№10 / 2013 / статья 5

ON Semiconductor представляет: NCP107х – серия импульсных регуляторов со встроенным силовым MOSFET

Алексей Попов, Сергей Попов (г. Воронеж)

логотип

Источники электропитания (ИП) небольшой мощности, работающие от сети переменного тока 115/230 В, являются одними из самых массовых изделий. Они используются в малогабаритных адаптерах, зарядных устройствах, в качестве дежурных и вспомогательных ИП в более мощных системах. Основными требованиями к подобным ИП являются минимальная себестоимость, соответствие действующим стандартам по электробезопасности, электромагнитной совместимости и энергосбережению, приемлемый уровень надежности и наличие адекватных защит при аномальных внешних воздействиях. Зачастую важными дополнительными условиями являются работоспособность в широком диапазоне температур и малые габариты ИП. В большинстве случаев наилучшее сочетание технических и экономических характеристик таких ИП обеспечивается топологией flyback (обратноходовой конвертер — ОХК). В зависимости от особенностей задачи, можно выбирать между решениями, реализующими широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) на фиксированной частоте, либо поддерживающими работу ОХК в гранично-непрерывном режиме с плавающей частотой. Последние обычно требуют несколько большего количества компонентов в схеме, но позволяют получить лучшее значение КПД при полной нагрузке. Для уменьшения себестоимости ИП применяют высокоинтегрированные решения: микросхемы контроллеров ОХК должны обеспечивать все необходимые функции защит, минимальное потребление мощности ИП на холостом ходу и способствовать уменьшению генерируемых помех (электромагнитных и акустических) до приемлемых уровней. Приветствуется возможность организации питания контроллера без использования специальной обмотки силового трансформатора ОХК и с минимальным количеством дополнительных компонентов. Интеграция контроллера и силового транзисторного ключа (СТК) ОХК в составе одной микросхемы, или даже одного чипа, способствует дальнейшему снижению себестоимости, габаритов ИП, а также повышает надежность благодаря более эффективной работе защиты от чрезмерного повышения температуры компонентов.

ON Semiconductor производит разнообразные микросхемы (ИМС) контроллеров, интегрированных с СТК, для создания высокоэффективных ИП мощностью от единиц до 10…30 Вт при напряжении питания порядка нескольких сотен вольт. Такие ИМС инженеры ON Semiconductor называют импульсными регуляторами. Наибольшую популярность получили контроллеры, в которых момент окончания интервала проводимости СТК определяется сравнением задания с сигналом, пропорциональным току через СТК. Этот режим работы ШИМ известен как «Current Mode». Простота обеспечения устойчивости ИП, приемлемые динамические характеристики и надежная защита СТК от токовых перегрузок обусловили широкое применение таких контроллеров. Основные характеристики и функциональные особенности ИМС импульсных регуляторов напряжения (с интегрированным высоковольтным СТК), производимых ON Semiconductor для построения ОХК, работающих в режиме Current Mode, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики импульсных регуляторов напряжения ON Semi

Наименование Pн, Вт (Прим. 1) Rси. пров, Ом (Прим. 2) Iстк. огр , мА (Прим. 3) Функции и особенности
NCP1010 3 22 100 (Прим. 4, 5, 7…13)
NCP1011 5 22 250 (Прим. 4, 5, 7…13)
NCP1012 6 11 250 (Прим. 4, 5, 7…13)
NCP1013 7 11 350 (Прим. 4, 5, 7…13)
NCP1014 8 11 450 (Прим. 4, 5, 7…13)
NCP1015 8 11 450 (Прим. 4, 6…12)
NCP1027 15 5,8 800 (Прим. 4, 6…12, 14, 15)
NCP1028 15 5,8 800 (Прим. 4, 6…12, 15)
NCP1070 5 22 250 (Прим. 4, 5, 7…12, 14, 15)
NCP1071 8 22 350 (Прим. 4, 5, 7…12, 14, 15)
NCP1072 8 11 250 (Прим. 4, 5, 7…12, 14, 15)
NCP1075 10 11 450 (Прим. 4, 5, 7…12, 14, 15)
NCP1076 15 4,3 650 (Прим. 4, 6…12, 14, 15)
NCP1077 15 4,3 800 (Прим. 4, 6…12, 14, 15)
NCP1126 15 6 (Прим. 16) (Прим. 4, 6, 7, 9…12, 15)
NCP1129 30 2,1 (Прим. 16) (Прим. 4, 6, 7, 9…12, 15)
Примечания:
1. Pн — ориентировочная максимальная величина полезной мощности ОХК на основе данной микросхемы импульсного регулятора при напряжении питающей сети переменного тока 100…250 В (эфф.)
2. Rси. пров — типичная величина сопротивления включенного СТК при 25°C.
3. Iстк. огр — типичная величина порога ограничения пикового тока СТК.
4. Максимально-допустимое напряжение сток — исток СТК в составе микросхем NCP1126 и NCP1129 равно 650 В; у остальных — 700 В.
5. Выпускаются модификации микросхем с номинальными частотами ЗГ 65 кГц, 100 кГц и 130 кГц.
6. Выпускаются модификации микросхем с номинальными частотами ЗГ 65 кГц и 100 кГц.
7. При малой нагрузке регулятор переходит в режим пропуска тактов ЗГ.
8. Интегрированная подсистема динамического самопитания ИМС.
9. Реализуется плавный пуск: в течение 4 мс у микросхем NCP1126 и NCP1129, 1 мс — у остальных.
10. Интегрированная частотная модуляция в ЗГ.
11. Интегрированная защита от перегрева ИМС.
12. Интегрированная защита от перегрузки выхода ИП или обрыва в цепи ООС (различная реакция на перегрузку в зависимости от серии ИМС).
13. Интегрированная защита от перенапряжения по питанию ИМС с фиксацией состояния.
14. Интегрированная защита от перенапряжения по питанию ИМС с автоматическим возвратом к штатному режиму работы.
15. Интегрированная защита при недостаточном напряжении на высоковольтной шине питания ИП.
16. Порог токоограничения устанавливается внешним резистором.

Серии ИМС NCP10101015 выпускаются уже достаточно давно и пользуются заслуженной популярностью. В новых сериях ИМС импульсных регуляторов ON Semiconductor сохранены хорошо зарекомендовавшие себя технические решения, а также появились дополнительные функциональные возможности, позволяющие заметно улучшить потребительские характеристики ИП. Причем в разных сериях ИМС одни и те же функции могут иметь особенности реализации (например, защита с фиксацией состояния или с автовосстановлением), что позволяет оптимально подобрать модель регулятора в соответствии с требованиями проектируемого ИП. Серия ИМС NCP107х первоначально была представлена моделями для построения ИП мощностью до 10 Вт, а недавно ON Semiconductor расширила ее до 15 Вт (NCP1076 и NCP1077, серийные поставки которых начнутся в ближайшее время).

На рисунке 1 в качестве примера показана типичная схема ИП на основе ИМС NCP1075, обеспечивающего на выходе стабилизированное постоянное напряжение 12 В с током нагрузки от нуля до 800 мА при работе от сети переменного тока в широком диапазоне входного напряжения — 85…300 В (эфф.) [1].

Источник питания на базе NCP1075

 

Рис. 1. Источник питания на базе NCP1075

 

ИП выполнен с использованием небольшого количества недорогих и широкодоступных компонентов на малогабаритной печатной плате. На холостом ходу ИП работает устойчиво, без сколько-нибудь серьезного подъема выходного напряжения, не создавая акустических шумов и потребляя менее 65 мВт. При полной нагрузке КПД достигает 75…80%, что позволяет ИП надежно работать без обдува при температуре воздуха до 50°C. Простого фильтра (C1, L1, C2) на входе ИП достаточно для уменьшения помех, генерируемых в сеть, до допустимых уровней. Испытательное напряжение изоляции между входом и выходом 3 кВ обеспечивается соответствующей конструкцией силового трансформатора ОХК T1, выбором типов оптрона U2 и конденсатора C8 [1]. ИМС регулятора получает питание с дополнительной обмотки трансформатора, чтобы обеспечить малое потребление при Pн = 0 и достаточно большую величину номинальной мощности ИП. Возможные идеи по дальнейшему снижению себестоимости подобных ИП ценой проигрыша в стабильности Uн или отказа от гальванической изоляции между входом и выходом представлены в [2, 3]. На рисунке 2 показано расположение выводов ИМС NCP1070…1077 в корпусах PDIP-7 и SOT-223, наименование и назначение выводов — в таблице 2 [4…6].

Расположение выводов NCP1070...1077

 

Рис. 2. Расположение выводов NCP1070…1077

Таблица 2. Назначение выводов ИМС NCP1070… NCP1077

Номер вывода Наименование (обозначение) Назначение вывода Описание
1 VCC Питание узлов микросхемы регулятора (Uпит. рег) К этому выводу подключается внешний конденсатор, а также внутренний активный ограничитель напряжения.
2 NC
3 GND Земля
4 FB Вход для сигнала ООС (Uоос. Iоос) К этому выводу подключается коллектор фототранзистора оптрона, обеспечивающий регулирование мощности ОХК.
5 Drain Вывод стока СТК (Uси. Iстк) К этому выводу подключается сток MOSFET (СТК).
6 Этот вывод отсутствует для обеспечения достаточной величины расстояния вдоль корпуса микросхемы между стоком СТК и землей.
7 GND Земля
8 GND Земля

Значительную роль в достижении высоких технико-экономических характеристик ИП на основе ИМС серии NCP107х играет подсистема динамического внутреннего источника питания, организация работы которой показана на рисунке 3 (здесь и далее нумерация выводов соответствует исполнению регулятора в корпусе PDIP-7). Источник тока «Iпуск» представляет собой миниатюрный высоковольтный MOSFET (аналогичный СТК, но в 100…500 раз меньше его по площади), управляемый компаратором, который отслеживает напряжение в цепи питания регулятора Uпит рег. Стоки СТК и вспомогательного MOSFET «Iпуск» вместе подключены к выводу 5 ИМС. Конденсатор Cпит имс, подключенный к выводу 1 ИМС, служит емкостным накопителем для Uпит рег. При Uпит. рег меньше порогового уровня Uпит. вкл (= 7,8…8,6 В) «Iпуск» включен, и с вывода 5 на вывод 1 ИМС протекает ток величиной 5…12 мА, заряжающий Cпит имс. После достижения указанного порогового напряжения компаратор выключает «Iпуск», а также уменьшает свой порог до Uпит. мин (= 6,5…7,2 В). Если ИМС регулятора не получает питание с дополнительной обмотки трансформатора (нет тока I1 на рисунке 3), Cпит имс постепенно разряжается током Iпит. раб, который потребляют различные блоки в составе ИМС.

Организация подсистемы динамического внутреннего источника питания ИМС NCP1070... NCP1077

 

Рис. 3. Организация подсистемы динамического внутреннего источника питания ИМС NCP1070… NCP1077

 

Когда Uпит. рег снизится до Uпит. мин, снова включается «Iпуск», порог компаратора переключается на Uпит. вкл и процессы повторяются: Uпит. рег колеблется между Uпит. мин и Uпит. вкл, как показано на рисунке 4.

Осциллограмма Uпит. рег при первоначальной подаче питания на ОХК и выход на установившийся режим работы (Cпит. имс = 1 мкФ, дополнительная обмотка силового трансформатора ОХК не используется)

 

Рис. 4. Осциллограмма Uпит. рег при первоначальной подаче питания на ОХК и выход на установившийся режим работы (Cпит. имс = 1 мкФ, дополнительная обмотка силового трансформатора ОХК не используется)

 

Таким образом, не требуется каких-либо внешних компонентов для организации первоначального включения ИМС, а также можно обойтись и без использования дополнительной обмотки трансформатора и сопутствующей «обвязки», с соответствующей экономией размеров и стоимости ОХК, а также расширением номенклатуры стандартных типов трансформаторов, которые могут быть применены в ИП. Благодаря тому, что источник тока «Iпуск» включается сразу же, как только Uпит. рег снизилось до Uпит. мин, не требуется значительного запаса энергии в конденсаторе Cпит. имс (при традиционном подходе к организации питания ИМС ОХК этот конденсатор должен обеспечивать Iпит. раб достаточно продолжительное время — от единиц до десятков миллисекунд, пока выходные конденсаторы ИП успеют зарядиться и напряжение на дополнительной обмотке станет достаточным для подхвата питания ИМС; соответственно емкость Cпит. имс обычно составляет сотни мкФ). Поэтому совместно с регуляторами серии NCP107х можно использовать Cпит. имс весьма малой емкости — меньше 1 мкФ [4…6]. С учетом довольно большой величины Iпуск, достигается очень быстрая зарядка Cпит. имс до Uпит вкл при первоначальной подаче питания на ОХК. Как показывает реальная осциллограмма на рисунке 5, ИП начинает работать в течение нескольких миллисекунд. Обычно применяемые решения с зарядкой Cпит имс с шины высокого напряжения через цепочку резисторов сопротивлением порядка нескольких сотен килоом требуют значительно более продолжительного времени (от доли секунды до единиц секунд) на подготовку к включению ИМС.

Зависимости Iстк огр от Iоос для ИМС NCP1070...1077

 

Рис. 5. Зависимости Iстк огр от Iоос для ИМС NCP1070…1077

Очевидным недостатком постоянного питания ИМС регулятора через «Iпуск» является большая рассеиваемая мощность (в среднем равная Iпит. раб * Uпит. охк). Это вызывает сразу несколько проблем: 1) большое потребление на холостом ходе ИП исключает возможность выполнения соответствующих требований стандартов по энергосбережению; 2) заметно ухудшается КПД ИП во всем диапазоне нагрузок; 3) значительный нагрев ИМС при работе подсистемы динамического внутреннего источника питания предполагает соответствующее уменьшение мощности, выделяемой СТК, особенно в условиях повышенных температур окружающей среды, что, в свою очередь, ограничивает максимально-возможную Pн. В большинстве проектов ИП это неприемлемо, поэтому ИМС питают от низковольтного источника, получаемого выпрямлением напряжения с дополнительной обмотки трансформатора (например, обмотка 2-3, D6 и C6 на рисунке 1). Подключение стока вспомогательного MOSFET «Iпуск» параллельно выводу стока СТК сокращает необходимое количество выводов ИМС и позволяет выполнить регулятор, например, в малогабаритном четырехвыводном корпусе SOT-223. Однако по сравнению с более традиционным вариантом подключения «Iпуск» к высоковольтной шине постоянного тока ИП Uпит. охк (через отдельный вывод), подсистема динамического внутреннего источника питания, реализованная в серии NCP107х, забирает ток при более высоком значении среднего напряжения, а значит, приводит к более значительным потерям в ИМС. Дело в том, что на интервале проводимости СТК напряжение на стоке (выводе 5) мало и явно недостаточно для работы «Iпуск» (по неофициальной информации, минимально-необходимое напряжение на стоке для корректной работы «Iпуск» в серии NCP107х составляет 30 В). Соответственно, в серии NCP107х Iпуск потребляется только на интервалах времени, когда на стоке СТК высокое напряжение. При функционировании ОХК в режиме непрерывного тока (РНТ), «Iпуск» постоянно работает от напряжения, равного сумме напряжений на высоковольтной шине Uпит. охк и приведенного на нагрузке. В типичном случае, эта сумма в 1,2…1,5 раза больше, чем просто Uпит. охк. В режиме прерывистого тока (РПТ) ситуация улучшается (появляются интервалы времени, когда «Iпуск» работает при напряжениях, в среднем равных Uпит охк), но все равно тепловыделение при питании ИМС через «Iпуск» остается неприятно высоким (200…400 мВт) в сравнении с их теплоотводящей способностью.

ON Semiconductor использует подсистему динамического внутреннего источника питания для ИМС регуляторов уже более 10 лет, постепенно совершенствуя ее схемотехнику, функциональные возможности и качество работы. В частности, в серии NCP107х добавлена защита от явной неисправности (вроде короткого замыкания) в цепи питания ИМС. Если такого рода неисправность имеет место (дефектный Cпит. имс, замыкание на печатной плате и т.п. причины), «Iпуск» будет постоянно включен, не имея возможности поднять Uпит. рег. Величина Iпуск выбрана достаточно большой (для надежного удовлетворения потребностей ИМС по току Iпит. раб, а также с целью уменьшения времени подготовки ИП к включению), что приводит к рассеиванию мощности (Iпуск * Uпит охк). В продолжительном режиме выделение такой мощности неизбежно перегревает ИМС, вызывая срабатывание термозащиты с выключением всех блоков регулятора. После остывания ИМС снова начинает работать, опять перегревается током Iпуск, и процессы повторяются. Хотя немедленного отказа при этом не происходит, такое жесткое термоциклирование ИМС значительно снижает ее надежность и вырабатывает ресурс. В серии NCP107х предусмотрено, чтобы при низких Uпит. рег (меньше 2,2 В), ток Iпуск имел существенно меньшую величину (примерно 500 мкА), что достаточно для надежного предварительного заряда Cпит. имс, но в то же время исключает опасность перегрева ИМС при длительном протекании. Выше порогового уровня 2,2 В Iпуск переключается на полную величину, быстро и надежно дозаряжая Cпит. имс до Uпит. вкл, как показано на рисунке 4.

В серии NCP107х применяется комбинированный способ регулирования выходной мощности ОХК с использованием всего одного входа ИМС (вывод 4) для замыкания петли отрицательной обратной связи (ООС), стабилизирующей величину Uн ИП на заданном уровне. Если требуется уменьшить мощность ОХК (о чем сигнализирует увеличение Iоос — обычно это ток коллектора фототранзистора оптрона), то снижается как порог ограничения тока СТК Iстк. огр, так и частота ШИМ Fшим. Это позволяет обеспечить большую кратность регулирования Pн при умеренной перестройке по каждому из параметров Iстк. огр и Fшим. Типичные зависимости Iстк. огр и Fшим от Iоос для ИМС показаны на рисунках 5 и 6.

Зависимости Fшим от Iоос ИМС NCP1070...1077 (на примере ЗГ с номинальной частотой 65 кГц)

 

Рис. 6. Зависимости Fшим от Iоос ИМС NCP1070…1077 (на примере ЗГ с номинальной частотой 65 кГц)

 

Снижение Iстк. огр (примерно в три раза по сравнению с максимальной величиной) происходит на интервале изменения Iоос от 45 до 80 мкА. Соответственно, Fшим линейно уменьшается от номинальной величины (65, 100 или 130 кГц) до приблизительно 25 кГц при увеличении Iоос от 68 до 100 мкА. Таким образом при Iоос = 100 мкА Pн снижается в 20…50 раз по сравнению с максимальным значением Pн макс, (достигаемом при Iоос = 40…45 мкА). Изменение Iоос вызывает соответствующую перестройку Uоос, согласно рисунку 7.

Зависимости Uоос от Iоос ИМС NCP1070...1077

 

Рис. 7. Зависимости Uоос от Iоос ИМС NCP1070…1077

 

Цепь смещения, формирующая Uоос, интегрирована в ИМС, что уменьшает количество внешних компонентов, подключаемых к выводу 4. Участок с большой крутизной зависимости Uоос от Iоос (приблизительно при Iоос = 40 мкА на рисунке 7) разделяет зону нормальной работы контура регулирования Pн (более 40 мкА) от зоны детектирования перегрузки ОХК (либо обрыва в петле ООС), повышая помехозащищенность ИМС. Если требуется еще более значительное уменьшение Pн, ниже (0,02…0,05) * Pн. макс, происходит переход в режим пропуска тактов задающего генератора (ЗГ). Принцип работы схемы пропуска тактов показан на рисунке 8 [4…6].

Схема пропуска тактов ЗГ при малых нагрузках

 

Рис. 8. Схема пропуска тактов ЗГ при малых нагрузках

 

Когда Iоос становится более Iоос проп, компаратор переключается, логический вентиль «И» блокирует прохождение импульсов ЗГ на вход установки триггера и, соответственно, перестает включаться драйвер СТК. Это ведет к дальнейшему снижению эффективной частоты работы ОХК (ниже 25 кГц). Такой способ функционирования при малой нагрузке позволяет сохранять довольно высокий КПД в этом режиме и обеспечить соответствие требований стандартов по энергосбережению на холостом ходе. Актуальной проблемой ИП, уменьшающих частоту при снижении нагрузки, является устранение создаваемых ими при этом акустических шумов. Для этого необходимо обеспечить, чтобы попадание частоты коммутации в звуковой диапазон происходило только при крайне малой мощности Pн и, соответственно, акустический шум был ниже порога слышимости. В ранее разработанных сериях ИМС регуляторов (например, у популярной серии NCP101х) линейная перестройка Fшим в зависимости от Iоос не предусмотрена, и переход к режиму пропуска тактов ЗГ происходит прямо на номинальной частоте ОХК при относительно большой выходной мощности. При этом достаточно сложно обеспечить, чтобы компаратор (рисунок 8) переключался с высокой частотой и блокировал отдельные такты ЗГ. Напротив, ОХК склонен работать в пакетном режиме, чередуя сравнительно продолжительные паузы с интервалами, когда СТК переключается несколько раз подряд при номинальной величине Fшим. Частота такого пакетного режима, как правило, оказывается в области наибольшей слышимости (до единиц кГц) при достаточно большой мощности ОХК, что ведет к значительным акустическим шумам. Разработчикам ИП приходится прикладывать серьезные усилия для преодоления этой проблемы [7]. При использовании серии NCP107х достигнуть этого значительно проще: 1) пропуск тактов начинается при мощности ОХК, в 1,5…3 раза меньшей, чем у NCP101х; 2) при 25 кГц легче добиться вырезания отдельных тактов ЗГ, чем при 65…130 кГц. В совокупности с малой величиной гистерезиса компаратора в подсистеме пропуска тактов удается добиться устойчивой работы ОХК с ИМС серии NCP107х без сваливания в пакетный режим даже на холостом ходе ИП (осциллограмма на рисунке 9) [4…6].

Малый гистерезис компаратора в схеме пропуска тактов ЗГ обеспечивает устойчивую работу ИП даже при Pн=0

 

Рис. 9. Малый гистерезис компаратора в схеме пропуска тактов ЗГ обеспечивает устойчивую работу ИП даже при Pн=0

Критически важным условием для обеспечения надежной работы любого ИП является эффективное функционирование защиты от перегрузки или короткого замыкания на выходе. Возможны различные подходы к построению такой защиты: отключение ИП с фиксацией этого состояния; ограничение выходного тока или, реже, мощности на безопасном уровне с возможностью продолжительной работы и др. Но в большинстве случаев наилучшую совокупность потребительских свойств обеспечивают ИП, в которых при обнаружении признаков аварии ОХК выключается на некоторое время с последующими автоматическими попытками вернуться в нормальный режим. При сохранении причин, вызвавших аварийную ситуацию, происходят регулярные срабатывания схемы защиты и перезапуски ОХК, что похоже на икание человека. Реализация защиты переходом в режим «икания» привлекательна необременительными, легко выполнимыми требованиями по достоверности детектирования аварийного состояния, а также возможностью получить безопасные режимы работы как для самого ИП, так и его нагрузки (при должном соотношении времен нахождения ОХК в выключенном состоянии и перезапуска до момента детектирования аварии). Такая концепция защиты применена и в серии NCP107х.

Традиционный способ детектирования перегрузки на выходе ОХК заключается в контроле выпрямленного напряжения на дополнительной обмотке силового трансформатора. Предполагается, что при перегрузке снижается Uн и, одновременно, Uдоп. обм. Следовательно, чрезмерное снижение Uдоп обм может служить признаком аварии. Но у этого способа выявления перегрузки имеются серьезные проблемы. На рисунке 10 показана типичная осциллограмма напряжения на дополнительной обмотке [4…6] при большой нагрузке ОХК.

Типичная осциллограмма напряжения на дополнительной обмотке трансформатора ОХК при полной нагрузке

 

Рис. 10. Типичная осциллограмма напряжения на дополнительной обмотке трансформатора ОХК при полной нагрузке

 

В начале обратного хода имеется выброс напряжения значительно выше установившегося значения с переходом к затухающим высокочастотным колебаниям («звону»), что обусловлено индуктивностью рассеивания силового трансформатора и, в меньшей степени, индуктивностями других компонентов силовой части ОХК и монтажа. Только после окончания «звона» Uдоп. обм устанавливается на уровне Uплато, пропорциональном Uн. Если фиксировать величину Uдоп. обм с помощью выпрямителя с емкостным фильтром, то конденсатор будет заряжаться до напряжения, значительно превышающего Uплато, что дает совершенно неверную информацию о величине Uн и не позволяет надежно выявить факт перегрузки ОХК. Проблема тем серьезнее, чем больше коэффициент рассеивания силового трансформатора. Для недорогих трансформаторов, спроектированных для удовлетворения жестких требований по электробезопасности ИП при работе от сетей 115/230 В и, особенно, малогабаритных (с высокой удельной мощностью), коэффициент рассеивания довольно велик. Это затрудняет адекватный контроль величины Uн по Uдоп. обм. Продвинутые, сравнительно дорогие контроллеры ОХК, умеют измерять и фиксировать непосредственно напряжение Uплато, не реагируя на выброс. Известны и схемотехнические приемы, позволяющие устранить «пролезание» выброса и звона на конденсатор, фиксирующий Uплато. Но в любом случае это сопряжено с применением заметного количества дополнительных компонентов и рассеиванием значительной дополнительной мощности, а также применимо только при условии, что влияние паразитных индуктивностей не слишком велико. Поэтому, перспективны иные способы контроля перегрузки или короткого замыкания на выходе ОХК. Поскольку при увеличении нагрузки ИП Iоос уменьшается, можно использовать чрезмерное снижение Iоос (ниже величины, при котором достигается режим максимальной мощности ОХК) как признак перегрузки. В ИМС серии NCP107х этому соответствует диапазон Iоос ≤ 35 мкА (рисунок 8). Надо только учесть, что на этом участке характеристики регулирования (рисунки 6…8) ОХК оказывается не только при перегрузке, но и во время переходных процессов при первоначальном включении, при возврате из выключенного состояния («икание» при срабатывании той или иной защиты), а также при кратковременной перегрузке. Т.е. надо дать достаточное время ИП для выхода на нормальный режим, и только если этого не произошло, фиксировать аварийное состояние. В некоторых ранее разработанных сериях ИМС регуляторов ON Semiconductor использовала в качестве «часов», отсчитывающих время, предоставленное ОХК на переходный процесс, подсистему динамического внутреннего источника питания (если за время, пока «Iпуск» не работает и Uпит. рег снижается от Uпит вкл до Uпит. мин, Iоос не вошел в зону нормальной работы петли ООС — фиксируем наличие аварии и активируем защиту). Однако такая защита не работает в ИП, где ИМС регулятора получает питание от дополнительной обмотки трансформатора (Uпит. рег может вообще не снижаться до Uпит. мин). Но даже при постоянном питании ИМС через «Iпуск», имеются некоторые сложности: время, которое выделяется ОХК для завершения переходных процессов оказывается прямо пропорционально Cпит. имс, (Uпит. вкл — Uпит. мин) и обратно пропорционально Iпит. раб. Все эти параметры имеют значительный разброс, что в совокупности дает большую неопределенность по времени (его может либо не хватать для установления нормального режима работы ИП, либо будет чрезмерно затянуто выявление аварийной ситуации) [7]. В ИМС серии NCP107х используется отдельная схема для формирования интервала времени, выделяемого ОХК для завершения переходных процессов. Это обеспечивает значительно лучшую стабильность его величины (40 мс — типично, 53 мс — максимально), а главное, поддерживается постоянное соотношение времени выявления аварии и времени выключенного состояния после обнаружения аварии (1:8), что позволяет надежно ограничить среднюю мощность потерь в ИП и в нагрузке в режиме «икания». Следует иметь в виду, что защита работает не только при перегрузке ОХК, но и в случае неисправностей в компонентах цепи ООС, приводящих к Iоос = 0, предотвращая опасность разгона Uн. На рисунке 11 схематично показаны процессы при обнаружении признаков аварии на выходе ОХК (в ИП используется дополнительная обмотка для питания ИМС). Первоначально флаг перегрузки устанавливается при пуске ОХК и таймер начинает отсчет интервала 53 мс. Но после выхода петли ООС на нормальный режим (Uоос < Uоос. обр, т.е. Iоос > 40 мкА) флаг перегрузки и таймер сбрасываются. Однако, если снова возникают условия Uоос > Uоос. обр, таймер досчитывает до 53 мс, вызывая блокировку работы драйвера СТК на время 8 * 53 мс = 424 мс. Для примера показан случай, когда причины, вызвавшие срабатывание защиты, не устранены и по истечении 53 мс ОХК снова «уходит в защиту».

Переход в режим «икания» защищает ОХК в условиях перегрузки или короткого замыкания на выходе ИП

 

Рис. 11. Переход в режим «икания» защищает ОХК в условиях перегрузки или короткого замыкания на выходе ИП

При питании ИМС от дополнительной обмотки силового трансформатора необходимо обеспечить защиту от чрезмерного повышения Uпит. рег (выше 10 В), которое может повредить регулятор. Для этого в составе ИМС имеется схема активного ограничителя напряжения (рисунок 12), порог срабатывания которого установлен на уровне (Uпит. вкл + 190 мВ).

Детектирование перенапряжения в цепи питания ИМС и защита от них

 

Рис. 12. Детектирование перенапряжения в цепи питания ИМС и защита от них

 

Кроме того, осуществляется контроль величины тока через ограничитель Iогр и, если он превышает пороговый уровень Iогр пор (примерно 8,5 мА), переключается компаратор. Его сигнал после НЧ фильтра (80 мкс) вызывает срабатывание защиты (выключение драйвера СТК на время 424 мс). Максимально допустимый ток через ограничитель составляет 15 мА. Питание ИМС должно быть спроектировано таким образом, чтобы во всем диапазоне нормальных режимов работы ОХК, даже при максимальном напряжении на конденсаторе выпрямителя Cпит всп, ток, поступающий с дополнительной обмотки на питание ИМС (ток I1 на рисунке 3), не превышал Iогр. пор. Это достигается установкой Rогр (рисунок 3) соответствующей величины. С другой стороны, при минимально-возможном напряжении на Cпит всп должно обеспечиваться I1 > Iпит. раб. Достаточно большая величина отношения ((Iогр. пор)мин/(Iпит раб)макс) = 6 мА/1 мА = 6 позволяет без проблем спроектировать питание ИМС от дополнительной обмотки и выбрать адекватную величину Rогр, в т.ч. подстроиться под различные типы трансформаторов. Задача дополнительно облегчается тем, что, работая в условиях пропуска большинства тактов ЗГ, ИМС серии NCP107х еще приблизительно вдвое уменьшают Iпит. раб по сравнению с функционированием на номинальной частоте ШИМ. На рисунке 13 схематично показаны процессы при обрыве основной цепи ООС: ОХК начинает работать с максимальной мощностью, и напряжение на выходе быстро возрастает. Соответственно, увеличивается напряжение на Cпит всп и ток Iогр. Хотя из-за Uоос > Uоос. обр, начинает свой отсчет таймер, ему требуется до 53 мс перед срабатыванием. Значительно быстрее достигается условие Iогр > Iогр. пор, и через 80 мкс переключения СТК блокируются. После выдержки времени 420 мс в выключенном состоянии, ИМС пытается возобновить работу. Для примера на рисунке 13 предполагается, что к этому моменту целостность петли ООС восстановлена, и установившийся режим в цепи питания ИМС характеризуется незначительным током через ограничитель.

Переход в режим «икания» защищает ОХК при перенапряжении в цепи питания ИМС

 

Рис. 13. Переход в режим «икания» защищает ОХК при перенапряжении в цепи питания ИМС

Традиционно в ИМС контроллеров ключевых преобразователей встраивают схему плавного пуска, которая призвана уменьшить перегрузки компонентов силовой цепи и возможные забросы токов и напряжений во время переходного процесса (например, из-за попадания преобразователей, спроектированных для работы в РПТ, в РНТ). В ИМС серии NCP107х имеется такая схема, настроенная на фиксированное время плавного пуска 1 мс. Следует заметить, что обычно пуск типового ИП на основе ИМС серии NCP107х занимает на порядок большее время, так что серьезной помощи схема не дает. Больший эффект на благоприятный характер протекания переходных процессов в этих ИП оказывают поцикловое ограничение тока СТК и встроенная в ИМС подсистема для обеспечения работы в РНТ.

Также трудно себе представить современные ИМС контроллеров ключевых преобразователей без встроенной термозащиты (выключение работы при достижении опасно высокой температуры с автоматическим возвратом к активному режиму после остывания). Температура активации защиты в ИМС серии NCP107х выбрана достаточно высокой (минимум 150°C), чтобы не препятствовать достижению достаточно большой мощности ИП и/или использованию динамического внутреннего источника питания ИМС, особенно в условиях применения при повышенной температуре воздуха. Кроме того, это позволяет использовать ИМС в малогабаритных корпусах (SOT-223) и не предъявлять жестких требований по эффективности отвода тепла от регулятора на печатную плату. В то же время установленная температура срабатывания гарантирует хорошую надежность ИМС. Гистерезис термозащиты на уровне примерно 50°C обеспечивает надежный возврат ИМС в активный режим и не слишком высокую частоту следования термоциклов, что немаловажно, если причины, вызывающие срабатывание термозащиты, сохраняются длительное время.

В ИМС серии NCP107х интегрирована защита от работы драйвера СТК в условиях чрезмерного низкого напряжения на высоковольтном конденсаторе ИП Uпит. охк (ниже 91 В ±20%). Это является новым шагом для ИМС-регуляторов производства ON Semiconductor. Проверка величины Uпит охк выполняется при пуске ИМС, а также при возврате в активный режим после срабатывания любой из защит. Традиционно назначение подобной защиты в импульсном ИП заключалось в предотвращении опасности перегрева СТК вследствие слишком длительного протекания прямого тока (т.е. большого коэффициента заполнения). Однако в интегральных регуляторах (со встроенным СТК) ее роль значительно важнее. Дело в том, что в связи с особенностями конструкции таких ИМС категорически недопустим режим Uси. стк < 0. Соответственно, нельзя допускать работу СТК, если Uпит. охк < (Uн + Uд) * Kтр. Наличие встроенной в ИМС защиты по минимуму Uпит. охк и должный выбор коэффициента трансформации Kтр, позволяет гарантировать безопасность режима СТК (в отношении смены полярности Uси. стк) даже при переходных процессах.

Важной проблемой, которую необходимо решить разработчикам импульсных ИП, является снижение помех, генерируемых в процессе работы ОХК, ниже предельных уровней, установленных соответствующими стандартами. Для характерных областей применения ИП, выполняемых на основе ИМС серии NCP107х, основным регламентирующим документом является EN50022. Кондуктивные помехи контролируются в полосе частот от 150 кГц до 30 МГц с использованием детекторов пиковых либо средних значений. Для удовлетворения требований стандарта приходится прилагать значительные усилия: установка многозвенных фильтров, демпферов, экранов, уменьшение скоростей переключения вентилей, применение соответствующих конструктивно-технологических решений, уменьшающих уровень помех даже в ущерб основным параметрам ИП, и т.п. меры. Поэтому весьма востребованы функциональные возможности ИМС-регуляторов, упрощающих достижение требований по уровню помех. Базовый принцип: номинальные частоты ЗГ выбираются ниже границы диапазона частот, в котором контролируются помехи (с должным запасом на технологический разброс параметров ИМС, температурный дрейф и старение). Поэтому наибольшая номинальная частота ЗГ в ИМС серии NCP107х установлена на уровне 130 кГц при допуске ±10%. Кроме того, известно, что для импульсных ИП, работающих на фиксированной частоте ШИМ, значительный эффект дает применение частотной модуляции (ЧМ) в ЗГ. Индекс модуляции выбирают сравнительно небольшим, чтобы не сбивать режим работы ОХК, но достаточным для эффективного размазывания плотности мощности помех по частоте. Типичные параметры ЧМ ЗГ, реализованной в ИМС серии NCP107х, показаны на рисунке 14.

Частотная модуляция пилообразного напряжения ЗГ треугольным сигналом 300 Гц

 

Рис. 14. Частотная модуляция пилообразного напряжения ЗГ треугольным сигналом 300 Гц
(на примере ЗГ с номинальной частотой 65 кГц)

Вспомогательный генератор формирует пилообразное напряжение частотой 300 Гц, которое является заданием для модулятора ЗГ. Типичной является перестройка частоты ЗГ при ЧМ на ±6%. Важной особенностью ИМС серии NCP107х является полноценное функционирование подсистемы ЧМ не только при работе ЗГ на номинальной частоте, но и при ее снижении в процессе регулировки мощности ОХК, согласно рисунку 6. Достаточно низкая частота задающего сигнала ЧМ позволяет эффективно подавить паразитную амплитудную модуляцию Uн с помощью основной петли ООС. На рисунке 15 представлены результаты измерения помех, создаваемых двумя референсными ИП на основе NCP1075. Больший уровень помех на рисунке 15а [3] обусловлен тем, что измерен при работе ОХК в РНТ. Рисунок 15б соответствует работе ОХК в РПТ [1] и демонстрирует серьезные запасы этого ИП в части удовлетворения требований EN50022 (уровень B). Хорошо видно, как эффективно размазана плотность мощности помех по частоте. Впрочем, даже работая в РНТ, ИП на основе NCP1075 надежно проходит по помехам.

Рис. 15. Спектр кондуктивных помех, создаваемых ИП на основе ИМС NCP1075 при выходной мощности а) 9,6 Вт; б) 8 Вт и напряжении в питающей сети а) 120 В (эфф.); б) 240 В (эфф.)

Традиционно ИП, по назначению и уровню выходной мощности сходные с реализуемыми на ИМС серии NCP107х, проектируются для штатной работы в РПТ во всем диапазоне нагрузок и напряжений питающей сети. Небезосновательно считается, что проблемы, которые приходится решать при переходе к РНТ, не компенсируются выгодами от этого режима. Наиболее упоминаемой проблемой импульсных ИП класса «Current Mode», работающих в РНТ при коэффициенте заполнения D > 50%, являются возникающие в нем субгармонические колебания (хаотические изменения D от периода к периоду даже в условиях стабильных Uпит. охк, Uн, Pн). На рисунке 16 показаны процессы в импульсном преобразователе в РНТ при условии D < 50% (рисунок 16а) и D > 50% (рисунок 16б).

 

 

Рис. 16. Работа ОХК в режиме Current Mode РНТ: а) устойчивая при D<50%; б) субгармонические колебания при D>50%

 

Для простоты восприятия временные диаграммы относятся к импульсным регуляторам с единственной силовой обмоткой дросселя, по которой протекает ток IL. Но они полностью применимы и к двух- и много-обмоточным дросселям (как в ОХК), если вместо IL рассматривать суммарную МДС всех обмоток Fнам. Черным изображена идеальная, устойчивая временная диаграмма для IL, соответствующая данному режиму работы (Uпит. охк, Uн, Pн). Красным показано поведение IL в преобразователе класса «Current Mode», если имеется начальное отклонение DIL(0) от устойчивого режима. Как видно из рисунка 16а, при D < 50% начальное отклонение IL от устойчивой траектории быстро сходит на нет. Напротив, при D > 50% IL хаотически колеблется (рисунок 16б) и весьма отдаленно соответствует идеальному поведению (при том же режиме работы по входу и выходу). Пожалуй, наиболее неприятным следствием этих колебаний является плохо предсказуемое расширение спектра помех (как электромагнитных, так и акустических) ниже частоты ЗГ. Как известно, для подавления рассматриваемого эффекта следует прибавить к основному модулирующему сигналу, пропорциональному току СТК, дополнительный сигнал модуляции по времени. Иными словами, следует уменьшать порог ограничения тока СТК на интервале его проводящего состояния. Причем для стабилизации режима работы преобразователя достаточно сравнительно небольшой добавки сигнала модуляции по времени, т.е. преимущества режима «Current Mode» в основном сохраняются. На рисунке 17 показаны осциллограммы работы ОХК («Current Mode», РНТ, D > 50%) в двух вариантах: когда дополнительная модуляция по времени не используется (рисунок 17а) и с применением дополнительной модуляции (рисунок 17б).

 

 

Рис. 17. Работа ОХК в режиме Current Mode РНТ при D>50%: а) субгармонические колебания
(без дополнительной модуляции); б) устойчивая работа (при дополнительной модуляции)

 

В ИМС серии NCP107х интегрирована соответствующая схема, поэтому они вполне пригодны для построения ОХК, работающих не только в РПТ, но и переходящих в РНТ, например, при низких Uпит. охк и больших Pн. Это несколько увеличивает предельно достижимые уровни Pн ИП на основе этих ИМС, а также делает менее критичным их попадание в РНТ во время отработки возмущений. А главное, для пользователя это ничего не стоит! Максимальный Kзап ЗГ ограничен величиной 0,68, а снижение порога ограничения тока при этом составляет 12…17%.

ИМС серии NCP107х пригодны для прямой замены соответствующих моделей серии NCP101х: они совпадают по расположению выводов и по напряжению питания. В тоже время целый ряд параметров ИП заметно улучшается: в первую очередь, КПД и надежность работы. Вдобавок ко всему, цены на новые ИМС (например, в компании КОМПЭЛ) установлены на низком, очень привлекательном уровне.

Литература

1. Design Notes DN05018//ON Semiconductor, 2012.

2. Design Notes DN05036//ON Semiconductor, 2012.

3. Design Notes DN05038//ON Semiconductor, 2012.

4. Data Sheet Series NCP1070, 1071//ON Semiconductor, 2013.

5. Data Sheet Series NCP1072, 1075//ON Semiconductor, 2013.

6. Data Sheet Series NCP1076, 1077//ON Semiconductor, 2012.

7. Data Sheet Series NCP1010…1014//ON Semiconductor, 2010.

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

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики: