№6 / 2018 / статья 6

Технология VIPower: да пребудет с нами сила – вертикальная и интеллектуальная

Вячеслав Гавриков (г. Смоленск)

Технология интеллектуальных силовых ключей VIPower от STMicroelectronics – это высокая интеграция и компактность силовых компонентов, позволяющая активно применять их в автомобильной электронике, импульсных источниках питания и зарядных устройствах.

Идея, лежащая в основе технологии VIPower от STMicroelectronics, достаточно проста. Во многих приложениях требуется не только включать и выключать мощные устройства, но и контролировать их состояние, обеспечивать защиту и измерять уровень потребления. Технология VIPower объединяет все эти функции в одном компоненте, что дает множество преимуществ по сравнению с решениями на дискретных элементах.

Несмотря на внешнюю простоту предлагаемой идеи, ее реализация оказывается достаточно сложной. Она требует совместного использования нескольких различных технологий при создании одной интегральной схемы на общем кристалле. Компания STMicroelectronics разработала технологию VIPower более 25 лет назад, и выпускаемые сейчас силовые компоненты относятся к седьмому поколению VIPower.

Рассмотрим особенности интеллектуальных силовых ключей производства компании STMicroelectronics: их структуру, технологии изготовления и области применения.

Современный интеллектуальный ключ

Современная силовая электроника обеспечивает работу самых разнообразных приборов и механизмов, в том числе – электродвигателей, осветительных приборов, подогревателей, вентиляторов и прочего. Это касается промышленного оборудования, автомобильной техники, а также бытовых приложений. Для включения и выключения нагрузки используются силовые ключи верхнего и нижнего плеча (рисунок 1). Если требуется подключить нагрузку к плюсу питания – применяют ключ верхнего плеча, если необходимо коммутировать нагрузку к земле – нижнего.

Рис. 1. Для коммутации питания нагрузки используют ключи верхнего и нижнего плеча

Рис. 1. Для коммутации питания нагрузки используют ключи верхнего и нижнего плеча

В качестве силовых ключей могут применяться как механические и электромеханические выключатели (рубильники, реле, кнопки и так далее), так и полупроводниковые силовые ключи, например, биполярные транзисторы, полевые МОП-транзисторы, БТИЗ и прочие. Полупроводниковые транзисторы имеют множество достоинств – от привлекательной цены до срока службы и компактных размеров. По этой причине их используют значительно чаще, чем механические выключатели.

Вместе с тем сам по себе полупроводниковый транзистор не является вполне самостоятельным прибором. Дело в том, что современное оборудование в большинстве случаев требует, во-первых, интеллектуального управления, во-вторых – высокой эффективности и в-третьих – повышенной надежности. Это приводит к значительному усложнению электронных устройств (рисунок 2). Например, «мозгом» современных приборов обычно является микроконтроллер – низковольтная и слаботочная микросхема, которая не всегда способна напрямую управлять силовым транзистором. Чтобы обеспечить эффективное взаимодействие с силовым ключом, применяют дополнительные драйверы. С другой стороны, требования безопасности вынуждают разработчиков внедрять различные элементы защиты: от простейших защитных компонентов – диодов, TVS-диодов и прочего, – до сложных схем защиты – от перегрева, перегрузки по току, перенапряжений и так далее. Для повышения безопасности схема управления должна иметь возможности самодиагностики, например, обнаруживать аварийные ситуации – перегрев, обрыв нагрузки и так далее, – и контролировать основные параметры, например, величину тока нагрузки.

Рис. 2. Современные системы управления должны обеспечивать высокую эффективность и повышенную надежность

Рис. 2. Современные системы управления должны обеспечивать высокую эффективность и повышенную надежность

Чтобы упростить жизнь разработчикам, были созданы готовые интегральные решения – интеллектуальные силовые ключи (IPS, Intelligent Power Switch). В их состав, кроме силового ключа, входят драйвер, логика управления, блок диагностики, схемы защиты от перегрева, перегрузки по току, перенапряжений и так далее.

Вполне очевидно, что собрать в одном корпусе столь различающиеся блоки – задача не из легких. Тем не менее, успехи в развитии технологий зачастую позволяют не только уместить все вышеперечисленные компоненты в одном корпусе, но даже и на одном кристалле! Силовые ключи, выполненные в виде монолитных интегральных схем, в настоящий момент являются наиболее распространенным типом IPS (рисунок 3). Тем не менее, существуют случаи, когда для достижения требуемых характеристик не обойтись без гибридной технологии. Как правило, это касается мощных и высоковольтных интеллектуальных силовых ключей.

Рис. 3. Интеллектуальный силовой ключ может быть реализован в виде монолитной или гибридной ИС

Рис. 3. Интеллектуальный силовой ключ может быть реализован в виде монолитной или гибридной ИС

Несмотря на то, что в мире существует много производителей IPS, в большинстве случаев они предлагают слаботочные и низковольтные решения. А вот производителей по-настоящему силовых решений можно пересчитать по пальцам одной руки. К их числу относится и компания STMicroelectronics, которая впервые представила свою технологию VIPower более 25 лет назад и сейчас выпускает силовые IPS седьмого поколения.

Как же расшифровывается название данной технологии? VIPower – это Vertical Intelligent Power, или «Вертикальная интеллектуальная мощность». Такое название связано с возможностью интеграции на одной и той же подложке вертикальных силовых транзисторов, традиционной логики и датчиков, которые и определяют наличие интеллектуальных функций. Как показано на рисунке 4, структура компонентов VIPower оказывается достаточно сложной.

Рис. 4. Технология VIPower от ST позволяет объединять на одном кристалле силовые ключи и низковольтную логику

Рис. 4. Технология VIPower от ST позволяет объединять на одном кристалле силовые ключи и низковольтную логику

В последней версии технологии VIPower от ST объединяются различные компоненты: вертикальные (TrenchFET) 40 В и DMOS-силовые транзисторы 40 В, каждый – со своим драйвером, а также элементы, выполненные по КМОП-технологии 10 и 3 В, используемые для реализации логики и датчиков. Применение комбинации из нескольких технологий обеспечивает интеграцию всех компонентов в одном корпусе, высокую энергоэффективность, точное измерение токов, реализацию последовательных и параллельных интерфейсов, работу с нагрузкой до 50 А при напряжениях 12, 24 и 48 В и расширенные возможности диагностики.

В настоящее время по технологии VIPower выпускается более 450 продуктов с 30 различными корпусными исполнениями. За время существования VIPower компания ST продала более 8 млрд устройств, разработанных с использованием данной технологии.

Номенклатура ST объединяет несколько групп силовых интеллектуальных ключей (рисунок 5):

  • ключи верхнего плеча для приложений 12/24 В;
  • ключи нижнего плеча;
  • силовые мостовые схемы (H-bridge);
  • интеллектуальные силовые ключи с SPI-интерфейсом.
Рис. 5. Группы силовых интеллектуальных ключей

Рис. 5. Группы силовых интеллектуальных ключей

Наибольшей популярностью пользуются ключи верхнего и нижнего плеча. Рассмотрим их подробнее.

Интеллектуальные силовые ключи верхнего плеча (High Side)

Интеллектуальные силовые ключи верхнего плеча (High Side) – самая многочисленная группа в линейке поставок ST. В нее входит более 130 представителей с различными характеристиками:

  • с 1…4 каналами;
  • с номинальным напряжением 12 или 24 В;
  • с выходным током до 131 А;
  • с сопротивлением открытого канала от 3 мОм;
  • в различных корпусных исполнениях.

При этом практически все силовые ключи верхнего плеча от ST имеют полный комплект защиты от различных аварийных ситуаций –  от просадок напряжения, перенапряжений на входе, перенапряжений на выходе, перегрузок по току, перегрева (рисунок 6). Многие ключи отличаются наличием дополнительных функций, в том числе – защитой от обратной полярности, активным ограничением тока, а также возможностью диагностики состояния выхода.

Рис. 6. Структура силового ключа VN5T006ASP-E

Рис. 6. Структура силового ключа VN5T006ASP-E

Защита от напряжения обратной полярности

При приложении напряжения обратной полярности ток начинает протекать через встроенный обратный диод силового транзистора. При этом происходит быстрый разогрев полупроводникового кристалла. Чтобы этого не происходило, схема защиты автоматически поддерживает открытое состояние силового транзистора при переполюсовке. В итоге разогрев будет определяться только сопротивлением открытого канала ключа.

Схема активного ограничения тока

При возникновении перегрузки по току силовой транзистор выключается не сразу, а проходя через фазу активного ограничения. При этом система защиты автоматически ограничивает ток, чтобы не допустить разрушения кристалла. Если по прошествии некоторого времени состояние короткого замыкания не прекратится – произойдет разогрев кристалла и окончательное автоматическое выключение силового транзистора.

