Токовые ШИМ–контроллеры фирмы Unitrode products (Texas instruments Inc. ) Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 1'2003

Токовые ШИМ-контроллеры

фирмы Unitrode Products (Texas Instruments Inc.)

Как это не покажется странным, но некоторым разработчикам такие микросхемы неизвестны. На вопрос, заданный знакомым инженерам: «А что значит "токовые"?» — самым внятным был совет почитать datasheet. Я так и сделал. Созданные для построения источников питания, токовые ШИМ годятся и для применения в различных системах автоматики, регуляторах и даже в детских игрушках. По крайней мере, мой интерес к ним возник именно на этой почве.

Юрий Ермаков

[email protected]

Сочетание низкой стоимости и интересного схемотехнического решения позволяет использовать их при каждом удобном случае. Кстати, о стоимости. иС 2843 стоит около 19 рублей в розницу, иС 2844 — 26, ИС 3843 — 14-16, ИС 3845 — 16-20.

Что же это за «зверушки»? Семейство микросхем ИС1842/3/4/5, ИС2842/3/4/5, ИС3842/3/4/5 — по сути, один и тот же кристалл, приспособленный для работы в различных температурных диапазонах, при различных порогах включения-выключения, с раздельными или совместными выводами выходного каскада и питания и разным максимальным рабочим циклом.

Каждый прибор имеет несколько исполнений. На вариант исполнения указывает буква после цифр

DIL-8, SOIC-8 (вид сверху) Модификации N.J или D8

Комп. S1 Г) — 8 Выход 5,0 В 50 мА

иос 2 ■ Т) +u„„

Токовый сенсор [¡3~|| ~~в) Выход

FVCT ДГН___] 5 Общ.

Рис. 1

(рис. 1-3). В вариантах N, J и D8 (рис. 1) используется 8-выводной корпус DIP или SOIC. При этом коллектор верхнего транзистора выходного тотемного n-p-n-каскада соединен с плюсовым выводом питания, а эмиттер нижнего транзистора выходного каскада — с «земляным» выводом. В вариантах D, W (корпуса SOIC-14, CFP-14) (рис. 2) и Q (корпус PLCC-20D) (рис. 3) коллектор верхнего транзистора выходного тотемного каскада и эмиттер нижнего транзистора выходного каскада имеют собственные

CFP-14, SOIC-14 (вид сверху)

Модификации D или W

Комп. [l3Z о 35? Выход 5,0 В 50 мА

Не подключен ij 2 13) Не подключен

Uoc (Г ^ +ип„

Не подключен tj 4 11 ¡] + Вых. каск.

Токовый сенсор tj 5 10 Выход

Не подключен [|б В) Общ.

fVCT ¿TL 8 Общ. вых. каск.

Рис. 2

Таблица 1. Семейство микросхем UC1842/3/4/5, UC2842/3/4/5, UC3842/3/4/5

Тип прибора Температурный диапазон,°С Напряжение включения-выключения, В Максимальный рабочий цикл, %

UC1842 -55... +125 16/10 100

UC1843 -55... +125 8,4/7,6 100

UC1844 -55... +125 16/10 50

UC1845 -55... +125 8,4/7,6 50

UC2842 5 ОО + о - 16/10 100

UC2843 -40... +85 8,4/7,6 100

UC2844 -40... +85 16/10 50

UC2845 -40... +85 8,4/7,6 50

UC3842 0... +70 16/10 100

UC3843 0... +70 8,4/7,6 100

UC3844 0... +70 16/10 50

UC3845 0... +70 8,4/7,6 50

PLCC-20D (вид сверху) модификация Q

3 2 1 20 19

9 10 11 12 13

Рис. 3

Назначение выводов

1 Не подключен

2 комп.

3 не подключен

4 не подключен

5 и,«

6 не подключен

7 токовый сенсор

8 не подключен

9 не подключен

10 ^ст

11 не подключен

12 общ. вых. каск.

13 общий

14 не подключен

15 выход

16 не подключен 17+ вых. каск.

18 +итт

19 не подключен

20 выход 5,0 В 50 мА

-Q-

Компоненты и технологии, № 1'2003

Блок-схема модификаций N. и, Р8

+и„

Ш-

Общ.

^3

Г

в/І? и„5В

2,5 В,

Выход 5,0 В 50 мА

-ш

1 . Напряжение Внутреннее

і лог. 1 I смещение

Токовый сенсор

ЕЮ

* присутствует только в ІІСХ844 и ІІСХ845 Рис. 4

Компаратор

токового

сенсора

+ипкг

Г12Т-

34 ВЖ

Общ.

СЕ—|—

Блок-схема модификаций У\1, О, О.

в/іг и„„5 В

2\

2,5 В,

1 Напряжение Внутреннее

лог. 1 I смещение

Выход 5,0 В 50 мА

------ЇШ

+ вых. каск.

г-—гтп

Токовый сенсор

* присутствует только в ІІСХ844 и иСХ845 Рис. 5

Компаратор

токового

сенсора

Шим- °бЩ- вых- каск. модулятор

+ипит.

-■-Й-

Блок защитного отключения

ІПОТ.

,—і/

Команда

включения/выключения питания схемы

ІІСХ842 1ХХ844 1ЮХ843 ІІСХ845

ивкл 16 в 8,4 в

Увыкл 10 в 7,6 в

М/

Увыкл Увкл

----►

+ипит.

Рис. 6

выводы. Вот, в принципе, и весь спектр отличий приборов внутри семейства.

Рассмотрим блок-схемы базовых кристаллов, изображенные на рис. 4 и 5. Рис. 4 — для 8-выводного корпуса, а рис. 5 — для 14- и 20-выводного корпуса.

Микросхемы содержат блок защитного выключения при снижении напряжения питания.

Блок состоит из триггера Шмитта, имеющего дифференциальные входы, и источника опорного напряжения. С помощью RS-триггера этот блок управляет общим источником опорного напряжения 5 В. Этот источник имеет собственный вывод и обеспечивает ток до 50 мА. В режиме короткого замыкания он способен выдать ток до 100 мА. Пороги срабатыва-

ния блока защитного выключения приведены в таблице 1. Кстати, определение «токовые», эти ШИМ-контроллеры получили именно из-за этого самого блока защитного отключения (рис. 6). Микросхемы начинают работать при токе потребления около 1 мА и допускают питание от источника высокого напряжения через цепочку резисторов, главное, чтобы обеспечивался диапазон рабочих токов и напряжений по выводам питания. Для этой цели между плюсовой и «земляной» ножкой включен стабилитрон с напряжением пробоя 34 В. Кроме блока защитного отключения на кристалле выполнена схема внутреннего смещения и схема питания логики. Ну и конечно же, непременная часть подобных устройств — генератор импульсов. Он имеет один вывод для подключения времязадающей RC-цепи (рис. 7). На минимальную частоту никаких ограничений не указано. Максимальная же частота генератора установлена в 500 кГц. Частота генератора приблизительно рассчитывается по формуле:

f = 1,72

1 КтСт

Выражение справедливо для Rт > 5 кОм. Подключение времязадающей RC-цепочки и графики зависимости рабочего цикла от емкости конденсатора и частоты от сопротивления резистора и емкости конденсатора показаны на рис. 7. На кристалле имеется усилитель

е

Компоненты и технологии, № 1'2003

Схема токового сенсора

Максимальный ток ключа 18 вычисляется по формуле 1втах=

Небольшой RC-фильтp необходим для подавления выбросов, возникающих при работе мощного ключа

Рис. 9

_1,0 в

|%5

ошибки (рис. 8), неинвертирующий вход которого «сидит» на внутреннем источнике напряжения 2,5 В, а инвертирующий вход имеет собственный вывод, служащий входом обратной связи. Выход этого усилителя соединяется с выводом 1 и через цепочку сдвига уровня с инвертирующим входом компаратора ограничения тока. Неинвертирующий вход компаратора ограничения тока выведен на отдельный вывод и служит для подключения к внешнему токоизмерительному резистору (рис. 9), через который течет ток нагрузки. Номинал этого резистора и, соответственно, падение напряжения на нем и определяет предельный ток, текущий через мощный внешний ключ, которым управляет контроллер. Другие устройства на кристалле — это RS-защелка и логика. Вместе они обеспечивают модуляцию ширины импульса в зависимости от напряжения усилителя ошибки и сигнала токового компаратора. Кроме того, в микросхемах иС Х844/5 присутствует Т-триггер, который обеспечивает максимальную скважность 50%.

И последнее — тотемный выходной каскад. Он состоит из двух п-р-п-транзисторов. Максимальный ток выходного каскада — ±1 А. Такой выходной каскад может обеспечить нормальную работу мощного МОП-транзистора на приличной частоте, если микросхемы применяются в преобразователе напряжения либо непосредственно коммутировать нагрузку. Если эти транзисторы выполнены в 8-выводном корпусе, то они подключены к выводам питания, а если в 14-20-выводном, то, как было сказано выше, питание каскада имеет отдельные выводы. Подобное подключение обеспечивает большую гибкость в применении.

Микросхемы можно дистанционно включать и выключать. Специальных выводов для этого не предусмотрено, но, учитывая внутреннее устройство микросхемы, реализовать эту функцию можно двумя способами (рис. 10). Первый способ заключается в подаче на 3 (8-выводной корпус), 5 (14-выводной корпус) или 7 (20-выводной корпус) вывод напряжения выше 1 В. Второй способ — опустить напряжение на 1 (8- и 14-выводной корпус) или 2 (20-выводной корпус) выводе к уровню «земли» на величину напряжения пары диодов или транзистора. Эти методы переводят токовый компаратор в выключенное состояние, что вызывает сброс выходной защелки. Сигнал с защелки является доминиру-

ющим на логическом элементе и проходит на выходной каскад, открывая нижний транзистор и закрывая верхний. Таким образом, на выходе микросхемы появляется напряжение низкого уровня. Состояние выхода не изменится, пока на этих входах в первом случае — напряжение не опустится ниже порога срабатывания токового компаратора, во втором случае — не перестанет шунтировать вы-

ход усилителя ошибки. Показанный на рис. 6 первый способ годится для включения и выключения источника питания. Ведь тиристор будет открыт до тех пор, пока напряжение не уменьшится до нуля, а при новом включении все будет работать по-прежнему. Следует отметить, что оба способа предложены фирмой-изготовителем.

Предельно допустимые параметры:

Таблица 2. Электрические параметры контроллеров УС1842/3/4/5, УС2842/3/4/5, УС3842/3/4/5

Параметр Условия измерения UC1842/3/4/5, UC2842/3/4/5 UC3842/3/4/5 Ед.

мин. тип. макс. мин. тип. макс.

Источник опорного напряжения:

выходное напряжение V 25 °С, 1„х= 1 мА 4,95 5,00 5,05 4,90 5,00 5,10 В

нестабильность выхода 12 < ипит < 25 В 6 20 6 20 мВ

нестабильность по току 1 < и < 20 мА 6 25 6 25 мВ

температурная нестабильность 0,2 0,4 0,2 0,4 мВ/°С

разброс выходного напряжения 4,9 5,1 4,82 5,18 В

ток при замыкании выхода -30 -100 -180 -30 -100 -180 мА

| Тактовый генератор:

разброс частоты V 25 °С 47 52 57 47 52 57 кГц

нестабильность по напряжению 12 < ипит < 25 В 0,2 1 0,2 1 %

температурная нестабильность Т < Т < Т ‘мин — 1 окр — ‘макс 5 5 %

амплитуда вывод 4 (8-выводной корпус) 1,7 1,7 В

| Схема усилителя ошибки:

входное напряжение ивыв.1 = 2,5 В 2, 45 2,50 2,55 2,42 2,50 2,58 В

входной ток -0,3 -1 -0,3 -0,2 мкА

частота ед. усиления V 25 °С 0,7 1 0,7 1 МГц

ОСС 12 < ипит < 25 В 60 70 60 70 СІВ

выходной втекающий ток ивыв.2 = 2,7 В, ивыв1 = 1,1 В 2 6 2 6 мА

выходной вытекающий ток и.,,.2 = 2,3 В, ивыв1 = 5 В -0,5 -0,8 -0,5 -0,8 мА

Увых. макс. ивыв 2 = 2,3 В, ІЇІ. = 15 кОм на зем. 5 6 5 6 В

Увых. мин. ивыв.2 = 2,7 В, ІЇІ. = 15 кОм на выв. 8 0,7 1,1 0,7 1,1 В

| Схема токового сенсора:

крутизна характеристики ивыв.2 = 0, формула ниже 2,85 3 3,15 2,85 3 3,15 В/В

макс. входной сигнал ивыв1 = 5 В, ивыв.2 = 0 В 0,9 1 1,1 0,9 1 1,1 В

ОСС 12 < ипит < 25 В, ивыв.2 = 0 В 70 70 СВ

входной ток -2 -10 -2 -10 мкА

задержка сигнала ивыв.3 = 0-2 В 150 300 150 300 нс

| Выходной каскад:

падение напряжения !Вых = 20 мА 0,1 0,4 0,1 0,4 В

на нижнем транзисторе 1,ых = 200 мА 1,5 2,2 1,5 2,2 В

падение напряжения на верхнем !Вых = 20 мА 13 13,5 13 13,5 В

транзисторе !,ых = 200 мА 12 13,5 12 13,5 В

время переключения низ/верх Ткр = 25 °С, СІ. = 1 нФ 50 150 50 150 нс

время переключения верх/низ Ткр = 25 °С, СІ. = 1 нФ 50 150 50 150 нс

| ШИМ-модулятор:

максимальная скважность иСХ842/3 95 97 100 95 97 100 %

иСХ844/5 46 48 50 47 48 50 %

минимальная скважность 0 0 %

| Срабатывание по потребляемому току:

ток включения 0,5 1 0,5 1 мА

рабочий ток и,„,.2 = ивыв.3 = 0 В 11 17 11 17 мА

напряжение стабилитрона 1пот = 25 мА 30 34 30 34 В

Компоненты и технологии, № 1'2003

Схемы внешнего отключения

Рис. 10

Напряжение источника питания (источник • Максимальный втекающий ток усилителя с низким импедансом) — 30 В; ошибки — 10 мА;

Напряжение источника питания (источник, • Максимально рассеиваемая мощность при способный выдать не более 30 мА) — вну- Ікорп 25 °С:

тренний ограничитель; БІЬ-8 — 1 Вт

Выходной ток — ±1 А; 80ІС-14 — 725 мВт;

Максимальное входное напряжение на ана- • Температура пайки (не более 10 с) — 300 °С. логовых входах (выводы 2, 3; корпус 8-вы- Более подробная информация — на сайте

водной)-----0,3 до +6,3 В; производителя: www.ti.com.