON).

Рис. 4. Особенности управления режимом нулевого энергопотребления

Микросхемы VIPerPlus0P предназначены в первую очередь для круглосуточно работающих приложений, длительное время находящихся в неактивных режимах (спящем, ждущем, режиме гибернации и так далее). В этом случае каждый лишний ватт, потребляемый из сети в режиме простоя, значительно увеличивает счет за электроэнергию. При активизации режима нулевого энергопотребления мощность, потребляемая источником питания, при напряжении сети 230 B становится меньше 4 мВт, а это значит, что ее можно принять равной нулю, поскольку, согласно IEC62301, минимальная точность измерения энергопотребления в режиме ожидания должна быть не хуже 10 мВт.

VIPerPlus series 1

Ключевой особенностью микросхем VIPerPlus series 1 является возможность работы в широком диапазоне входных напряжений. Для начала работы контроллеров данного подсемейства необходимо, чтобы напряжение между истоком и стоком интегрированного полевого транзистора превысило 18 B. После запуска микросхема способна работать при питающем напряжении (напряжении между выводами VCC и GND), находящемся в диапазоне 4,5…30 B, при этом питание внутренних узлов осуществляется от встроенного высоковольтного стабилизатора тока без необходимости использования внешних источников электрической энергии.

Как и остальные представители семейства VIPerPlus, микросхемы этой серии содержат устойчивый к лавинному пробою 800-вольтовый силовой транзистор с вертикальным каналом, ток которого в каждом цикле преобразования ограничивается на уровне, зависящем от конкретной модели микросхемы: 120, 240 или 360 мА.

От конкретной модели контроллера также зависит и средняя рабочая частота, которая может быть равна 30, 60 или 120 кГц. Однако рабочая частота большинства микросхем VIPerPlus не является фиксированной и модулируется по частоте в диапазоне ±7%, что приводит к размазыванию энергии спектра создаваемых помех и позволяет обеспечить требуемый уровень электромагнитной совместимости без использования традиционных для подобных приложений полосовых фильтров.

Конфигурация контроллеров VIPerPlus series 1 позволяет создавать на их основе преобразователи понижающего, инвертирующего и обратноходового типов (рисунок 5). При этом обратноходовые схемы могут быть изолированными и неизолированными и обеспечивать стабилизацию напряжения как на первичной, так и на вторичной стороне. Основной областью применения микросхем этой серии являются маломощные импульсные источники питания для различных устройств домашней автоматизации, светодиодного освещения, промышленной автоматики и любых других приложений, предназначенных для работы в широком диапазоне постоянного или переменного напряжения.

Рис. 5. Один из вариантов преобразователя на основе контроллера VIPerPlus series 1

VIPerPlus series x22

Ключевой особенностью микросхем подсемейства VIPerPlus series x22 является возможность создания высококачественных понижающих, инвертирующих или обратноходовых импульсных преобразователей с минимальным количеством внешних компонентов (рисунок 6). Это обеспечивается максимальной простотой внутренней схемотехники, высоким уровнем интеграции, а также применением дополнительных технологий, среди которых – использование качающейся рабочей частоты и поддержка стабилизации выходного напряжения на первичной стороне, позволяющая обойтись без изолированного контура отрицательной обратной связи. Все это позволяет создавать компактные и надежные источники питания с высоким значением удельной мощности, чему не в последнюю очередь способствует выпуск микросхем VIPerPlus series x22 в компактных корпусах SSOP10.

Рис. 6. Один из вариантов преобразователя на основе VIPerPlus series x22

VIPerPlus series 5

Еще одними контроллерами, позволяющими создавать источники питания с повышенным значением КПД, являются представители подсемейства VIPerPlus series 5 (рисунок 7). Однако в отличие от рассмотренных выше микросхем VIPerPlus0P, в которых энергосбережение реализуется самым радикальным способом – полным отключением максимально возможного количества узлов, – в контроллерах VIPerPlus series 5 оптимизации подвергается непосредственно сам процесс импульсного преобразования за счет использования квазирезонансного режима переключений.

Рис. 7. Один из вариантов преобразователя на основе VIPerPlus series 5

Очевидно, что контроллер, способный работать в этом режиме, должен быть намного сложнее, поэтому неудивительно, что структурная схема контроллеров VIPerPlus series 5 (рисунок 8) является одной из самых сложных в семействе VIPer. Тем не менее, усложнение внутренней схемотехники контроллера в итоге приводит к упрощению схемы конечного источника питания, ведь при работе в квазирезонансном режиме нет необходимости в использовании снаббера, рассеивающего энергию, накапливаемую в индуктивности рассеяния трансформатора, а меньшая скорость электрических процессов при коммутациях транзистора позволяет обойтись без фильтра электромагнитных помех.

Рис. 8. Структурная схема микросхем VIPerPlus series 5

Малый уровень электромагнитных помех и высокое значение КПД позволяет использовать источники питания на основе VIPerPlus series 5 в приложениях, содержащих электронные узлы либо чувствительные к помехам, либо характеризующиеся жесткими требованиями к массе, габаритам и количеству выделяемых тепловых отходов. Поэтому микросхемы VIPerPlus series 5 можно использовать в адаптерах питания мобильных телефонов, видеокамер, электробритв, видеоигр, DVD-плееров или в качестве вспомогательных источников напряжения для жидкокристаллических панелей, мониторов, аудиосистем и другой аналогичной техники.

VIPerPlus series 6

Микросхемы VIPerPlus series 6 (рисунок 9) являются еще одним подсемейством, с помощью которого можно создать источники питания с разной схемотехникой силовой части. Так же. как и рассмотренные выше микросхемы серий VIPerPlus series 1 и VIPerPlus series х22, они поддерживают понижающую, инвертирующую и обратноходовую схему построения силовой части, причем последняя может быть в изолированном или неизолированном варианте.

Рис. 9. Один из вариантов преобразователя на основе VIPerPlus series 6

Однако в отличие от других подсемейств, микросхемы VIPerPlus series 6 рассчитаны на использование в ответственных приложениях с повышенными требованиями к надежности. Именно поэтому в некоторых микросхемах, например, VIPer26K, напряжение пробоя встроенного силового транзистора увеличено до 1050 В, а многие функции имеют возможности расширенной настройки.

Благодаря возможности работы с повышенными напряжениями микросхемы VIPerPlus series 6 могут использоваться в промышленных системах, питающихся как от однофазной, так и от трехфазной сети. Однако это не является препятствием для использования их и в приложениях, традиционных для микросхем семейства VIPerPlus — в источниках питания для домашней автоматизированной и потребительской техники, устройствах светодиодного освещения и многих других.

VIPerPlus series 7

Отличительной особенностью микросхем VIPerPlus series 7 (рисунок 10) являются повышенные требования к качеству питающего напряжения и широкий спектр защит, в том числе и защита от понижения входного напряжения и перенапряжения выхода. Именно поэтому основная область их применения – изолированные обратноходовые преобразователи для питания беспроводных телекоммуникационных устройств, видеоприставок, электробритв, видеоигр, DVD-плееров. Кроме того, они могут использоваться в качестве вспомогательных источников напряжения для жидкокристаллических панелей, мониторов, аудиосистем, а также в драйверах светодиодов, в том числе и без использования высоковольтных электролитических конденсаторов.

Рис. 10. Один из вариантов преобразователя на основе VIPerPlus series 7

VIPerPlus series 8

Ключевой особенностью микросхем VIPerPlus series 8 является повышенная перегрузочная способность. Несмотря на контроль и ограничение тока силового транзистора в каждом цикле преобразования, при обнаружении перегрузки по току переход в аварийные режимы работы (режимы пропусков импульсов или «икающий» режим) происходят не сразу, а спустя некоторое время, определяемое емкостью конденсатора, подключенного между выводами EPT и общим проводом (рисунок 11). Это позволяет использовать микросхемы VIPerPlus series 8 в приложениях, в которых пиковый ток может кратковременно превышать номинальное значение.

Рис. 11. Один из вариантов преобразователя на основе VIPerPlus series 8

Из таблицы 2, в которую сведены технические характеристики представителей семейства VIPerPlus, видно, что данные микросхемы могут использоваться в широком спектре практических применений для обеспечения постоянным напряжением потребителей мощностью не выше 15 Вт.

Таблица 2. Основные технические характеристики микросхем семейства VIPerPlus

Компоненты для повышения точности выходного напряжения

Одним из ключевых преимуществ обратноходовых преобразователей является возможность гальванической развязки входных и выходных цепей, что является обязательным требованием безопасности для многих приложений. Но наличие изолированного выхода создает определенные проблемы с организацией отрицательной обратной связи – необходимым условием поддержания выходного напряжения с требуемой точностью. Для простых приложений, не требующих высокой стабильности выходного напряжения, в качестве источника сигнала обратной связи может выступать вспомогательная обмотка трансформатора (рисунок 12). Такое решение позволяет значительно упростить схему и сократить количество внешних компонентов, но при этом точность установки выходного напряжения в большинстве случаев оказывается невысокой.

Рис. 12. Обратноходовой преобразователь со стабилизацией напряжения на первичной стороне

Для повышения стабильности выходного напряжения информацию о нем лучше снимать непосредственно с выходных клемм изолированной стороны, передавая ее в контроллер с помощью оптопар (рисунок 13). Однако особенности такого решения требуют использования дополнительных компонентов для установки требуемой рабочей точки светодиодов. Наилучшим образом для этого подходят специализированные регулируемые усилители параллельного типа TL431/2, использование которых в импульсных источниках питания уже фактически стало отраслевым стандартом.

Рис. 13. Обратноходовой преобразователь со стабилизацией напряжения на вторичной стороне

На сегодняшний день микросхемы TL431 и TL432 производятся многими ведущими производителями электронных компонентов. Они доступны в различных корпусах и могут работать в самых разнообразных температурных диапазонах. Но возрастающие требования к величине удельной мощности, точности выходного напряжения и уровню собственного энергопотребления привели к тому, что оригинальный вариант стабилизаторов этого типа, разработанный еще в 70-х годах прошлого века, уже не всегда отвечает требованиям современных приложений. Это стало причиной расширения данной линейки и появления новых версий этих популярных микросхем, каждую из которых можно использовать в качестве усилителя ошибки на вторичной стороне обратноходового преобразователя.

На сегодняшний день компания STMicroelectronics выпускает не только традиционные стабилизаторы TL431, но и микросхемы с улучшенными характеристиками: повышенной точностью стабилизации, расширенным диапазоном рабочих напряжений и меньшим значением рабочего тока (таблица 3). Но если стандартной точности и температурной стабильности регулирования окажется недостаточно, то можно использовать более точные микросхемы со встроенным параметрическим источником опорного напряжения, рабочая точка которого стабилизирована прецизионным источником тока (таблица 4). Кроме этого, для приложений с высокой удельной мощностью можно использовать микросхемы со встроенным делителем и фиксированным выходным напряжением (таблица 5), позволяющие уменьшить не только площадь, занимаемую этим узлом на печатной плате, но и общее количество используемых компонентов.

Таблица 3. Основные технические характеристики регулируемых стабилизаторов

Таблица 4. Основные технические характеристики регулируемых стабилизаторов напряжения со встроенным стабилизатором тока

Таблица 5. Основные технические характеристики стабилизаторов напряжения со встроенным делителем напряжения

Оценочные платы

Для упрощения разработки и ускорения выхода готового изделия на рынок компания ST Microelectronics предлагает широкий набор оценочных плат (таблицы 6…13), большинство из которых является законченными источниками питания, которые можно быстро подключить к оборудованию и проверить работоспособность полученной системы во всех возможных режимах. Кроме этого, некоторые платы содержат вспомогательные элементы, позволяющие оперативно оценить эффективность различных функций. Например, на платах STEVAL-ISA192V1 и STEVAL-ISA181V1 присутствуют микроконтроллеры, с помощью которых можно быстро реализовать функцию нулевого энергопотребления и оценить возможность ее применения на практике.

Таблица 6. Неизолированные понижающие и инвертирующие преобразователи выходным током до 350 мА

Таблица 7. Неизолированные обратноходовые преобразователи с мощностью до 4 Вт

Таблица 8. Изолированные преобразователи с мощностью до 4 Вт

Таблица 9. Неизолированные преобразователи с мощностью до 7 Вт

Таблица 10. Изолированные преобразователи с мощностью до 8 Вт

Таблица 11. Неизолированные преобразователи с мощностью до 12 Вт

Таблица 12. Изолированные преобразователи с мощностью до 12 Вт

Таблица 13. Изолированные преобразователи с мощностью до 15 Вт

Заключение

Несмотря на то что маломощные импульсные преобразователи активно используются уже несколько десятилетий, всегда найдется компонент, узел или режим, который можно улучшить и тем самым вывести устройство на новый уровень качества. Очевидно, этот процесс будет продолжаться долго, поскольку в технологии импульсного преобразования еще существует множество проблем. Однако, несмотря на это, характеристики существующих источников питания с каждым годом становятся лучше, чему, в первую очередь, способствует использование самых современных решений, одними из которых являются рассмотренные в данной статье контроллеры ViperPlus производства STMicroelectronics.