Система активного ограничения важна и для минимизации уровня электромагнитных помех. Поскольку включение и выключение силового транзистора происходит не скачком, а плавно, то, с одной стороны, это защищает от возникновения мощных помех при включении, а с другой – ограничивает выбросы напряжения при выключении. Это особенно важно при коммутации индуктивной нагрузки.

Диагностика состояния выхода

В самых продвинутых силовых ключах от ST возможна диагностика состояния выхода. Информация об этом может представляться в цифровой или аналоговой форме. Например, в ключах VN5T006ASP-E на выходе CS (current sense) формируется аналоговый токовый сигнал, пропорциональный выходному току (рисунок 6). В ключах с цифровой диагностикой на дополнительном выходе формируется цифровой сигнал.

Для интеллектуальных силовых ключей VIPower существует множество приложений, значительная часть которых относятся к автомобильной отрасли. Продукты VIPower позволяют повысить удобство пользования автомобилем. Это отчетливо видно на примере самых современных ключей верхнего плеча 12 В, выполненных по технологии M0-7 (рисунок 7). Они применяются для управления дверными замками, рулем, стеклоподъемниками, зеркалами, насосами, стеклоомывателями, люками и складными крышами. Интеллектуальные ключи широко используются для переднего и заднего освещения автомобиля, а также для подсветки в салоне. Силовые ключи VIPower также используются в качестве замены для электромеханических реле и предохранителей. Вне автомобильной сферы компоненты VIPower применяются в импульсных источниках питания и в зарядных устройствах для бытовой техники, в системах безопасности.

Рис. 7. Применение силовых ключей 12 В поколения M0-7 в автомобильных приложениях

Рис. 7. Применение силовых ключей 12 В поколения M0-7 в автомобильных приложениях

В отдельную группу выделяют силовые ключи для систем с питанием 24 В, выполненные по технологии M0-5T. В настоящий момент ST предлагает девять таких силовых микросхем (таблица 1). Основным приложением для этих ключей являются грузовые автомобили и автобусы с напряжением бортовой сети 24 В.

Таблица 1. Силовые ключи 24 В производства STMicroelectronics

Наименование Число каналов RDS(on), мОм Uраб, В Iмакс, А Измерение тока Корпус
VN5T006ASP-E 1 6 8…36 115 + PowerSO-10
VN5T016AH-E 1 16 8…36 60 + TO-252 6L
VND5T016ASP-E 2 16 8…36 70 + PowerSO 16
VND5T035AK-E 2 35 8…36 42 + PowerSSO 24
VND5T035LAK-E 2 35 8…36 42 + PowerSSO 24
VND5T050AK-E 2 50 8…36 34 + PowerSSO 24
VND5T100AJ-E 2 100 8…36 22 + PowerSSO 12
VND5T100LAJ-E 2 100 8…36 22 + PowerSSO 12
VND5T100LAS-E 2 100 8…36 22 + SO-16

Интеллектуальные силовые ключи нижнего плеча (Low Side)

Второе место по числу представителей в номенклатуре ST занимает группа силовых ключей нижнего плеча. Она объединяет более полусотни моделей с различными характеристиками, выполненных по технологиям M0-3 и M0-5 (таблица 2):

  • с 1…8 каналами;
  • с максимальным напряжением до 70 В;
  • с выходным током до 45 А;
  • с сопротивлением открытого канала от 10 мОм;
  • в различном корпусном исполнении.

Таблица 2. Силовые ключи нижнего плеча

Наименование Число каналов RDS(on), мОм Uраб (огр), В Iмакс, А Диагностика Корпус
L9333 4 1500 45 0,4 SO-20
L9338 4 1500 50 0,4 SO-20
L9362 4 500 50 3 + PowerSO-36
L93PI 4 1500 45 0,7 SO-20
L9651 4 850 70 2,2 PowerSO-20
L9822E 8 500 36 1,05 PowerSO-20
L9823 8 800 50 2 SO-24
L9825 8 1500 50 1 PowerSO-20
L9826 8 3000 50 0,45 SO-20
VNB10N07 1 100 70 10 D2PAK
VNB14NV04 1 35 45 18 D2PAK
VNB20N07 1 50 70 20 D2PAK
VNB35N07-E 1 28 70 35 D2PAK
VNB35NV04-E 1 10 45 45 D2PAK
VND10N06 1 300 60 10 DPAK, IPAK
VND14NV04 1 35 45 18 DPAK
VND14NV04-1 1 35 45 18 IPAK
VND1NV04 1 250 45 2,6 IPAK
VND3NV04 1 120 45 5 DPAK
VND5N07-E 1 200 70 5 DPAK, IPAK
VND7N04 1 140 42 7 DPAK
VND7NV04 1 60 45 9 DPAK
VNL5030J-E 1 30 46 35 + PowerSSO-12
VNL5030S5-E 1 30 46 35 + SO-8
VNL5050N3-E 1 50 46 27 SOT-223
VNL5050S5-E 1 50 46 27 + SO-8
VNL5090N3-E 1 90 46 18 SOT-223
VNL5090S5-E 1 90 46 18 + SO-8
VNL5160N3-E 1 160 46 5 SOT-223
VNL5160S5-E 1 160 46 5 + SO-8
VNL5300S5-E 1 300 46 2,8 + SO-8
VNLD5090-E 2 90 46 18 + SO-8
VNLD5160-E 2 160 46 5 + SO-8
VNLD5300-E 2 300 46 2,8 + SO-8
VNN1NV04P-E 1 250 45 2,6 SOT-223
VNN3NV04P-E 1 120 45 5 SO-8, SOT-223
VNN7NV04P-E 1 65 45 9 SOT-223
VNP10N06 1 300 60 10 TO-220AB
VNP10N07 1 100 70 10 TO-220AB
VNP20N07 1 50 70 20 TO-220AB
VNP28N04 1 35 42 28 TO-220AB
VNP35N07-E 1 28 70 35 TO-220AB
VNP35NV04-E 1 10 45 45 TO-220AB
VNP5N07 1 200 70 5 TO-220AB
VNP7N04 1 140 42 7 TO-220AB
VNP8T 1 120 5 DICE SAWN T&R
VNS14NV04P-E 1 35 45 18 SO-8
VNS1NV04DP-E 2 250 45 2,6 SO-8
VNS1NV04P-E 1 250 45 2,6 SO-8
VNS3NV04DP-E 2 120 45 5 SO-8
VNS7NV04P-E 1 65 45 9 SO-8
VNV10N07 1 100 70 10 PowerSO-10
VNV20N07 1 50 70 20 PowerSO-10
VNV35N07-E 1 28 70 35 PowerSO-10
L9339 4 1500 45 0,4 SO-20
VND7NV04-1 1 60 45 9 IPAK
VNV35NV04-E 1 10 45 45 PowerSO-10

Типовая структура IPS нижнего плеча представлена на рисунке 8 на примере VNL5090. Она объединяет управляющую логику, драйвер, систему диагностики, элементы защиты от перегрева, перенапряжений, перегрузки по току,. В ключах нижнего плеча диагностическая информация выводится только в двоичном виде.

Рис. 8. Структура IPS нижнего плеча на примере VNL5090

Рис. 8. Структура IPS нижнего плеча на примере VNL5090

Если ключи верхнего плеча преимущественно использовались в автомобильной технике, то ключи нижнего плеча чаще можно встретить в промышленных и бытовых устройствах. Их применяют для управления освещением, электродвигателями, вентиляторами, нагревателями и так далее.

С помощью интеллектуальных ключей возможна организация полумостовых и мостовых схем (рисунок 9). Полумостовые схемы применяются для управления вентиляторами и насосами. Мостовые схемы необходимы для управления электродвигателями с возможностью задания направления вращения.

Рис. 9. Использование интеллектуальных ключей для управления электродвигателями

Рис. 9. Использование интеллектуальных ключей для управления электродвигателями

Важным достоинством интеллектуальных ключей производства ST является возможность работы на частотах до 50 кГц. Это позволяет задавать скорость вращения двигателя с помощью ШИМ, однако при этом важно учитывать величину допустимой индуктивной нагрузки, приведенную в технической документации на ключи.

Заключение

Компания STMicroelectronics является одним из лидеров в области производства интеллектуальных силовых ключей. С момента появления технологии VIPower прошло более 25 лет. В течение этого времени было произведено более 8 млрд ключей различных типов.

В настоящий момент компания предлагает около двух сотен моделей силовых ключей:

  • ключи верхнего плеча 12 В, выполненные по новейшей технологии M0-7;
  • ключи верхнего плеча 24 В, выполненные по технологии M0-5;
  • ключи нижнего плеча, выполненные по технологиям M0-3 и M0-5;
  • программируемые ключи и ключи с последовательным SPI-интерфейсом.

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее