В недавнем проекте для управления затворами полевых транзисторов верхнего плеча потребовался надежный источник питания. Оптопары легко преобразуют логические сигналы в правильные управляющие напряжения для управления полевыми транзисторами. Однако, чтобы обеспечить чистое включение и выключение полевого транзистора, в конструкции требовалось напряжение –15 В, стабильное относительно чудовищно плавающей шины верхнего плеча.
В некоторых условиях с этой задачей могут справиться простой стабилитрон и резистор, возможно, с буфером на полевом транзисторе для обеспечения достаточного тока. Однако при определенных обстоятельствах для управления затвором будет требоваться напряжение, немного меньшее напряжения другой самой низковольтной шины питания в системе, которой в данном случае является земля, поскольку отрицательных источников питания нет. В других случаях напряжение могло быть почти на 100 В выше всех других напряжений питания. Поскольку рассматриваемая конструкция предназначалась для массового производства, решение должно было исключать использование патентованных, дорогостоящих деталей из одного источника.
Конструкция уже включала в себя импульсный источник питания, эффективно понижающий входное напряжение порядка 12 В до напряжения 4 В, используемого для питания внутренней логики (Рисунок 1). Напряжение в коммутационном узле этого источника питания – точке соединения вывода 3 микросхемы U610 с элементами L610 и D611 – изменяется от 12 В до значения, на падение напряжения на диоде более низкого, чем уровень земли, – примерно до –0.5 В. Это могло бы обеспечить питание зарядового насоса. Однако преобразователь 4 В не может работать при легкой нагрузке, и напряжение в этой точке будет недостаточным для поддержания работы зарядового насоса.
 |
|
| Рисунок 1. | Понижающий преобразователь, уже имеющийся в проекте, обеспечивает прямоугольные импульсы для формирования из напряжения 12 В сигнала VeeDrive с размахом около 10 В. |
Чтобы гарантировать надежное управление зарядовым насосом, питание подается непосредственно от шины 12 В и земли через транзисторы Q610 и Q611. Обратите внимание, что они не образуют традиционной конфигурации инвертора, которая может быть повреждена сквозными токами, когда оба транзистора одновременно открыты во время изменения напряжения на затворе.
Вместо этого транзисторы Q610 и Q611 включены простыми истоковыми повторителями. Когда напряжение на затворе Q611 поднимается более чем на вольт выше текущего значения напряжения цепи VeeDrive – точки соединения истоков транзисторов Q610 и Q611, показанной на Рисунке 1, – Q611 включается, подтягивая напряжение VeeDrive к шине 12 В, так что при дальнейшем росте оно остается примерно на 1 В ниже напряжения затвора. На спадающем фронте напряжения коммутационного узла напряжение на затворе падает, транзистор Q611 полностью выключается, а Q610 начинает открываться, когда напряжение затвора опускается примерно на 1 В ниже VeeDrive. Таким образом, VeeDrive отслеживает напряжение затвора до уровня, примерно на 1 В превышающего уровень логической земли.
В результате формируется сигнал VeeDrive, представляющий собой мощные прямоугольные импульсы с крутыми фронтами и размахом от 1 до 11 В (относительно логической земли), что в сумме составляет 10 В пик-пик. Он достаточно мощен, чтобы управлять несколькими зарядовыми насосами, если возникнет необходимость в нескольких источниках питания. Фактически, этот один прямоугольный импульс обеспечивал работу всех четырех источников питания, необходимых для данной конструкции.
Транзистор Q612 – это необязательный компонент. Высокий логический уровень напряжения VeeEnable затвора транзистора Q612 включает Q612 и разрешает работу зарядового насоса. Низкий логический уровень VeeEnable выключает Q612 и запрещает работу нижнего плеча, позволяя VeeDrive установиться в устойчивое состояние чуть ниже 12 В. Это позволяет экономить энергию в те периоды времени, когда питание GateDrive не требуется.
На Рисунке 2 показан один из четырех зарядовых насосов, использующих сигнал VeeDrive для обеспечения плавающего питания, которое следует за напряжением плавающей шины VFLOAT. Поскольку управляющее напряжение затвора должно быть как минимум на 10 В ниже VFLOAT, а некоторая часть напряжения падает на диодах, используется двухступенчатая накачка заряда. Моя реальная конструкция содержит четыре копии зарядового насоса, показанного на Рисунке 2, для создания напряжений управления затворами GateDrive, привязанных к каждой из четырех различных плавающих шин питания. Один сигнал VeeDrive управляет всеми четырьмя шинами.
 |
|
| Рисунок 2. | Зарядовый насос вырабатывает надежное питание, которое всегда поддерживается на уровне на 15 В ниже VFLOAT, даже если это напряжение ниже уровня земли. Напряжение также можно сделать более высоким, чем VFLOAT, просто изменив включение диодов и полярных конденсаторов. |
Накопительные конденсаторы C123 и C124 изначально разряжены, и когда уровень VeeDrive становится низким (1 В), конденсатор C121 заряжается через C123 и правую половину сдвоенного диода D122 примерно до VFLOAT – 1.5 В (с учетом того, что на диоде падает примерно 0.5 В). При высоком уровне VeeDrive (11 В), C121 разряжается через левую половину D122 до VFLOAT – 10.5 В (11 В минус падение на диоде 0.5 В). По мере продолжения этих циклов конденсатор C123 постепенно заряжается. В установившемся режиме при отсутствии потребления тока конденсатор C123 заряжается до 9 В, при этом напряжение на его отрицательном выводе равно VFLOAT – 9 В.
Второй каскад зарядового насоса, состоящий из элементов C122, D123 и C124, работает аналогично, создавая дополнительное смещение 9 В. В результате напряжение GateDrive на 18 В ниже VFLOAT. На практике, конечно, схемой потребляется некоторый ток, и происходит падение на резисторах, поэтому фактическое напряжение устанавливается близким к 15 В. Если напряжение каким-то образом превысит 18 В, стабилитрон D120 ограничит его до уровня не более 18 В, гарантируя, что максимально допустимое напряжение GateDrive в 20 В не будет превышено. Конденсатор C125 помогает подавлять коммутационные помехи, обусловленные скачками нагрузки источника питания во время переключений.
Эту схему можно легко адаптировать ко многим ситуациям. Если VFLOAT будет изменяться, даже довольно быстро, большая емкость накопительных конденсаторов C123 и C124 по сравнению с емкостью плавающих конденсаторов C121 и C122 гарантирует, что смещение напряжения GateDrive относительно VFLOAT поддерживается достаточно постоянным.
Поскольку плавающие конденсаторы керамические (и, следовательно, полярность их включения не имеет значения), напряжение GateDrive будет оставаться на 15 В ниже VFLOAT, даже если VFLOAT упадет до уровня логической земли или ниже. Однако для того, чтобы на практике можно было использовать максимальное значение VFLOAT, плавающие конденсаторы должны иметь достаточное рабочее напряжение.
Выходное напряжение GateDrive на практике очень стабильно и при учете падений на различных элементах хорошо соответствует теоретическим значениям. Однако существует несколько способов регулировки этого напряжения. Для получения различных кратных значений входного напряжения каскады могут быть легко добавлены или удалены из зарядового насоса. Если входное напряжение регулируется, становится возможным более детальное управление конфигурацией схемы.
Схему легко сконфигурировать так, чтобы напряжение GateDrive было выше, а не ниже VFLOAT. Для этого нужно просто перевернуть полярные накопительные конденсаторы и изменить включение диодов на противоположное. Благодаря этим простым изменениям схема будет выдавать напряжение GateDrive, равное примерно VFLOAT + 15 В.
Купить MIC4680 на РадиоЛоцман.Цены
