Драйверы MOSFET компании Texas Instruments

23 апреля 2008

 

Преобразователи AC/DC, DC/DC или схема управления электродвигателем в большинстве случаев содержат в выходном каскаде драйвер — устройство для преобразования логических уровней контроллера в сигналы управления, достаточные для открывания и закрывания мощных полевых транзисторов с изолированным затвором (МОП-транзисторов или MOSFET). Повышение рабочих частот преобразования — одно из главных направлений силовой электроники. Высокие частоты преобразования позволяют снизить массу и габариты импульсных трансформаторов, дросселей фильтров и конденсаторов. Статические и динамические характеристики ключевых приборов постоянно улучшаются.

Обзор основных параметров драйверов MOSFET Texas Instruments показан на рисунке 1.

 

Основные параметры драйверов МОП-транзисторов Texas Instruments

 

Рис. 1. Основные параметры драйверов МОП-транзисторов Texas Instruments

Драйверы МОП-транзисторов Texas Instruments можно разделить на четыре группы:

  • универсальные драйверы нижнего плеча (General-Purpose Low-Side Drivers);
  • драйверы для синхронных понижающих DC/DC-преобразователей (Synchronous Buck Drivers);
  • драйверы для повышающих DC/DC-преобразователей до 120 В;
  • драйверы с цифровым управлением серии Fusion Digital Power UCD7K (Digital Power Drivers).

Параметры драйверов общего применения для нижнего плеча приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры драйверов MOSFET для нижнего плеча компании Texas Instruments

Наимено-
вание
Кол-во
выхо-
дов
Конфигу-
рация
Тип
выход-
ного каскада
Iвых. (пик.),
втека-
ющий/
вытека-
ющий,
A
Время
нарас-
тания/
спада, нс
Напря-
жение
пит., В
Время
за-
дер-
жки,
нс
Вход-
ные
уровни
Наличие
входа
"Enable"
Управл.
вре-
менем
"Deat Time"
Наличие встроенного стабилизатора
TPS2811 2 инверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…40 40 CMOS      •
TPS2812 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…40 40 CMOS      •
TPS2813 2 инверти-
рующий/
неинверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…14 40 CMOS      •
TPS2814 2 с логичес-
кими
элементами
на входе
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…14 40 CMOS      
TPS2815 2 с логическими
элементами
на входе
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…14 40 CMOS  •    
TPS2816 1 инверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…40 40 CMOS      •
TPS2817 1 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…40 40 CMOS      •
TPS2818 1 инверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…40 40 CMOS      •
TPS2819 1 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…40 40 CMOS      •
TPS2828 1 инверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…14 40 CMOS      
TPS2829 1 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.0/2.0 25/25 4…14 40 CMOS      
UC3714 2 неинверти-
рующий
Биполяр-
ный
0.5/1.0 30/25 7…20 50 TTL/PWM  •  •  
UC3715 2 инверти-
рующий/
неинверти-
рующий
Биполяр-
ный
1.0/2.0 30/25 7…20 50 TTL/PWM  •  •  
UCC27323 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 4/4 25/25 4…15 35 TTL/CMOS      
UCC27324 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 4/4 25/26 4…15 35 TTL/CMOS      
UCC27325 2 инверти-
рующий/
неинверти-
рующий
TrueDrive 4/4 25/27 4…15 35 TTL/CMOS      
UCC27423 2 инверти-
рующий
TrueDrive 4/4 25/28 4…15 35 TTL/CMOS  •    
UCC27424 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 4/4 25/29 4…15 35 TTL/CMOS  •    
UCC27425 2 инверти-
рующий/
неинверти-
рующий
TrueDrive 4/4 25/30 4…15 35 TTL/CMOS  •    
UCC37321 1 инверти-
рующий
TrueDrive 9.0/9.0 20/20 4…15 30 TTL/CMOS  •    
UCC37322 1 неинверти-
рующи
TrueDrive 9.0/9.0 20/20 4…15 30 TTL/CMOS  •    

 

Диапазон напряжений питания некоторых драйверов достигает 40 В, максимальный выходной ток у самых мощных драйверов UCC37321/UCC37322 составляет 9 А (пиковое значение). Высокие выходные токи драйверов при малых длительностях нарастания и спада импульсов получены благодаря выходному каскаду TrueDriveTM Texas Instruments. Принципиальная схема каскада TrueDrive показана на рисунке 2.

 

Выходной каскад драйверов TrueDrive

 

Рис. 2. Выходной каскад драйверов TrueDrive

Полевые транзисторы обладают сильно выраженным эффектом Миллера (типовые временные диаграммы переключения МОП-транзисторов показаны на рисунке 4).

 

Корпус PowerPAD

 

Рис. 3. Корпус PowerPAD

 

Временные диаграммы переключения МОП-транзисторов

 

Рис. 4. Временные диаграммы переключения МОП-транзисторов

Для уменьшения действия эффекта Миллера параллельно каскаду на полевых транзисторах с разной структурой включен каскад на биполярных транзисторах одной проводимости, что позволило резко уменьшить длительности фронтов импульсов при переключении мощного выходного каскада TrueDriveTM даже при работе на нагрузку с большой емкостью. Инвертор на входе верхнего NPN-транзистора обеспечивает противофазное переключение биполярных ключей. Для отвода тепла от такого мощного каскада Texas Instruments использует корпус PowerPADTM с металлическим основанием (см. рисунок  3). В таблицу 2 сведены наименования драйверов Texas Instruments более ранних выпусков TPS2811/TPS2812/TPS2813 и рекомендуемые для них замены с увеличенным выходным током. Необходимо в обязательном порядке учитывать диапазон допустимых напряжений питания, так как драйверы TPS2811/TPS2812/TPS2813 имеют встроенный стабилизатор напряжения, что обеспечивает широкий диапазон допустимых входных напряжений до 40 В.

В таблицу 2 сведены наименования драйверов Texas Instruments более ранних выпусков и рекомендуемые для них замены с увеличенным выходным током. Необходимо в обязательном порядке учитывать диапазон допустимых напряжений питания, так как драйверы TPS2811/TPS2812/TPS2813 имеют встроенный стабилизатор напряжения, что обеспечивает широкий диапазон допустимых входных напряжений до 40 В.

Таблица 2. Драйверы MOSFET Texas Instruments и других производителей с совместимостью по выводам

           
UCC37323 и UCC27423
(4 А, сдвоенные инвертирующие)
TC426 MIC426 MAX626 MC33151 TPS2811
(2 А, сдвоенные, инвертирующие)
TC1426 MIC1426 TSC426 MC34151
TC4423 MIC4423 MAX4426 NCP4413
TC4426 MIC4426   NCP4423
UCC37324 и UCC27424
(4 А, сдвоенные неинвертирующие)
TC427 MIC427 MAX627 MC33152 TPS2812
(2 А, сдвоенные, неинвертирующие)
TC1427 MIC1427 TSC427 MC34152
TC4424 MIC4424 MAX4427 NCP4414
TC4427 MIC4427   NCP4424
UCC37325 и UCC27425
(4 А, инвертирующий + неинвертирующий)
TC428 MIC428 MAX628 MC33153 TPS2813
(2 А, инвертирующий + неинвертирующий)
TC1428 MIC1428 TSC428 MC34152
TC4428 MIC4428 MAX4428 NCP4425
UCC37321
(9 А, один инвертирующий драйвер)
  MIC4420   NCP4421  
  MIC4421      
  MIC4451      
UCC37322
(9 А, один неинвертирующий драйвер)
  MIC4429   NCP4422  
  MIC4422      
  MIC4452      

 

Таблица 2 поможет разработчику заменить некоторые устаревшие микросхемы других производителей современными драйверами с улучшенными параметрами от Texas Instruments. Конечно, перед принятием окончательного решения о замене разработчик должен внимательно сравнить параметры из документации исходной и заменяемой микросхемы, так как новые микросхемы могут иметь дополнительные функции, например, вход разрешения «Enable». Для упрощения схемы управления некоторые драйверы имеют логические схемы во входных цепях, что во многих случаях позволяет обойтись без внешних логических элементов и уменьшить количество корпусов микросхем в схеме управления выходными каскадами.

В таблице  3 показаны основные параметры драйверов для синхронных понижающих DC/DC-преобразователей (Synchronous Buck Drivers).

Таблица 3. Основные параметры драйверов MOSFET Texas Instruments для синхронных понижающих преобразователей

Наимено-
вание
Кол-во
выхо-
дов
Конфигу-
рация
Тип
выход-
ного
каскада
Iвых.
(пик.),
втека-
ющий/
вытека-
ющий, A
Время
нарас-
тания/
спада,
нс

пит., В
Время
задер-
жки,
нс
Вход-
ные
уровни
Наличие
входа
разре-
шения
"Enable"
Управление временем
"Dead Time"
Наличие
встроен-
ного
стабили-
затора
TPS28225 2 неинверти-
рующий
CMOS 2.0/4.0 10/10 4.5…8.8 14 TTL/CMOS  • адаптивное  
TPS28226 2 неинверти-
рующий
CMOS 2.0/4.0 10/10 4.5…8.8 14 TTL/CMOS  • адаптивное  
TPS2830 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 50/50 4.5…15 75 CMOS  • адаптивное  
TPS2831 2 инверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 50/50 4.5…15 75 CMOS  • адаптивное  
TPS2832 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 50/50 4.5…15 75 CMOS   адаптивное  
TPS2833 2 инверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 50/50 4.5…15 75 CMOS   адаптивное  
TPS2834 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 30/30 4.5…15 70 TTL  • адаптивное  
TPS2835 2 инверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 30/30 4.5…15 70 TTL  • адаптивное  
TPS2836 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 30/30 4.5…15 70 TTL   адаптивное  
TPS2837 2 инверти-
рующий
TrueDrive 2.4/2.4 30/30 4.5…15 70 TTL   адаптивное  
TPS2838 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 4/4 120 10…15 40 TTL  • адаптивное  •
TPS2839 2 инверти-
рующий
TrueDrive 4/4 120 10…15 40 TTL  • адаптивное  •
TPS2848 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 4/4 120 10…15 20 TTL  • адаптивное  •
TPS2849 2 инверти-
рующий
TrueDrive 4/4 120 10…15 20 TTL  • адаптивное  •
UCC27221 2 инверти-
рующий
TrueDrive 3.3/3.3 20/20 3.7…20 82/103 TTL   PGD*  •
UCC27222 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 3.3/3.3 20/20 3.7…20 82/103 TTL   PGD  •
UCC27223 2 неинверти-
рующий
TrueDrive 3.3/3.3 25/35 4.15…20 82/103 TTL  • PGD  •
*PGD — Predictive Gate Drive — предиктивный драйвер затвора — драйвер с контроллером для вычисления оптимальной задержки.

Преобразователи с таким типом драйверов имеют более высокий КПД преобразования, но более сложную схему по сравнению с конверторами на драйверах общего применения. Однако во многих случаях это оправдано, поэтому синхронные конверторы широко используется в устройствах, где очень важны малые потери преобразования. Драйверы для синхронных понижающих преобразователей Texas Instruments подразделяет на три класса по типу управления временем задержки и возникающим при этом потерям преобразования:

  • драйверы с фиксированным временем задержки (Fixed Delay Gate Drivers);
  • драйверы с адаптацией времени задержки (Adaptive Gate Drivers), имеющие меньшие потери по сравнению с драйверами с фиксированной задержкой;
  • драйверы с контроллером для расчета времени задержки или предиктивные драйверы (Predictive Gate Drivers), имеющие наименьшие потери преобразования по сравнению с предыдущими двумя типами драйверов.

Структурные схемы управления драйверов для синхронных понижающих DC/DC-конвертеров трех рассмотренных типов показаны на рисунках 5а, 5б и 5в.

 

Типы управления временем задержки в синхронных понижающих преобразователях: а) драйвер с фиксированным временем задержки (Fixed-Dalay Gate Driver); б) драйвер с адаптацией времени задержки (Adaptive Gate Driver); в) драйвер с контроллером для расчета задержки (Predictive Gate Driver)

 

Рис. 5. Типы управления временем задержки в синхронных понижающих преобразователях: а) драйвер с фиксированным временем задержки (Fixed-Dalay Gate Driver); б) драйвер с адаптацией времени задержки (Adaptive Gate Driver); в) драйвер с контроллером для расчета задержки (Predictive Gate Driver)

Одна из составляющих потерь в преобразователях любого типа — энергия, теряемая при переключении встроенных диодов, включенных параллельно выходным полевым транзисторам. Для минимизации этих потерь разработано несколько типов драйверов с разными способами управления задержкой. На рисунке 6 показаны временные диаграммы с разными длительностями нахождения МОП-транзистора в открытом состоянии.

 

Временные диаграммы работы трех типов синхронных понижающих драйверов

 

Рис. 6. Временные диаграммы работы трех типов синхронных понижающих драйверов

При фиксированной задержке промежуток времени, в течение которого транзистор открыт, минимален. При адаптивной задержке длительность открытого состояния возрастает, но меньше, чем при прогнозируемой (вычисляемой или предиктивной) задержке. Наконец, предиктивные (predictive) драйверы имеют максимально возможную длительность открытого состояния транзистора, благодаря чему достигается самый высокий коэффициент преобразования и минимальные потери. На рисунке 7 наглядно показаны температурные режимы драйверов с разными типами управления.

 

Сравнение температурных режимов драйверов с разными типами управления

 

Рис. 7. Сравнение температурных режимов драйверов с разными типами управления

 Хорошо видно, что температура кристаллов транзисторов MOSFET-драйверов при работе на одинаковые силовые каскады из МОП-транзисторов при идентичных режимах с адаптивным управлением составляет 93°С, а в драйверах с прогнозируемой задержкой UCC27221 и UCC27222 всего 72°С.

В последние годы Texas Instruments уделяет большое внимание цифровому управлению питанием — серии Fusion Digital Power. Основной принцип Fusion Digital Power — замена аналогового ШИМ-контроллера на цифровой и использование драйверов MOSFET серии UCD7xxx и цифровых ШИМ-контроллеров серии UCD8xxx, непосредственно управляемых цифровым кодом. На данный момент серия драйверов с цифровым управлением включает в себя три микросхемы  — UCD7230, UCD7100 и UCD7201. В наименования микросхем для цифрового управления питанием Texas Instruments добавляет букву «D» (от английского слова «Digital» — цифровой), поэтому все названия микросхем контроллеров и драйверов серии Fusion Digital Power начинаются с букв «UCD». Цифровое управление питанием позволяет более точно программно смоделировать функционирование преобразователя, ввести дополнительные функции управления и контроля несколькими источниками питания и обеспечить необходимые последовательности включения и выключения DC/DC-конвертеров.

Более подробную информацию о драйверах MOSFET Texas Instruments можно найти на сайте производителя в разделе http://power.ti.com/mosfetgatedrivers.

 

Texas Instruments Драйверы MOSFIT для синхронных понижающих преобразователей

 

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail: analog.vesti@compel.ru  

 

Новые изоляторы цифровых сигналов

Компания Texas Instruments представила на рынок высоковольтные изоляторы цифровых сигналов серии ISO72xx, полностью совместимые по выводам с изоляторами ADuMxxxx.

Возможные области применения цифровых изоляторов — схемы, работающие в непосредственной близости от мощных двигателей или других источников сильного электромагнитного излучения. В такой среде очень велика вероятность потерь данных или возникновения ошибок при передаче информации.

Учитывая этот важный факт, компания Texas Instruments применила в своих изоляторах новый принцип гальванической развязки — сдвоенный емкостной барьер. Изоляторы имеют от одного до четырех каналов, скорость передачи данных — до 150 Мбит/сек, напряжение питания 3,3/5 В, напряжение изоляции 2500 Вэфф.

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее