Е. Звонарев
Новости Электроники 5, 2008
Рациональное использование ключей в силовых преобразователях предполагает эффективное управление ими. Эту задачу можно решить с помощью драйверов МОП-транзисторов компании Texas Instruments. В статье подробно рассмотрены универсальные драйверы для нижнего плеча и драйверы для синхронных понижающих DC/DC-преобразователей.
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.
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.
Рис. 2. Выходной каскад драйверов TrueDrive
Полевые транзисторы обладают сильно выраженным эффектом Миллера (типовые временные диаграммы переключения МОП-транзисторов показаны на рисунке 4).
Рис. 3. Корпус PowerPAD
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 |
U 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.
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.
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.
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.
