№12 / 2018 / статья 7

Квазирезонанс на практике: пятое поколение контроллеров CoolSET

Виктор Чистяков (г. Малоярославец)

Компания Infineon разработала пятое поколение специализированных интегральных схем (ИС) семейства CoolSET™, предназначенных для создания обратноходовых преобразователей напряжения в импульсных источниках электропитания (ИИП). Новые модели обеспечивают ускоренный запуск, повышенные эффективность и производительность при изменяющихся нагрузках и входных напряжениях. Cфера применения новых ИС – разнообразная бытовая и офисная техника, серверное и промышленное оборудование.

Последнее, пятое поколение контроллеров ШИМ CoolSET™ производства компании Infineon включает в себя микросхемы с квазирезонансным режимом работы (QR) и фиксированной частотой (FF) преобразования. Микросхемы выпускаются в корпусах типа DSO-12, DSO-8 и DIP-7 (рисунок 1). Есть несколько моделей контроллеров, предназначенных для создания ИИП повышенной мощности с использованием внешних MOSFET.

Рис. 1. Новые контроллеры Infineon CoolSETTM

Рис. 1. Новые контроллеры Infineon CoolSETTM

Квазирезонансные контроллеры Infineon CoolSETTM пятого поколения для обратноходовых ИИП

В последнем поколении интегральных преобразователей напряжения CoolSETTM компания Infineon использует контроллер с квазирезонансным алгоритмом управления, обеспечивающим целый ряд преимуществ в процессе работы обратноходовых ИИП.

Ускоренный запуск

Быстрый и надежный запуск новых преобразователей осуществляется благодаря каскадной схеме соединения высоковольтных MOSFET c внутренним регулятором тока. При этом легко реализуется защита от провалов внешнего напряжения питания (Brown in).

 Усовершенствованный режим управления

При колебаниях напряжения в питающей сети преобразователь способен минимизировать разброс частоты коммутации ШИМ за счет использования патентованного адаптивного цифрового алгоритма и увеличенного до 10 значения счетчика состояний перехода через ноль для уровня входного переменного напряжения. Этот инновационный подход позволяет разработчикам ИИП использовать повышенную частоту коммутации, что способствует уменьшению размеров трансформаторов и стоимости набора комплектующих для ИИП. Работа в режиме с пониженной нагрузкой оптимизирована в режиме ABM (Active Burst Mode) с возможностью выбора порогов входа/выхода.

Минимальное тепловыделение

Упростить отвод выделяющегося в процессе работы ИИП тепла позволяет интеграция в едином корпусе с контроллерами CoolSETTM пятого поколения новейших высоковольтных MOSFET из семейства CoolMOSTM P7, выполненных по технологии Super Junction (SJ). Новые контроллеры CoolSETTM выпускаются как для монтажа в отверстия, так и для планарного монтажа, они не требуют использования радиатора для теплоотвода, что экономит пространство внутри блока питания и минимизирует стоимость набора компонентов ИИП.

Расширенный комплект защитных функций

В дополнение к таким традиционным защитам по выходу как защита от короткого замыкания, перегрузки по току и превышения напряжения в пятом поколении контроллеров имеются дополнительные защиты для выявления нештатных состояний на входных шинах питания, включая защиты от превышения и понижения напряжения.

Кроме того, встроенная защитная система еще более усовершенствована за счет возможности замыкания на землю выводов VCC и CS в случае неудачного запуска, чтобы предотвратить повреждение контроллера. А усовершенствованная защита от превышения температуры теперь имеет гистерезис для предотвращения необоснованных сбоев в процессе работы ИИП. Все функции защиты реализованы с автоматическим перезапуском, чтобы минимизировать любые перерывы в работе источников питания.

В таблице 1 представлены основные характеристики микросхем CoolSETтм ICE5QSAG пятого поколения в сравнении с ИС этого же семейства из второго поколения.

Таблица 1. Квазирезонансные контроллеры CoolSETTM второго и пятого поколений

Наименование ICE5QSAG ICE2QS02G ICE2QS03G
Корпус DSO-8 DSO-8 DSO-8
Схема коммутации Квазирезонанс с 10 точками контроля перехода через нуль Квазирезонанс с 7 точками контроля перехода через нуль Квазирезонанс с 7 точками контроля перехода через нуль
Диапазон рабочих температур, °С -40…129 -25…130 -25…130
Ячейка запуска Каскадная +
VCC вкл./выкл, В 16/10 12/11 18/10,5
Энергосбережение в дежурном режиме АВМ в режиме квазирезонанса;
2 выбираемых уровня АВМ; уровень входа/выхода
АВМ, 52 кГц
Цифровое понижение частоты с понижением нагрузки + + +
Длительность гасящего импульса защиты от превышения нагрузки (OLP blanking) Фиксированная Настраиваемая Фиксированная
Таймер повторного автозапуска Через заряд/разряд VCC Установка внешними компонентами Через заряд/разряд Vcc
Ограничение максимальной входной мощности Зависит от напряжения на выводе VIN Настраиваемое резистором ZC Настраиваемое резистором ZC
Защита от пониженного напряжения VCC С автоперезапуском С автозащелкой С автоперезапуском
Настраиваемая защита от превышения выходного напряжения С автоперезапуском С автозащелкой С автозащелкой
Настраиваемая защита от превышения линейного входного напряжения +
Расширение внешнего времени гашения (blanking time) + +
Защита замыканием на землю выводов VCC и CS +

Обобщенная типовая схема ИИП на основе квазирезонансного обратноходового преобразователя Infineon пятого поколения приведена на рисунке 2. В основном она аналогична традиционному обратноходовому преобразователю с оптической развязкой в цепи обратной связи с выхода ИИП, за исключением блока управления в интегральном исполнении, управляющего внешним ключевым транзистором.

Рис. 2. Типовая схема включения квазирезонансного обратноходового преобразователя Infineon CoolSETTM пятого поколения

Рис. 2. Типовая схема включения квазирезонансного обратноходового преобразователя Infineon CoolSETTM пятого поколения

В таблице 2 представлены микросхемы квазирезонансных преобразователей пятого поколения со встроенным MOSFET и модель ICE5QSAG с внешним MOSFET.

Таблица 2. Основные параметры квазирезонансных преобразователей CoolSETTM пятого поколения

Наименование Корпус VDC, В RDCon1, Ом РMAX, Вт
(220 В АС ± 20%2)
РMAX, Вт
(85…300 В AC2)
ICE5QR4770AZ PG-DIP-7 700 4,73 27 15
ICE5QR4780AZ PG-DIP-7 800 4,13 28 15
ICE5QR2270AZ PG-DIP-7 700 2,13 41 22
ICE5QR2280AZ PG-DIP-7 800 2,13 41 22
ICE5QR1070AZ PG-DIP-7 700 1,15 58 32
ICE5QR0680AZ PG-DIP-7 800 0,71 74 41
ICE5QR4770AG PG-DSO-12 700 4,73 27 15
ICE5QR1680AG PG-DSO-12 800 1,53 50 27
ICE5QR0680AG PG-DSO-12 800 0,71 77 42
ICE5QSAG DSO-8 Внешний MOSFET 109 603
1 – Типовое значение при температуре перехода выходного транзистора 25°С (при включении нагрузки между корпусом и MOSFET).
2 – Вычисленная выходная мощность для открытой конструкции при TА = 50°C, TJ = 125°C (интегрированный MOSFET) при минимальной площадке под вывод стока транзистора в 2 унции (57 г) меди на односторонней печатной плате. Это значение выходной мощности применимо лишь в целях выбора компонентов. Реальная мощность во многом будет зависеть от особенностей конструкции.
3 – Максимальная выходная мощность ограничена параметрами встроенного транзистора ячейки быстрого запуска микросхемы.

Контроллеры ШИМ с фиксированной частотой CoolSET™ пятого поколения

Среди новых преобразователей CoolSETTM наряду с квазирезонансными моделями широко представлены ИС с фиксированной частотой (FF), отличающиеся пониженным энергопотреблением в дежурном режиме.

Ускоренный запуск

Для ускоренного и безопасного запуска ИИП в новых ИС использованы выполненные в том же корпусе высоковольтные MOSFET с каналом пониженной проводимости (технология SJ) совместно с регулятором тока в каскадной конфигурации. Повышенное входное переменное напряжение (до 350 В) поддерживается также благодаря интеграции транзисторов CoolMOSTM P7 SJ с максимальным напряжением 800 В.

Эффективный режим работы на пониженной частоте

Повышенная эффективность новых контроллеров обеспечивается за счет снижения частоты преобразования в случае значительного понижения тока нагрузки ИИП с регулируемым уровнем входа/выхода в режим ABM.

Интегрированный усилитель ошибки упрощает реализацию в обратноходовых преобразователях цепи обратной связи на первичной стороне преобразователя без использования оптической развязки. Такой подход сокращает количество дискретных компонентов и упрощает конструкцию платы.

Набор защитных функций

В дополнение к стандартным защитам, действующим при критичном повышении на выходе напряжения или тока, вплоть до короткого замыкания, в пятом поколении контроллеров также предусмотрено выявление нештатных состояний и по входу (исключая ICE5ARxxxxBZS). Кроме того, усовершенствована системная защита, с возможностью замыкания на корпус выводов VCC и CS, чтобы предотвратить повреждение контроллера при неудачных условиях запуска. Защита от превышения критической температуры (OTP) работает с гистерезисом, чтобы улучшить управляемость при срабатывании. Чтобы минимизировать простои оборудования в случае отказов по питанию, все типы защит работают с автозапуском.

Использование внешних и встроенных MOSFET на 800 В позволяет работать с первичными источниками переменного электропитания с напряжением, повышенным до 350 В. Внешний MOSFET повышенной мощности позволяет создавать более мощные ИИП. В таблице 3 представлены основные электрические характеристики новых микросхем этого семейства с фиксированной частотой.

Таблица 3. Основные характеристики преобразователей CoolSETтм пятого поколения с фиксированной частотой

Наименование ICE5ASAG ICE5GSAG
Корпус DSO-8
Частота коммутации, кГц 100 125
Диапазон рабочих температур, °С -40…129
Ячейка запуска Каскадная
Порог вкл./выкл. VCC, В 16/10
Время мягкого запуска, мс 12
Плавающая (jitter) частота +
Модулированный затвор управления +
Режим АВМ + (3 выбираемых уровня)
Компенсация наклоном (Slope) для CCM (в режиме непрерывной проводимости) +
Понижение частоты +
Интегрированный усилитель ошибки для непосредственной обратной связи +
Настраиваемая защита от превышения напряжения по входу + с автоперезапуском
Настраиваемая защита от провалов напряжения по входу (brown in) + с автоперезапуском
Защита замыканием на землю вывода CS + с автоперезапуском
Защита замыканием на землю вывода VCC + (нет запуска)
Защита от понижения напряжения на VCC + с автоперезапуском
Защита от превышения напряжения на VCC + с автоперезапуском
Защита от перегрузки/разомкнутой обратной связи + с автоперезапуском
Защита от превышения температуры + с автоперезапуском и гистерезисом
Расширение внешнего гашения (external blanking time)
Вывод разрешения внешней защиты

На рисунке 3 представлена типовая схема ИИП с регулированием по первичной стороне на основе обратноходового преобразователя CoolSETTM с фиксированной частотой.

Рис. 3. Типовая схема включения обратноходового преобразователя CoolSETTM с фиксированной частотой, с цепью обратной связи по первичной стороне, без гальванической развязки

Рис. 3. Типовая схема включения обратноходового преобразователя CoolSETTM с фиксированной частотой, с цепью обратной связи по первичной стороне, без гальванической развязки

В таблице 4 представлен перечень контроллеров CoolSETTM пятого поколения с фиксированной частотой.

Таблица 4. Основные параметры CoolSETTM пятого поколения с фиксированной частотой

Наименование Корпус VDC, В RDCon1, Ом FSW, кГц Рmax, Вт
(220 В АС ± 20%2)
Рmax, Вт
(85…300 В AC2)
ICE5AR4770AG PG-DSO-12 700 4,73 100 27 15
ICE5GR4780AG PG-DSO-12 800 4,13 125 27,5 15
ICE5GR2280AG PG-DSO-12 800 2,13 125 41 23
ICE5GR1680AG PG-DSO-12 800 1,53 125 48 27
ICE5AR0680AG PG-DSO-12 800 0,71 100 68 40
ICE5AR4770BZS PG-DIP-7 700 4,73 100 26,5 14,5
ICE5AR4780BZS PG-DIP-7 800 4,13 100 27,5 15
ICE5AR0680BZS PG-DIP-7 800 0,71 100 66 39
ICE5ASAG DSO-8 Внешний MOSFET  100 108 60
ICE5GSAS DSO-8 Внешний MOSFET  125 108 60
1 – Типовое значение при температуре перехода выходного транзистора 25°С (при включении нагрузки между корпусом и MOSFET).
2 – Вычисленная выходная мощность для открытой конструкции при TА = 50°C, TJ = 125°C (интегрированный MOSFET) при минимальной площадке под вывод стока транзистора в 2 унции (57 г) меди на односторонней печатной плате. Это значение выходной мощности применимо лишь в целях выбора компонентов. Реальная мощность во многом будет зависеть от особенностей конструкции.

Отладочные наборы для контролеров серии CoolSETтм пятого поколения

В таблице 5 представлен перечень демонстрационных плат с различными контроллерами CoolSETТМ пятого поколения и основные параметры этих плат, что помогает выбрать подходящее решение для стоящих перед разработчиком задач.

Таблица 5. Демоплаты с контроллерами CoolSETтм пятого поколения

Наименование демоплаты Корпус микросхемы Напряжение ключа, В Выходы Краткое описание
DEMO5AR0680AG44W1 DSO-12 800 44 Вт; 12 В ИИП с фиксированной частотой 100 кГц, режим CCM
DEMO5AR0680BZS44W1 DIP-7 800 44 Вт; 12 В ИИП с фиксированной частотой 100 кГц, режим CCM
DEMO5AR4770AG14W1 DSO-12 700 14,5 Вт;
15 В и 5 В
ИИП c фиксированной частотой 100 кГц, режим DCM
DEMO5AR4780BZS14W1 DIP-7 800 14,5 Вт;
15 В и 5 В
ИИП c фиксированной частотой 100 кГц, режим DCM
DEMO5ASAG60W1 DSO-8 700 В, внешний ключ IPA80R600P7 60 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с фиксированной частотой 100 кГц, режим DCM
DEMO5GR1680AG27W1 DSO-12 800 27 Вт;
12 В и 5 В
ИИП c фиксированной частотой 125 кГц, режим DCM
DEMO5GR2280AG22W1 DSO-12 800 22 Вт;
12 В и 5 В
ИИП c фиксированной частотой 125 кГц, режим DCM
DEMO5GR4780AG14W1 DSO-12 800 14,5 Вт;
15 В и 5 В
ИИП c фиксированной частотой 125 кГц, режим DCM
DEMO5GSAG60W1 DSO-8 800 В,
внешний ключ IPA80R650CE
60 Вт; 19 В ИИП c фиксированной частотой 125 кГц, режим DCM
DEMO5QR0680AG42W1 DSO-12 800 42 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
DEMO5QR0680AZ42W1 DIP-7 800 42 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
DEMO5QR1680AG27W1 DSO-12 800 27 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
DEMO5QR2270AZ24W1 DIP-7 700 24 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
DEMO5QR2280AZ24W1 DIP-7 800 24 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
DEMO5QR4770AG15W1 DSO-12 700 15 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
DEMO5QR4770AZ16W1 DIP-7 700 16 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
DEMO5QR4780AZ16W1 DIP-7 800 16 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы
REF5AR4770BZS15W1 DIP-7 700 15 Вт; 12 В ИИП c фиксированной частотой 100 кГц, режим DCM
REF5AR4770BZS8W1 DIP-7 700 8 Вт;
12 В и 5 В
ИИП c фиксированной частотой 100 кГц, режим DCM
REF5QR1070AZ33W1 DIP-7 700В 33 Вт;
12 В и 5 В
ИИП с квазирезонансным режимом работы

Автоматизированный расчет параметров схем ИИП

Для дальнейшего упрощения процесса проектирования ИИП на основе контроллеров CoolSETтм компания Infineon предоставляет удобные калькуляторы в формате Excel, которые автоматически рассчитывают отдельные параметры схемы по заданным исходным требованиям. В числе прочего имеется детальный расчет трансформатора, что порой особенно важно в процессе разработки.

Загрузив файлы в привычном формате электронных таблиц, разработчик получает удобные инструменты для:

Заключение

Компания Infineon постоянно обновляет модельный ряд своих полупроводниковых компонентов для разработки ИИП, совершенствует уже имеющиеся решения. С появлением микросхем пятого поколения из семейства CoolSETTM и новых MOSFET CoolMOSTM P7 разработка надежных и эффективных источников питания становится еще более простой и доступной.

Хочется надеяться, что данная статья позволит разработчикам лучше ориентироваться во всем многообразии современных полупроводниковых компонентов и решений компании Infineon для создания ИИП.

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее