AP8262WSE-A1 – доступная альтернатива популярным ШИМ-контроллерам

22 апреля

Дмитрий Илларионов (Нижний Новгород)

ШИМ-контроллер AP8262WSE-A1 с токовым управлением и фиксированной частотой преобразования от китайской компании Chipown – полный (и бюджетный) качественный аналог популярных изделий семейства UCx843.

В каталоге компании КОМПЭЛ появилась микросхема AP8262WSE-A1, выпускаемая китайским производителем Chipown и являющаяся полным аналогом популярных ШИМ-контроллеров семейства UCx843 (UC1843, UC2843 и UC3843). Рассматриваемая интегральная схема (ИС) – это контроллер с токовым управлением и фиксированной частотой преобразования, находящий применение в DC/DC-преобразователях и (в гораздо меньшей мере) в сетевых источниках питания. Регулировка выходной мощности источника осуществляется при помощи широтно-импульсной модуляции, максимальная рабочая частота устройства составляет 500 кГц. Коэффициент заполнения сигнала, управляющего силовым ключом, в отличие от похожих контроллеров серии UCx844/45, может превышать 50%, что позволяет, например, снизить пиковые токи на первичной стороне обратноходового преобразователя за счет его работы в режиме непрерывных токов. Выходной каскад микросхемы AP8262WSE-A1 обеспечивает ток до ±1 А, что идеально подходит для управления мощными полевыми транзисторами, поскольку дает возможность быстро зарядить/разрядить их входную емкость и снизить динамические потери на ключе. Максимальное токопотребление рассматриваемого ШИМ-контроллера составляет 17 мА, однако, его стартовый ток не превышает 1 мА, что позволяет упростить цепь запуска преобразователя. В целом микросхема AP8262WSE-A1 является экономически эффективным решением, поскольку она требует минимального количества внешних элементов и обладает крайне низкой ценой (даже по сравнению с относительно недорогими ШИМ-контроллерами UCx843).

В состав микросхемы AP8262WSE-A1 входят (рисунок 1):

Рис. 1. Структурная схема AP8262WSE-A1

– тактовый генератор, имеющий возможность установки частоты преобразования при помощи внешнего резистора и конденсатора;

– усилитель ошибки с высоким коэффициентом усиления и низким выходным сопротивлением;

– компаратор, реализующий токовый режим управления и обеспечивающий защиту от превышения тока через силовой ключ;

– выходной каскад, построенный по схеме типа «totem pole» на биполярных транзисторах и дающий возможность перезаряжать затвор силового ключа токами вплоть до ±1 А;

– источник опорного напряжения +5,0 В ± 1% (5V Reference);

– схема отключения ШИМ-контролера при пониженном напряжении питания (UVLO) со встроенным гистерезисом, а также схема защиты от повышенного напряжения (OVP);

– дополнительные логические узлы, обеспечивающие корректное управление силовым ключом (RS-триггер, элемент «3ИЛИ-НЕ», схема контроля опорного напряжения).

Описание выводов

Микросхема AP8262WSE-A1 доступна в планарном корпусе SOIC-8. Цоколевка и описание ее выводов приведены ниже (рисунок 2). Обратите внимание на то, что ШИМ-контроллер AP8262WSE-A1 является повыводно совместимым с интегральными схемами UCx843:

Рис. 2. Цоколевка и описание выводов AP8262WSE-A1

Электрические характеристики

Основные электрические характеристики микросхем AP8262WSE-A1 и UCx843 приведены в таблице 1. Если не оговорено иное, все значения даны для полного температурного диапазона и следующих условий: V_IN = 15 В, R_T = 10 кОм, C_T = 3,3 нФ. Все напряжения измерены относительно вывода «GND». За более подробной информацией можно обратиться к официальной документации производителя.

Таблица 1. Электрические характеристики ИС AP8262WSE-A1 и UCx843

Основные узлы

Усилитель ошибки

В состав ШИМ-контроллера AP8262WSE-A1 входит усилитель ошибки, имеющий полосу пропускания не менее 0,7 МГц и коэффициент усиления постоянного напряжения не хуже 65 дБ (рисунок 3):

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления и фазы от частоты для усилителя ошибки AP8262WSE-A1

Инвертирующий вход усилителя подключен к выводу 2 микросхемы («FB»), а выход – к выводу 1 («COMP»). На неинвертирующий вход подано внутреннее опорное смещение, равное +2,5 В (данный вход не имеет внешних соединений). Нагрузочная способность выхода усилителя ошибки составляет не менее ±0,5 мА, входной ток инвертирующего входа не превышает -2 мкА (рисунок 4):

Рис. 4. Усилитель ошибки в AP8262WSE-A1

В типовой ситуации инвертирующий вход используется для стабилизации выходного напряжения преобразователя – для этого оно (рисунок 5) подается на вывод №2 через резистивный делитель R_iR_d (имеются в виду неизолированные топологии):

Рис. 5. Стабилизация выходного напряжения в AP8262WSE-A1

Соотношение резисторов R_i и R_d выбирается так, чтобы при номинальном выходном напряжении проектируемого источника напряжение на нижнем резисторе было равно внутреннему опорному смещению (+2,5 В). При этом усилитель будет непрерывно отслеживать сигнал на выводе «FB» ШИМ-контроллера, автоматически увеличивая время открытого состояния силового ключа, если напряжение на резисторе R_d меньше +2,5 В, и уменьшая его, если напряжение на R_d больше +2,5 В. Наличие ненулевого входного тока инвертирующего входа будет вызывать ошибку в выходном напряжении источника питания, поэтому необходимо, чтобы ток через нижний резистор делителя R_iR_d был много больше 2 мкА. На практике обычно достаточно обеспечить I_Rd = 100 мкА, однако в зависимости от требуемых параметров изделия этот ток может быть увеличен еще в 10…20 раз.

Выход усилителя ошибки (вывод 1) чаще всего используется для компенсации контура обратной связи. Минимальное сопротивление резистора R_f ограничено допустимым выходным током усилителя и требуемым напряжением на его выходе – для нормальной работы ШИМ-контроллера оно должно быть больше порогового напряжения компаратора V_CS(MAX) с учетом «потерь» на двух диодах и на резистивном делителе 2R/R. При номинальных значениях вышеуказанных параметров будем иметь:

$$R_{f(MIN)}=\frac{2\cdot 0.7\,В+3\cdot 1.0\,В}{0.5\,мА}=8.8\,кОм,$$

где «2×0,7 В» – падение напряжения на двух диодах, расположенных на выходе усилителя, а «3» – коэффициент деления резистивного делителя 2R/R.

Компаратор

Суть работы ШИМ-контроллеров с токовым управлением достаточно проста: силовой ключ открывается импульсом с тактового генератора и закрывается, когда ток в индукторе достигает порогового уровня, установленного сигналом с выхода усилителя ошибки. Очевидно, что чем ближе выходное напряжение преобразователя будет к номинальному, тем больше сигнал на резисторе R_d приблизится к внутреннему опорному смещению усилителя (+2,5 В), и тем меньшее напряжение возникнет на его выходе. А это значит, что будет установлен меньший пороговый уровень, и силовой ключ выключится раньше. Таким образом, разница между требуемым и фактическим напряжением на выходе преобразователя управляет током индуктора, приближая источник питания к «номинальному» состоянию каждый рабочий цикл.

За выключение силового ключа в микросхеме AP8262WSE-A1 отвечает компаратор, сравнивающий сигналы с выхода усилителя ошибки и с датчика тока индуктора (рисунок 6). В качестве такого датчика обычно выступает резистор R_S, включенный последовательно с ключом (хотя в преобразователях большой мощности для этих целей может использоваться токовый трансформатор). Ток индуктора I_S, преобразованный в напряжение, подается на вывод 3 микросхемы («CS») и сравнивается с уровнем, полученным c выхода усилителя ошибки:

Рис. 6. Работа компаратора в AP8262WSE-A1

Расчет номинала резистора R_S ведут, исходя из наихудших условий работы преобразователя, когда сигнал на выходе усилителя максимальный. Это происходит, если напряжение на его инвертирующем входе близко к нулю, что наблюдается в момент включения источника или при его глубокой перегрузке. В таких условиях порог срабатывания компаратора будет принудительно ограничен при помощи встроенного стабилитрона на уровне V_CS(MAX), равном примерно +1,0 В. Таким образом, если номинал датчика R_S рассчитывается по формуле

$$R_{S}=\frac{V_{CS(MAX)}}{I_{PK(MAX)}}\approx \frac{1.0\,В}{I_{PK(MAX)}},$$

можно быть уверенным, что ток через силовой ключ и индуктор не превысит заданного значения I_PK(MAX) (правда, в реальных устройствах лучше все же учитывать возможный разброс параметра V_CS(MAX)).

Обычно на переднем фронте сигнала с датчика тока будет наблюдаться короткий выброс, который обусловлен перезарядом различных паразитных (и не только) емкостей в источнике питания. Этот всплеск может привести к нестабильной работе преобразователя, особенно при небольшой нагрузке на выходе, когда требуемый ток индуктора довольно мал. Пропускание сигнала с датчика тока через небольшой RC-фильтр обычно устраняет нестабильность, поскольку при этом амплитуда выброса снижается. Постоянная времени RC-цепи должна приблизительно соответствовать длительности всплеска, резистор обычно берут низкоомным (200 Ом…1 кОм), чтобы импеданс этой цепочки был поменьше для лучшей помехозащищенности. Увеличивать постоянную времени ни в коем случае не рекомендуется – это приведет к увеличению минимально возможной длины управляющего импульса и, соответственно, к большим перегрузкам и перегревам при коротком замыкании на выходе источника.

Тактовый генератор

Тактовый генератор, встроенный в микросхему AP8262WSE-A1, служит для формирования рабочей частоты преобразователя. Конкретное ее значение программируется частотозадающими элементами: резистором R_T и конденсатором C_T. Резистор включается между выводом 4 («RT/CT») ШИМ-контроллера и его опорным напряжением (вывод 8, «VREF»), конденсатор – между выводом 4 и общим проводом (рисунок 7):

Рис. 7. Элементы, задающие рабочую частоту преобразователя в AP8262WSE-A1

Принцип работы встроенного генератора микросхемы AP8262WSE-A1 заключается в попеременном заряде/разряде частотозадающего конденсатора. Сначала емкость C_T заряжается от опорного напряжения через резистор R_T до уровня +2,9 В, а затем разряжается стабильным током через внутренний ключ генератора до +1,2 В. При этом в моменты заряда конденсатора на выходе генератора присутствует логический нуль, а в моменты разряда – единица (рисунок 8):

Рис. 8. Работа встроенного генератора AP8262WSE-A1

Поскольку сигнал управления силовым ключом формируется при помощи элемента типа «ИЛИ-НЕ», в течение разряда емкости ключ будет закрыт независимо от того, какие сигналы присутствуют на других входах этого логического вентиля. Данные интервалы называют мертвым временем, их длительность определяется номиналом конденсатора C_T, током его разряда I_DISCHG и размахом пилообразного напряжения ΔV на выводе «RT/CT». При этом в случае микросхемы AP8262WSE-A1 два последних параметра являются константами, поэтому мертвое время будет зависеть только от частотозадающей емкости (рисунок 9):

Рис. 9. Зависимость мертвого времени от частотозадающей емкости в AP8262WSE-A1

При заданных R_T и C_T частота на выходе встроенного генератора AP8262WSE-A1 приблизительно может быть определена как

$$F_{OSC}=\frac{1.72}{R_{T}\cdot C_{T}}\;(при\;R_{T}>5\;кОм).$$

Кроме того, для быстрой прикидки требуемых номиналов можно воспользоваться соответствующими графиками (рисунок 10):

Рис. 10. Зависимость частоты на выходе встроенного генератора AP8262WSE-A1 от значений RT и CT

Как видно из этих графиков, максимальная рабочая частота встроенного генератора микросхемы AP8262WSE-A1 составляет 500 кГц. Сопротивление частотозадающего резистора рекомендуется выбирать в пределах от 5 до 100 кОм, емкость конденсатора – от 1 до 100 нФ. При этом следует помнить, что увеличение C_T ведет к росту мертвого времени, что, в свою очередь, уменьшает максимально достижимый коэффициент заполнения выходного сигнала ШИМ-контроллера.

Выходной каскад

Выходной каскад микросхемы AP8262WSE-A1 построен на биполярных транзисторах, включенных по схеме типа «totem pole» (рисунок 11):

Рис. 11. Выходной каскад AP8262WSE-A1

Такая схема идеальна для управления полевыми транзисторами, поскольку она способна порождать броски тока большой амплитуды, которые быстро перезаряжают затвор силового ключа, что, в свою очередь, существенно снижает динамические потери в преобразователе. Выходной каскад рассматриваемого ШИМ-контроллера позволяет в пике выдавать токи до ±1 А, что дает типовое время нарастания импульса всего 50 нс на емкостной нагрузке номиналом 1 нФ (рисунок 12).

Рис. 12. Работа выходного каскада

Отметим, что в режиме ожидания (то есть, когда активна схема UVLO) выход микросхемы AP8262WSE-A1 принудительно отключается от силового транзистора. И если ключ в это время находился в открытом состоянии, то он еще долго не закроется, поскольку в данном случае затвор сможет разряжаться лишь через собственный ток утечки, обычно не превышающий несколько сотен нА. С другой стороны, на «оторванном» затворе за счет паразитных утечек со временем может накопиться заряд, достаточный для самопроизвольного открытия транзистора. Чтобы избежать подобных ситуаций, производитель рекомендует включать между затвором силового ключа и общим проводом преобразователя резистор номиналом несколько килоом.

Схемы контроля напряжения питания

Для обеспечения стабильности работы выходного каскада в состав микросхемы AP8262WSE-A1 включены два компаратора, отслеживающие состояние питающих напряжений. Один из них («UVLO») контролирует основное напряжение питания V_IN, второй («Схема контроля опорного напряжения») – опорное напряжение V_REF. Каждый компаратор имеет встроенный гистерезис для предотвращения неустойчивого поведения выходного сигнала микросхемы при пересечении соответствующих порогов. Номинальные значения порогов включения и выключения компаратора «UVLO» равны +8,4 В и +7,6 В соответственно, для схемы контроля опорного напряжения они составляют +3,6 В и +3,4 В (рисунок 13):

Рис. 13. Работа компараторов контроля питания AP8262WSE-A1

Кроме того, по основному питанию V_IN микросхема AP8262WSE-A1 имеет встроенный стабилитрон на +34 В, расположенный между выводами «VIN» и «GND». Данный стабилитрон необходим для защиты ШИМ-контроллера от коротких бросков напряжения, которые могут возникнуть во время запуска системы. Однако, если вся схема потребляет по линии «VIN» не более 25 мА, а основное питание V_IN при этом больше +30 В, встроенный стабилитрон может использоваться как обычный стабилизатор напряжения – для этого питание на микросхему должно подаваться через токоограничивающий резистор.

Обратите внимание на то, что схема контроля основного напряжения питания «UVLO» имеет довольно малый гистерезис – всего 1,2 В. Из-за этого применение микросхем AP8262WSE-A1 в сетевых преобразователях крайне нежелательно, т.к. узел запуска источника с ними получается неоправданно громоздким и дорогим (хотя чисто технически препятствий для использования рассматриваемого чипа здесь нет). Поэтому для сетевых целей лучше воспользоваться ШИМ-контроллерами с бо́льшим гистерезисом схемы «UVLO» (например, AP8263 или AP8267), а AP8262 использовать в DC/DC-приложениях с низким напряжением питания, которое может быть подано непосредственно на вывод «VIN» микросхемы.

Источник опорного напряжения

Основная задача источника опорного напряжения (ИОН), встроенного в микросхему AP8262WSE-A1 – зарядка частотозадающего конденсатора C_T (см. тактовый генератор). Однако при необходимости он может использоваться и для питания дополнительных схем системы. Номинальное значение выходного напряжения ИОН равно +5,0 В, точность его установки составляет ±1% при T_J = +25°C и ±2% во всем температурном диапазоне. Источник опорного напряжения имеет защиту от короткого замыкания и способен обеспечить ток не менее 20мА для запитывания необходимых вспомогательных узлов.

Выход источника опорного напряжения подключен к выводу 8 («VREF») микросхемы AP8262WSE-A1. Следует отметить, что ИОН может реагировать на шумы и помехи, создаваемые силовой частью преобразователя. Для устранения этого эффекта производитель рекомендует подключать между выводом 8 и общим проводом источника керамический конденсатор номиналом 100 нФ. В случае подключения к источнику опорного напряжения дополнительных узлов (кроме резистора R_T), возможно, потребуется увеличить емкость данного конденсатора; при этом допускается использовать электролитические конденсаторы.

Примеры использования

Повышающий преобразователь

На рисунке 14 показано одно из типовых применений микросхемы AP8262WSE-A1 – неизолированный повышающий преобразователь:

Рис. 14. Неизолированный повышающий преобразователь на базе AP8262WSE-A1

Силовая часть схемы (индуктор L, диод VD, транзистор VT, а также конденсаторы C_IN и C_OUT) является классической, расчет ее элементов ведется классическим же способом (см. [1], [2]). Выходное напряжение источника определяется по формуле

$$V_{OUT}=2.5\,В\cdot \left(1+\frac{R_{i}}{R_{d}} \right),$$

где +2,5 В – внутреннее опорное смещение усилителя ошибки ШИМ-контроллера AP8262WSE-A1, а сопротивление резистора R_d должно быть ниже 25 кОм (т.е. 2,5 В/100 мкА). В качестве блокировочных элементов Cbp и Cref производитель рекомендует использовать керамические конденсаторы номиналом 0,1 мкФ. Рекомендации по выбору остальных компонентов преобразователя даны выше (номиналы компенсирующих элементов Rf и Cf подбираются под конкретную физическую реализацию источника).

Обратноходовой преобразователь

Еще одно распространенное применение микросхемы AP8262WSE-A1 – изолированный обратноходовой преобразователь (рисунок 15):

Рис. 15. Изолированный обратноходовой преобразователь на базе AP8262WSE-A1

Несмотря на то, что в этой схеме присутствует гораздо больше элементов, чем в предыдущей, основной принцип действия остается тем же: на прямом ходу (то есть, в моменты, когда ключ VT открыт), мы запасаем энергию в первичной обмотке трансформатора, на обратном (когда ключ VT закрыт) – отдаем ее через диод VD в нагрузку. Принцип действия обратноходового преобразователя подробно разобран в [3], там же есть пример его расчета. Обратите внимание на то, что в приведенной выше схеме изображен не сетевой, а низковольтный вариант источника – об этом свидетельствует прямая подача напряжения питания на вывод «VIN» ШИМ-контроллера. Напомним, что ввиду крайне малого гистерезиса схемы «UVLO» использовать микросхему AP8262WSE-A1 в сетевых приложениях не рекомендуется.

Ссылки для расчета силовых элементов преобразователей: 

1. «Расчет силового каскада повышающего преобразователя»
2. «Раймонд Мэк Импульсные источники питания. 2008 г.», стр. 78
3. «Макашов Д. Обратноходовой преобразователь»

Выводы

Микросхема AP8262WSE-A1 является полным аналогом популярных ШИМ-контроллеров серии UCx843. Данные интегральные схемы повыводно совместимы, обладают идентичным функционалом и практически одинаковыми электрическими характеристиками. Пожалуй, единственным недостатком микросхемы AP8262WSE-A1 является диапазон рабочих температур – по этому параметру она не может выступать полноценной заменой контроллеру UC1843 (именно ему, а не всей серии UCx843). Кроме того, рассматриваемый ШИМ-контроллер недоступен в корпусе PDIP-8, однако, для современных серийных изделий этот фактор вряд ли будет актуален.

На складе КОМПЭЛ имеются микросхемы AP8262WSE-A1 в корпусе SOP8, что обеспечивает максимальное удобство при проектировании и модернизации существующих решений.