CC BY
105Компоненты и технологии, № 3'2004
Компоненты
APEX Microtechnology
Статья посвящена продуктам фирмы APEX Microtechnology — известного на мировом рынке производителя мощных операционных усилителей и мощных ШИМ-усилителей. Она будет интересна разработчикам программируемых источников питания, аудиоусилителей, электроприводов, а также другим инженерам, заинтересованным в реализации высоковольтных и сильноточных электронных схем в интегральном исполнении.
Юрий Шаропин
yuri@icquest.ru
APEX и ее продукты
Компания APEX Microtechnology (США) создана в 1980 году двумя инженерами, покинувшими фирму Burr-Brown. Сейчас компания APEX стала мировым лидером в производстве сверхмощных операционных усилителей и гибридных микросхем, которые обеспечивают более высокую надежность по сравнению с аналогичными дискретными разработками. Нужно отметить, что само предприятие сертифицировано по стандарту менеджмента качества ISO 9001, а его продукты по американскому военному стандарту MIL-PRF-38534 класса Н, что говорит о высокой степени надежности и технологичности изделий фирмы APEX.
Основными видами продуктов фирмы APEX являются мощные линейные усилители, мощные усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и контроллеры управления электроприводами.
Современный этап развития электроники характеризуется тем, что при проектировании электронных средств различного назначения используются не дискретные компоненты, а законченные функциональные узлы, выполненные в виде интегральных схем. Такой подход позволяет значительно повысить статические, динамические, эксплуатационные и надежностные показатели аппаратуры, существенно удешевить и сократить сроки ее проектирования.
Продукты фирмы APEX демонстрируют еще один этап интеграции в производстве мощных и сверхмощных интегральных и гибридных операционных и импульсных усилителей. Фирмой достигнуты рекордные энергетические показатели. Так, усилитель PA89 использует самое высокое питающее напряжение — 1200 В. А модель PA142 имеет самое высокое питающее напряжение среди монолитных схем — 350 В. Среди гибридных усилителей наибольшим выходным током в 50 А обладают модели PA50A и PA52A при питающем напряжении в 200 В. А усилитель PA45 имеет наибольший выходной ток 5 A среди монолитных схем.
Компоненты фирмы APEX давно зарекомендовали себя в разработках таких известных фирм, как Texas Instruments, Allegro MicroSystems, Kodak, и др. Многие производители полупроводников используют продукты APEX в системах тестирования и измерения.
Продукты фирмы APEX обеспечиваются полной технической документацией, примерами использования, комплектами для разработки, программами для расчетов параметров принципиальных схем и радиаторов, а также SPICE-моделями, что позволяет разработчику легко вводить новый прибор в разрабатываемую схему.
Рассмотрим основные виды продукции фирмы, их основные характеристики и области применения.
Линейные усилители
Наиболее развитой группой приборов являются операционные усилители, представленные 56 приборами. Как видно из диаграммы (рис. 1), фирма APEX выпускает уникальные по своим параметрам высоковольтные и сильноточные усилители.
К высоковольтным приборам можно отнести приборы с напряжением питания от 300 до 1200 B. Основные области их применения — это высоковольтная аппаратура:
• системы электростатического отклонения;
• электростатические преобразователи (трансдю-серы);
• программируемые источники питания;
• питание пьезоактюаторов (системы пьезоэлектрического позиционирования).
Рассмотрим подробнее микросхему РА89. Прибор РА89 является сверхвысоковольтным операционным усилителем с выходными полевыми транзисторами, спроектированным на выходной ток до 75 мА и выходным пиковым напряжением свыше 1000 В. Усилитель может использоваться со всеми видами нагрузок (при соответствующем подборе ограничивающего сопротивления), он не имеет ограничения по вторичному пробою. Благодаря применению кас-------www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 3'2004
Высоковольтные линейные усилители
250
200
<
Е
"¡Г 150 о
н
>х
50
1 РВ (2 50 РВ А) (1.. Г Т 58 РА 93 (8А) 5А) РА 92 (4А)
РА 08 РА 90 Р/ ° 1 < 1 21 85,РА 15,РА98
Р/ V88 Ра89
РА 83 Р/ 141,РА РА 94,РА 95 42,РА 144
РА 81J Ра84 PA82J Ра97
100 200 300 400 500
Общее питающее напряжение (В)
1200
Сильноточные линейные усилители
40
35
30
<
4 25
£
>х
0
1
I
20
15
10
5
о
РА50А КОМ Ра50 РА52А
РА 05 РА 03
W МР230
МР240
РА13А РА12А •
РА51РА51АРА61'РА12'РА 13 МР38 t
рА02, РА 16 РА 31 РА 73 Граюа РА 07 1
РА74А РА 19 РВ 51А РА 74/75/76 PA 75А РА 09 РВ 51 РВ50 РВ 58(300V)
РА 52
РА 04
РА 93 (400V)
РА 92 (400V)
Рис. 1
50 100 150
Общее питающее напряжение (В)
200
кадной выходной цепи достигнут коэффициент усиления 120 дБ (без обратной связи). Все внутренние смещения усилителя скомпенсированы источниками тока на зенеров-ских полевых транзисторах, что обеспечило широкий диапазон питающих напряжений и отличное подавление пульсаций питающего напряжения. Выходной каскад на полевых транзисторах работает в классе АВ. Большую гибкость применения обеспечивают внешние компенсирующие цепи. РА89 полностью протестирован по военному стандарту для очень длительного срока эксплуатации. Гибридная интегральная схема использует бериллиевую подложку (ВеО), что минимизирует размер и повышает производительность. Сваренные ультразвуком алюминиевые проводники обеспечивают надежное соединение для всего диапазона рабочей температуры. Микросхема имеет специальный герметичный корпус.
Типичным применением этой микросхемы является управление пьзопреобразовате-лями и пьезоэлементами (рис. 2). Оцените простоту применения!
При включении этого усилителя по мостовой схеме появляется возможность подавать на пьезоэлемент пиковое напряжение ±1000 В. Высокий коэффициент усиления -50 для А1 обеспечивает стабильность при емкостной нагрузке, а компенсирующие И и Сп при А2 — стабильность работы.
Предельно допустимые параметры РА89: напряжение питания ±1200 В, выходной ток (в области безопасной работы) 100 мА, рассеиваемая мощность без радиатора при 25 °С— 40 Вт, входное дифференциальное напряжение ±25 В, рабочий температурный диапазон -55...125 °С.
К сильноточным приборам относятся приборы, обеспечивающие выходной ток от 2 до 50 А. Основные их применения следующие:
• усилители-распределители видеосигналов;
• магнитные системы отклонения (в том числе высокоскоростные);
• системы накачки лазеров и мощных светодиодов;
• драйверы коаксиальных линий;
• драйверы линейных и роторных электродвигателей;
• управление различными исполнительными механизмами;
• программируемые источники питания;
• регуляторы мощности переменного и постоянного тока;
• сервоусилители постоянного тока;
• тестирующее оборудование в производстве полупроводников;
• схемы питания датчиков гидролокаторов (трансдьюсеров);
• промышленные аудиоусилители. Рассмотрим основные технические характеристики наиболее мощного усилителя PA52. Его рассеивающая способность без радиатора составляет 400 Вт! Максимальный ток — 40 А, при его пиковом значении в 80А! Максимальная скорость нарастания входного напряжения — 50 В/мкс.
Помимо рассмотренных верхних моделей операционных усилителей имеется большое количество других «средних» и менее дорогих моделей, которые могут быть эффективно использованы для подачи в нагрузку точного уровня энергии. Все приборы имеют широкий диапазон питающих напряжений и могут быть использованы в автомобилестроении, авиации и стандартной бытовой технике.
Еще одна категория линейных усилителей — это вспомогательные усилители (PB). Они предназначены для построения составных усилителей и для усиления малых сигналов от обычных операционных усилителей. Также фирмой выпускаются бескорпусные, более дешевые мощные усилители (MP), сдвоенный высоковольтный усилитель МА01 и 17канальный усилитель МА17.
Диапазон быстродействия выпускаемых усилителей составляет от 1,2 до 1000 В/мкс. Многие приборы оснащены цепями защиты по питанию и защитой от термических перегрузок.
Как известно, при мощностях потребления более 200 Вт вопросы рассеяния мощности становятся большой проблемой. Использование ШИМ-усилителей позволяет избежать проблемы с рассеиванием большого количества тепла, поскольку они обладают большим КПД и, следовательно, не потребляют так много мощности, как линейные усилители.
ШИМ-усилители
Теоретический КПД импульсных усилителей (класс D) составляет 100%. КПД ШИМ-усилителей, достигнутый фирмой APEX, составляет 95%. Фирма представляет более 14 разнообразных моделей ШИМ-усилите-лей, выполненных по гибридной технологии (рис. 3), начиная от SA50 (выходной ток 5 А при напряжении питания 80 В с полной отда-
50R
50R
Рис. 2
Компоненты и технологии, № 3'2004
40
ШИМ усилители
30
<
о
н
>х
о
X
ЕС
о
20
10
SA03 SA 13*
SA01 ( SA04 ^ SA14* SA08 SA18*
SA60 MSA240 SA12 SA06 SA16*
SA07 • MSA66 SA50 SA51
-#MSA260
о 100 200 300 400
Общее питающее напряжение (В) ‘Полумостовая конфигурация
500
Рис. 3
ваемой мощностью 400 Вт) до SA08 (выходной ток 20 А при напряжении питания 500 В с полной отдаваемой мощностью 10 кВт — и это при габаритных размерах 41x40x2,3 мм!).
К основным областям применения ШИМ-усилителей относятся:
• управление коллекторными электродвигателями;
• управление Пелетье-устройствами;
• питание катушек индуктивности;
• системы гашения вибрации;
• низкочастотные гидролокаторы;
• большие пьезоэлементы;
• управление импульсными сварочными аппаратами;
• высокоточные (высококачественные) аудиоусилители;
• активный магнитный пеленг.
Рассмотрим основные особенности ШИМ-
усилителя SA08. Его структурная схема и пример включения приведены на рис. 4. SA08 обладает выходным каскадом на биполярных
транзисторах с изолированным затвором (IGBT), большим диапазоном питающего напряжения 16-500 В, может отдавать в нагрузку 20 А при температуре корпуса 100 °С, имеет три схемы защиты, может синхронизироваться внешним и внутренним генератором, не требующим внешних элементов, прост в управлении частотой генератора ШИМ.
Входной каскад генератора делит частоту на 2, которая обеспечивает переключающую частоту в 22,5 кГц. Генератор может быть также использован для синхронизации других усилителей. Значение амплитуды и направления токов для каждой половины моста можно определить по выходам считывания токов (I SENSE A,B). Вход отключения (ISHDN) выключает все четыре транзистора H-моста. Схема ограничения тока защищает усилитель от короткого замыкания на источник тока или землю и дополнительно на нагрузку. Непосредственным измерением температуры кристалла выход H-моста IGBTs защищен от тер-
мических перегрузок. Герметичный 12-вы-водной корпус занимает всего 3 квадратных дюйма (18 см2) пространства печатной платы.
Аналогом этого прибора является усилитель SA18, единственным отличием которого является полумостовая выходная схема на IGBT-транзисторах.
Такими же по структурной организации, но рассчитанными на другие мощности, являются усилители SA06, SA16, S04, S14, S03, S13.
SA50, SA51 — более дешевые ШИМ-усили-тели, способные выдать в нагрузку до 5 А при однополярном напряжении питания 80 В, без встроенного ШИМ, с поддержкой управления крутящим моментом по 4-квадрант-ному принципу. К классу недорогих относится также усилитель SA60, способный обеспечить ток нагрузки в 10 А при питающем напряжении до 80 В. Модулирующая частота этого усилителя обеспечивается встроенным таймером (до 125 кГц) либо подается на соответствующий вход от внешнего генератора (до 250 кГц). Его выходной каскад выполнен на полевых транзисторах, соединенных по мостовой схеме.
SA01 отличается от остальных приборов наличием встроенного усилителя сигнала рассогласования при организации обратной связи для управления скоростью коллекторных двигателей.
Усилители SA07 и SA12 с мощностью 200 Вт и 3 кВт могут работать с частотой модуляции 500 и 200 кГц соответственно, что позволяет использовать их в высококачественной аудиоаппаратуре.
Контроллеры управления электроприводом
Новой линейкой компании APEX являются котроллеры управления бесколлекторны-ми двигателями постоянного тока. Фирмой выпускается три изделия данной категории (см. таблицу).
Контроллеры серии BC обладают 3-фазной мостовой схемой с 2- или 4-квадрантной
Компоненты и технологии, № 3'2004
Таблица
Наименование Питание двигателя, В Выходной ток, пост., А Мощность двигателя, max, Вт Напряжение управления, В Частота ШИМ, кГц
BC05 10-200 5A 950 10,8 до 16 50
BC10 10-100 10A 950 10,8 до 16 50
BC20 50-500 20A 4500 10,8 до 16 20
ШИМ и выбираемой с помощью встроенного логического блока коммутацией 60° или 120°. Контроллеры обеспечивают управление двигателем, генерацию ШИМ-сигнала, управление коммутацией, усиление рассогласования и контроль токового считывания обмотки двигателя. Токовый выход управления двигателем может использоваться для регулировки скорости вращения двигателя или для управления усилителем тока. При использовании контроллеров серии ВС для управления 3-фазными бесколлекторными двигателями требуется только соответствующее питание, аналоговые входы управления и обратная связь от датчика Холла. 4-квад-рантный режим возможен в системах с открытой и закрытой обратной связью, а также 2-квадрантное функционирование с управлением направления движения [2].
Средства разработки
Для разработки и проектирования схем фирма предоставляет: программное обеспечение для расчетов PowerDesigner, 8Р1СЕ-мо-
дели для известного пакета схемотехнического моделирования, наборы для разработки (evolution kits), также предоставлены полная техническая документация на все приборы, библиотека типичных применений и материалы технического семинара. Все это, кроме наборов для разработчика, предоставляется бесплатно и находится на сайте производителя или на русскоязычном зеркале сайта (см. источники).
Средство проектирования Power Design представляет собой макрос для пакета MS Excel и предназначено для расчета уровней мощности, стабильности схемы и расчета фильтров. Power Design содержит таблицы по выбору тока и частотных требований исходя из параметров напряжения. Новое дополнение к Power Design — Inductor Design, предназначенное для расчета индуктивностей. Дополнительно Power Design производит анализ компонентов ШИМ-фильтров и основной расчет паразитных явлений для них. Кроме того, имеются таблицы по выбору радиаторов исходя из условий температурного сопротивления и применяемого
корпуса, что помогает провести верный расчет охлаждения.
Заключение
Фирма APEX разработала уникальные по своим параметрам интегральные и гибридные сверхмощные усилители. Необходимо отметить высокую надежность компонентов фирмы APEX. Это достигнуто благодаря тому, что инженеры APEX используют одну и ту же разработку для военного и коммерческого исполнения и оба типа устройств выпускаются на одних и тех же производственных линиях.
Применение компонентов фирмы APEX позволит разработчикам: значительно сократить время на разработку, значительно повысить надежность разработки, снизить стоимость проекта в целом и найти решение, которое было нереализуемо по причине его дороговизны в дискретном исполнении или просто невозможно по техническим причинам. МИ
Литература
1. Сайт компании APEX: www.apexmicrotech. com.
2. Русскоязычное зеркало сайта фирмы APEX: www.apexmicrotech.ru.
3. Техническая документация (data sheet PA89: pa89u.pdf).
4. www.icquest.ru.
