CC BY
67Компоненты и технологии, № 8'2004
«Ниша» с высоким напряжением
Компоненты Supertex с рабочим напряжением до 450 В
Успешное развитие предприятия, занимающегося разработкой и производством полупроводниковых компонентов, определяется количеством вложенных средств в научно-исследовательские работы (чем больше, тем лучше). Но большие средства — это возможности для крупных «акул». Для тех, кто помельче, такой способ не совсем и не всегда подходит. И чтобы выжить в жесткой конкурентной борьбе, надо искать иные решения. Одно из них — найти незанятую нишу на рынке или создать свою.
Фирма Supertex пошла именно по этому пути.
Николай Ракович
info@premier-electric,com
Ос
сновное направление деятельности Supertex— разработка полупроводниковых приборов для работы при высоких входных напряжениях (типовое значение — 450 В). Концентрация усилий и средств в этом сегменте позволила компании создать компоненты с новыми свойствами (высоковольтные стабилизаторы на малые выходные напряжения, контроллеры для источников питания с «горячей» заменой, «гибкие» ключи и т. д.), которые находят применение при производстве различных типов дисплеев (от жидкокристаллических до плазменных), источников питания различной мощности (импульсные и линейные), в миниатюрных электромеханических системах (MEMS), в телефонии, в медицине (аппараты ультразвукового сканирования), в бытовой технике (стиральные машины, плиты), в промышленных системах управления, системах управления освещением (перечень очень скромный).
Первыми принимают на себя высокое напряжение предохранители. Однако время безраздельного господства плавких вставок закончилось, и не только из-за постоянного уменьшения размеров электронных устройств (которые по размерам уже сопоставимы с предохранителями и их крепежом), но и из-за разброса срабатывания, однократности использования и ненадежности (по закону Мэрфи схема, защищенная быстродействующим плавким предохранителем, перегорит первой и защитит быстродействующий плавкий предохранитель). Одно из решений этой проблемы — применение полевых транзисторов в качестве восстанавливаемых предохранителей. DMOS-транзисторы, изготовленные на основе технологии Supertex, помогают решать проблему защиты с заданным порогом срабатывания по току и по напряжению.
Компания Supertex ориентирована на узкий сектор рынка полупроводниковых компонентов и поэтому выпускает DMOS-транзисторы трех типов.
• n-канальные полевые транзисторы, работающие
в режиме обогащения, с состоянием «отключен»
при напряжении затвор-исток У = 0 В (нормально отключен) и состоянием «включен» при У^ = 10 В. Напряжение исток-сток этих транзисторов — от 15 до 600 В, сопротивление в открытом состоянии колеблется от 0,3 до 60 Ом (при 600 В сопротивление равно 20 Ом), а входная емкость составляет 35-150 пФ.
• р-канальные полевые транзисторы, работающие в режиме обогащения, с состоянием «отключен» при напряжении затвор-исток У = 0 В (нормально отключен) и состоянием «включен» при У^. = -10 В. Для этих транзисторов напряжение исток-сток находится в диапазоне от -16 до -500 В, сопротивление в открытом состоянии — от 0,6 до 125 Ом (при 500 В сопротивление равно 30 Ом), входная емкость — от 40 до 200 пФ. Транзисторы, работающие в режиме обогащения, подразделяются на Т-серию и У-серию, которые различаются пороговым напряжением:
n-канал p-канал 1
V-серия 2,4,,,4,0 В -3,5,,,-4,5 В
T-серия 1,0,,,2,0 В -1,0,,,-2,4 В
• п-канальные полевые транзисторы, работающие в режиме обеднения, с состоянием «включен» при напряжении затвор-исток У = 0 В (нормально включен) и состоянием «отключен» при У^ = -10 В. Напряжение исток-сток этих транзисторов — от 250 до 500 В, сопротивление в открытом состоянии — от 6 Ом (600 В) до 1000 Ом (500 В для транзисторной сборки ЬЫБ150/250). Различные варианты корпусов (ТО-92 0,7 Вт; ТО-39 1,0 Вт; 8ОТ-89 1,6 Вт; 8ОТ-23 0,36 Вт; Б-Рак 2,5 Вт, 8О-8 1,3 Вт), высокое быстродействие, малая входная емкость при высоком (относительно) сопротивлении открытого транзистора и низкое пороговое напряжение — это то, что позволяет полевым транзисторам 8иреі!ех успешно выдерживать конкуренцию в конкретных приложениях: измерительные приборы, системы сбора данных, промышленные счетчики, телефония, средства неразрушающего контроля, источники питания.
Компоненты и технологии, № 8'2004
Measurement
Instrument
1Ж1
a
DN2530N8 Rs DN2530N8 Measurement
Probes
Рис. 1. Применение ЭМОБ-транзисторов Бирег1ех в измерительных приборах в качестве ограничителя тока
О-
+250 В
Рис. 5. Применение ЭМОБ-транзисторов Бирег1ех в усилителе с питанием 250 В
13,6В
Battery
>-
-И-1
DN3525N8
П10 кОм
18В
-I
Measurement Circuit 12 Bat 180 mA
Рис. 2. Применение ЭМОБ-транзисторов Бupertex при защите от помех при работе от бортовой сети
Использование двух полевых транзисто- При работе электроники от бортовой сети ров БШ530Ы8 как двунаправленного огра- (12 или 24 В) нет необходимости в компонен-
ничителя тока позволяет решить проблему тах, рассчитанных на высокие напряжения.
защиты тестера для проверки кабеля от вы- Но это только на первый взгляд: подключение
сокого напряжения (всякое бывает) (рис. 1). или отключение мощной нагрузки (часто ин-
дуктивной и емкостной) приводит к появлению скачков напряжения (на нагрузке 35 А появляются выбросы напряжения различной амплитуды и длительности: 26 В длительностью до 5 минут, 106 В — до 180 мс и -90 В — до 20 мс). Кроме того, свою лепту вносит и генератор с его высоковольтными выбросами. Обычно при защите от таких выбросов при переходных процессах применяют помехоподавляющие фильтры-ограничители, размеры которых порой не только сопоставимы с защищаемой системой, но и превышают ее. Применив Б№525Ш, можно получить компактное и надежное решение этой проблемы (схема на рис. 2).
После предохранителя и входного фильтра входное напряжение питания поступает на блок питания (импульсный или линейный). Для ШИМ-источников питания низкая входная емкость полевых транзисторов вирейжх является определяющей, поскольку позволяет значительно снизить потери при переключении (пример на рис. 3 — ОСЮС-преобразователь).
В завершение краткого обзора применения полевых транзисторов приведем две схемы на дискретных элементах: генератора синусоидального сигнала и усилителя с питанием ±250 В (рис. 4 и 5 соответственно), которые применяются в миниатюрных электромеханических системах. Основные требования к используемым в них транзисторам — высокое рабочее напряжение и минимальные размеры.
Следующие направления, в которых находят применение приборы 8ирег1ех, — системы управления на производстве, бытовая техника (стиральные машины, электроплиты), источники питания, системы управления освещением, системы управления «умный дом» и т. п., поскольку вся эта техника работает от электросети (220 или 380 В переменного тока дома и на работе). Во всей этой технике используются линейные стабилизаторы и схемы запуска (блоки питания), автономные без-трансформаторные стабилизаторы и драйверы реле (исполнительные механизмы).
Семейство линейных стабилизаторов и схем запуска ЬИххх разработано для запуска импульсных источников питания при подаче напряжения с последующим переходом в режим ожидания (рис. 6). Это связано с тем, что для запуска ШИМ-контроллера необходимо подать низкое напряжение, которое затем поступает
Компоненты и технологии, № 8'2004
15-450 В
LR645
юв
V
The LR645 may also be used as a stend-alone linear regulator.
V
V
X-
X-
PWM
~ї~
Рис. 6. Применение ИС серии И^ххх в качестве схемы запуска импульсного источника питания (на примере 1.1^645) Таблица 1. Основные параметры семейства И?ххх
Применение Входное напряжение, В Выходное напряжение, В Погрешность, % Ток нагрузки, мА
LR645 Стабилизатор/схема запуска 15-450 10 7 3
LR745 Схема запуска 25-450 21,4 12 2
LR8 Стабилизатор/схема запуска 13,2-450 1,2-438 5 10
уже непосредственно от источника питания. Основные параметры приведены в таблице 1.
Применение ЬИ645 с фиксированным выходным напряжением позволяет обойтись почти без внешних элементов, а вариант исполнения 80-8 с регулируемым выходом от 8 до 12 В дает возможность работать с ШИМ-контроллерами разных типов. ИС ЬИ745 с автоматическим отключением разработана для ШИМ-контроллеров с высоким напряжением запуска.
Особенность трехвыводной ЬИ8 — при использовании в качестве линейного стабилизатора она формирует выходное напряжение от 1,2 до 438 В при входном напряжении 450 В (напряжение на входе превышает максимальное выходное напряжение на 10 В) (схема включения на рис. 7).
ЬИ8К4 в корпусе Б-Рак рассеивает мощность до 2,5 Вт и, таким образом, повышает надежность ИС. К этому надо добавить температурную защиту и защиту по току
(для всех ЬИ8). Ток нагрузки определяется как Р/(Увх - Увых), где Р = 2,5 Вт для корпуса Б-Рак, 1,6 Вт — для 80Т-89 и 0,74 Вт — для Т0-92. Дополнительные функции ЬИ8 — драйвер светодиодов (рис. 8), причем число светодиодов определяется входным напряжением и рассеиваемой мощностью ИС, а также зарядное устройство для никель-кадмиевых аккумуляторов (схема включения аналогична).
В тех случаях, когда вам необходим источник питания, но нет возможности установить ни трансформатор, ни дроссель, ни высоковольтные входные конденсаторы, можно решить эту проблему использованием контроллеров 8И036/8И037. Для работы этих ИС требуется только выпрямленное напряжение 120 или 230 В переменного тока (без всяких фильтров!) (рис. 9). 8И036/8И037 управляет внешним п-канальным М08РБТ-и ЮВТ-транзисторами. Если на выводе НУ1К напряжение меньше 45 В, то внешний транзистор открывается и заряжает конденсатор, подключенный к выводу У50игсе. При напряжении на НУЮ выше 45 В транзистор отключается (максимальное напряжение на затворе +24 В). Нестабилизированное напряжение на выводе У50игсе составляет 18 В, а стабилизированное на выводе У0ит — 3,3 В для 8И036 и 5 В для 8И037.
Идея, на которой основан принцип работы контроллеров 8И03х, достаточно проста: управление углом отсечки внешнего М08БЕТ-и ЮВТ-транзистора (рис. 10). Когда выпрямленное входное напряжение снижается ниже порога УтН, то транзистор открывается, а закрывается он при напряжении на входе выше НУ^да). Нерегулируемое напряжение Уипгеё снижается, когда выходной транзистор отключен и когда входное напряжение становится ниже выходного. Величина этого сни-
Компоненты и технологии, № 8'2004
Нерегулируемое
П редохра н ител ь
120VAC/-4
ог ГО
230VACV-y
7
О
$
GN2470 Нерегулируемое напряжение
~Х
і
"ТГ^о
MF
220 fjF “Г
7 ^
SR036 or SR037
Source Vqut
V
“° Vreg
Фі MF
V
Рис. 13. БЮ3х как драйвер линейки светодиодов при напряжении питания 120 или 230 В переменного тока
330 Ом
о
330 Ом
V|N Ь
VIN
е-
VDD.
VREF.
H/D
^сс <
-VCC,
FB,
Int
HV9901
Vref
PWM
Aux
TL
SYNC
GT
cs
9
-o SYNC
RT
POL
ЧХ
ENI
-O Enable polarity
-O Enable
ENO
Рис. 14. Типовая схема включения универсального драйвера реле HV9901
VpD-<
Рис. 15. Блок-схема и типовая схема включения HV9910
жения зависит от нагрузки и от емкости конденсатора С1.
Примеры использования SR03х приведены на рис. 11-13.
Универсальный драйвер реле HV9901 выполнен по технологии BiCMOS/DMOS с использованием ШИМ и предназначен для эффективной работы с низковольтными реле в диапазоне входных напряжений от 10 до 450 В постоянного тока (с использованием индуктивности катушки самого реле). Для работы в таком широком диапазоне напряжений не нужны никакие дополнительные внешние элементы, причем пользователь может использовать 5-вольтовые реле при входных напряжениях от 10 В до 450 В постоянного тока или до 240 В переменного тока (рис. 14).
Схема ШИМ-регулятора, входящая в состав драйвера, работает от встроенного высоковольтного стабилизатора. Дополнительный регулируемый стабилизатор с нагрузочной способностью до 1 мА предназначен для питания микроконтроллеров с низким потреблением. Ток срабатывания реле, время втягивания и ток удержания задаются всего двумя резисторами и конденсатором. Частота ШИМ-регуля-тора может синхронизироваться от внешнего генератора или от другого HV9901, у которого выше собственная частота.
Подключение и отключение реле производится через логический вход ENI, выбор полярности — через вход POL. Низкочастотный шум устраняется благодаря использованию частоты переключения выше 20 кГц.
Драйверы светодиодных индикаторов. Лидер линейки драйверов светодиодных индикаторов (LED) — HV9910. Эта ИС предназначена для работы со светодиодами высокой яркости (HB LED) и входным напряжением от 8 до 450 В постоянного тока (85-265 В выпрямленного переменного напряжения) (рис. 15), но может использо-
Компоненты и технологии, № 8'2004
Компоненты
12VDC to 400VDC or
65VAC to 280VAC
1 N4007 П1 П9
D4 D3
Cl
0,047pF
400V
R1
8M
Q
R2
100k
C2 ImF =
to
6,8и F
D5 D 6
MURS160 MURS160
L2
15uH
-Kb
C3 —1— 0,033pF
=r= D7
U1
+Vin GATE Von NS
HV9906 Vdd PS
AGND PGND
-Kb
C4 -L-
MURS160 I °Ptional '
Ml
IRFBC=30AF
R3
900k
-db
R4
300k
-CD-
Рис. 16. Схема включения HV99G6
V
NPN Bipolar Transistor Array or Matched 2N2222
__________________________Л_____________________________
Q1
Q2
Q3
Q25
-- ІРП.1 —1— І РП.1 -Г-
Negative Voltage
wA led-1
Row 1
LED-9 Row 1
R5
100 I
LED-1 ті ^ LED-1
Row 2 ^ Row3
А ^20mA і у 20mA
LED-9 -і ІГ LED-9
Row 2 *4 Д Row3
LED-10 - -LED-10
Row 2 XZ Д Row3
7V LED-1 Row 25
j^20mA
LED-9 Row 25
LED-10 Row 25
-DD
D
sw
TT
г
OVP
SHDN6
Г
Q
HV9903
Рис. 17. Блок-схема и схема включения драйвера HV99G3
LED
Iled~
22,5V
Rset
ваться и в источниках постоянного тока, зарядных устройствах, в автомобилях и т. д. НУ9910 эффективно управляет внешним полевым транзистором (МОЗБЕТ) с частотой переключения до 300 кГц, причем частота задается только одним резистором (нет необходимости в трансформаторе и электролитическом конденсаторе на выходе диодного моста или в импульсном источнике питания). Линейка светодиодов управляется постоянным током, а не напряжением, чем обеспечивается постоянная яркость и повышенная надежность. При производстве НУ9910 используется процесс жесткой высоковольтной изоляции перехода, позволяющий работать ИС со входным напряжением до 450 В. Ток линейки светодиодов задается подачей внешнего управляющего напряжения на вход управления ЬБ НУ9910 и может изменяться от нуля до максимального значения. Возможна подача и ШИМ-сигнала управления на вход PWM_D со скважностью 0-100% и частотой до нескольких килогерц.
Следующим по диапазону входного напряжения (но не по функциональным возможностям) является HV9906 FlexSwitch™ (схема включения — на рис. 16). Эта ИС полностью оправдывает свое рекламное имя «гибкий ключ», поскольку на ее основе можно разрабатывать не только драйверы светодиодов и системы подсветки для ЖК-дисплеев, но и системы уличного освещения, светофоры и т. п. (количество подключаемых
LED, включая светодиоды с белым свечением — от одного до нескольких сотен!). Кроме того, HV9906 можно использовать в зарядных устройствах, импульсных источниках «для дома, для семьи», в системах коррекции коэффициента мощности, источниках постоянного напряжения или тока. Все это возможно благодаря тому, что в состав этой ИС входят все компоненты, необходимые для работы непосредственно от выпрямленного переменного напряжения 65-280 В или постоянного 12-400 В. Цепь обратной связи позволяет забыть о фильтрах и элементах компенсации.
Ток нагрузки можно задавать в пределах от 1 мА до нескольких ампер для разных уровней входного напряжения без изменения задающих элементов. Например, преобразователь на базе HV9906, настроенный на выходное напряжение 60 В постоянного тока, может работать и от 12 В постоянного тока, и от 265 В выпрямленного переменного тока.
Для управления светодиодами белого свечения (интенсивность излучения которых пропорциональна протекающему через них току) Supertex выпускает драйвер HV9903, представляющий собой повышающий преобразователь DC/DC постоянной частоты с КПД до 85% (рис. 17). Диапазон входного напряжения рассчитан на портативные устройства и составляет 2,6-4,6 В (не совсем высокое напряжение), но работа возможна и от 1,8 В. Для нормального функционирования необходим дроссель и минимум внешних элементов. Поскольку внутренний генератор работает на частоте 1,2 МГц, то это позволяет использовать дроссели с небольшой индуктивностью. Ток через светодиоды
Таблица 2. Высоковольтные аналоговые ключи серии ИУ2ххх
Обозначение Число выходов (каналов) Напряжение питания, В Напряжение аналогового сигнала,В Ток переключения, А Сопротивление ключа, Ом Нагрузочные резисторы
HV20220 8 200 180 ±2 24 -
HV20320 8 200 180 ±2 24 -
HV20720 8 200 180 ±2 27 -
HV20822 16 220 200 ±2 22 -
HV209 12 200 180 ±2 24 +
HV214 8 250 230 ±2 36 -
HV232 8 200 180 ±2 24 +
HV238 16 220 200 ±2 22 +
Компоненты и технологии, № 8'2004
Высоковольтные І Іьезо-ключи излучатели
Схема управления и обработки сигнала
Передатчик В_П
нтх' -90В U
Приемник
Схема защиты от высокого напряжения
-Н-"
-И-"
Hoh'
ЧпН
" Изображение
Рис. 18. Принцип работы системы ультразвукового сканирования (передача сигнала сканирования)
Схема управления и обработки сигнала
Передатчик
§1
Приемник
+90 В
-90 В
Высоко-
вольтные
Пьезо-
ключи излучатели
Схема
защиты
От ВЫСОКОГО напряжения
lT
Передатчик
+90 -90 В
'л-
<■
Приемник
Схема защиты ОТ высокого напряжения
і г'*
~М~*
~М~*
1 1 1 Г-*Ъ— пир і 1 1
~W~*
Ml
~w~*
“ILIp
((«
Отраженный
сигнал
Изображение
Рис. 19. Принцип работы системы ультразвукового сканирования (прием отраженного сигнала)
(до шести штук) задается внешним резистором между выводами К5е1 и GND в диапазоне от 5 до 40 мА. Ток можно также регулировать изменением напряжения или ШИМ-сигна-лом, подаваемым на вывод И5е(. Минимизация броска тока при включении не более 30% от рабочего достигается встроенным «мягким» запуском.
Характерным примером использования ИС и полевых транзисторов Supertex являются медицинские системы ультразвукового сканирования. Принцип работы таких систем основан на облучении человека акустическими волнами частотой от 1 до 1З МГц с последующим построением изображения органов человека по отраженному сигналу
е-
(рис. 18-19). Получение «живого» изображения в реальном времени и безопасность пациента и обслуживающего персонала (это не рентген!) — важные преимущества таких систем.
При создании систем ультразвукового сканирования одной из сложных задач является формирование высоковольтных импульсов сканирования (генератор и усилитель рассматривались выше) и защита приемника во время передачи такого импульса. Решение такой задачи значительно упрощается благодаря использованию полевых транзисторов ТШ524Ш, ТР2520Ш, ТЫ5325Ы8 и т. д. (передача импульсов), а также аналоговых ключей серии НУ2ххх (защита приемных цепей).
Каждый прибор этой серии (табл. 2) представляет собой набор высоковольтных аналоговых ключей на несколько каналов входа-выхода (от 8 до 16). Эти ключи разработаны специально для применения в тех случаях, когда необходимо переключение высокого напряжения низковольтным сигналом управления.
Входные последовательные данные поступают в 8-разрядный сдвиговый регистр, а затем заносятся в 8-разрядный регистр-защелку (рис. 20). Для снижения уровня помех от тактовых импульсов сигнал на входе разрешения регистра-защелки должен оставаться высоким до окончания тактирования всех битов, которое выполняется по спаду тактовых импульсов. Сформированный после преобразователя уровня сигнал управления подается непосредственно на ключ.
Технология НУСМО8 позволяет соединить высоковольтные двунаправленные ключи БМО8 и экономичную КМОП-логику управления.
Наиболее популярны ключи НУ20220 и НУ20320 (аналог НУ20220 с дифференциальным выходом). НУ232 представляет собой НУ20220 со встроенными нагрузочными резисторами. Реализация декодера вместо регистра сдвига позволяет отказаться от тактирования и превращает НУ20220 в НУ20720; версия ключа НУ20220, работающая на 250 В, обозначается как НУ214.
