ШИМ-контроллер ViPer-100А
категория
Справочники радиолюбителя
С. КОСЕНКО, г. Воронеж
Радио, 2002 год, № 11
Новая линейка микросхем характеризуется всеми достоинствами своего предшественника — ШИМ-контроллеров серии UC384X — и, кроме того, обладает несколькими существенными преимуществами.
Прежде всего, это сокращаемое приблизительно вдвое число дискретных элементов "обвязки" микросхемы.
Немаловажное обстоятельство — высокая надежность тепловой защиты VIPer-коммутируем ого ИИП. В случае плохого теплового контакта коммутирующего транзистора с теплоотводом отдельно расположенный ШИМ-контроллер будет реагировать только на перегрев корпуса микросхемы. Тяжелый режим работы транзистора может привести к его тепловому пробою, и во время лавинообразного нарастания тока стока транзистор становится фактически неуправляемым. Выпрямленное сетевое напряжение через неисправный транзистор еще до срабатывания предохранителя может успеть вывести из строя ШИМ-контроллер. Для VIPer-коммутируемого ИИП такая ситуация исключена.
И самое главное достоинство — возможность автоматизированного проектирования ИИП.
Микросхема VIPer 100А выполнена в пятивыводном металлопластмассовом корпусе ТО-220-5 с зигзагообразным расположением выводов. Рассмотрим алгоритм работы и упрощенную функциональную схему изделия, показанную на рис. 1 [1].
Сравнивая рис. 1 и функциональную схему ШИМ-контроллера UC384X [2], легко заметить их подобие. Назначение многих узлов либо совпадает абсолютно, либо отличается незначительно. В частности, компаратор входного напряжения питания микросхемы А1 обеспечивает пороговый уровень при переходе VIPer-коммутатора в состояние "включено" приблизительно 11 В, "выключено" — 8 В. Аналогично работает тепловая защита. При повышении температуры кристалла до 140...170°С триггер безопасного режима D1 блокирует работу ШИМ D2 по входу R1. Работа будет возобновлена автоматически, как только температура кристалла понизится на 40°С по сравнению с уровнем срабатывания тепловой защиты.
Потребляемый микросхемой ток не превышает 1 мА в состоянии "Выключено" и 15 мА — "Включено". Одна из особенностей изделия VIPer — на время пуска выводы 3 (DRAIN) и 2 (Vdd) внутри микросхемы соединены токо-ограничивающей цепью. Уровень ограничения составляет 3 мА. Этот ток распределяется между компаратором входного напряжения А1 (1 мА) и оксидным конденсатором фильтра, подключенным к выводу 2 (зарядный ток конденсатора — около 2 мА). После сравнительно медленного возрастания напряжение на оксидном конденсаторе достигает порогового уровня включения микросхемы (11 В), затем конденсатор разряжается рабочим током микросхемы 15 мА. Если микросхеме по каким-либо причинам (большая емкость разряженного перед включением конденсатора фильтра или замыкание в нагрузке) не удается перейти из пускового в рабочий режим, напряжение на конденсаторе быстро снижается до порогового уровня выключения, после чего процесс циклически повторяется. При попытках перехода в рабочий режим микросхема формирует "пачки" запускающих импульсов. Коэффициент заполнения "пачек" определяется отношением зарядного тока конденсатора к разрядному и составляет всего 2/15 « 13 %, что предотвращает повреждение входного и выходного выпрямителей в пусковом режиме или при замыканиях в нагрузке. Формирование нескольких "пачек" в пусковом режиме способствует плавному увеличению выходного напряжения ИИП и характеризует его "мягкое" включение.
Процесс регулирования выходного напряжения ИИП аналогичен рассмотренному для прототипа. Внутренние цепи обеспечивают стабилизацию напряжения питания микросхемы на уровне 13 В с помощью двух контуров регулирования: внутреннего и внешнего. Внутренний контур — обычный стабилизатор для питания всех узлов микросхемы. Внешний контур регулирования образуют вспомогательная обмотка трансформатора, подключенная к выводу 2 через внешний резистор, и соединенный с этим выводом усилитель сигнала ошибки A3. Двойная стабилизация напряжения питания микросхемы обеспечивает минимальное отклонение частоты коммутирующих импульсов. В [1] указано, что при изменении напряжения питания в интервале 9...15 В, а также несоответствии номиналов частотозадающих резистора и конденсатора расчетным значениям в пределах ±1% и ±5% соответственно отклонение частоты следования импульсов не превысит ±10%. Температурная нестабильность частоты не превысит -4 %, если температура кристалла увеличится от 25 до 125°С.
Так же, как и в ШИМ -контроллере UC384X, одноименный и функционально равноценный вывод 5 (СОМР) микросхемы VIPer с напряжением на нем в рабочем режиме около 4,5 В можно использовать для принудительного выключения ИИП.
Внутри микросхемы этот вывод может соединяться с общим проводом полевым транзистором V2 под воздействием триггера безопасного режима D1, реагирующего на блокирующие сигналы узла тепловой защиты А2, и компаратора входного напряжения А1. Если принудительное соединение вывода 5 с общим проводом произошло во время действия коммутирующего импульса, очередной импульс возможен не ранее чем через 1,7...5 мкс, хотя генератор все это время продолжает работать. Подключенный к выводу 5 конденсатор еще на некоторое время задержит возрастание напряжения до порогового уровня 0,5 В, и как минимум один коммутирующий импульс будет пропущен. Изменением числа пропускаемых импульсов также можно регулировать выходное напряжение ИИП. Временную задержку импульсов коммутации осуществляет элемент А5, подключенный к выходу компаратора контроля тока А4.
Особый интерес в изделии VIРег представляет использованный метод контроля тока, для чего на кристалле сформированы все необходимые элементы. Сигнал, пропорциональный току, подают с дополнительного вывода коммутирующего транзистора V3 на преобразователь ток—напряжение U1, а затем усиливают в усилителе датчика тока А9. Уровень напряжения на входе R3 ШИМ D2 пропорционален току стока, и при достижении заданного порогового уровня длительность коммутирующего импульса будет ограничена. Специальный узел гашения в течение 0,25 мкс после начала коммутирующего импульса подавляет выбросы на фронте, обусловленные током обратного восстановления выпрямительного диода во вторичной обмотке и распределенной емкостью накопительной обмотки. Эти выбросы могут вызвать преждевременное ограничение длительности импульса. При нормальном функционировании ИИП длительность коммутирующих импульсов ограничивается по входу R2 ШИМ.
В случае замыкания в нагрузке после включения ИИП выходной ток будет вначале медленно увеличиваться в соответствии с динамическими характеристиками контура регулирования, а при достижении предельного для VIPer-100A значения 3 А ограничение тока будет происходить в каждом коммутирующем импульсе. Следует обратить внимание на тот факт, что приводимый в справочниках предельный ток З А — минимальный из интервала возможных для отдельных образцов. Типовое значение тока для большинства составляет 4 А, а отдельные микросхемы работоспособны и при уровне ограничения 5,4 А. Ограничить ток через коммутирующий транзистор можно и на более низком уровне, если использовать внешний преобразователь ток-напряжение, выход которого подключают к выводу 5 (СОМР). Все это гарантирует предотвращение повреждения ИИП в экстремальных ситуациях.
Появление микросхемы VIPer-100A позволяет совершенно по-новому подойти к проблеме создания простого и надежного зарядного устройства (ЗУ) для автомобильных аккумуляторных батарей (АБ).
Большинство ЗУ заряжают АБ стабильным током. Однако во всех транспортных средствах, в том числе и легковых автомобилях, зарядка происходит при постоянном напряжении. В бортовой сети реле-регуляторы поддерживают напряжение на уровне 14±0,5 В. Поэтому разрядка АБ в режиме пуска током в несколько десятков ампер сопровождается последующим коротким промежутком времени, когда зарядный ток может достигать 30 и более ампер, а затем он быстро снижается до единиц и долей ампера.
Аналогичный зарядный режим может быть использован автолюбителями для решения задачи другого рода. Если необходимо срочно выехать, а автомобиль долгое время не эксплуатировался, то, скорее всего, из-за саморазрядки АБ попытки запустить двигатель, особенно в зимнее время, окажутся безуспешными. Некоторые автолюбители в подобных случаях применяют длительную (в течение полусуток и более) подзарядку АБ малым током, ускоряя тем самым коррозию решеток положительных электродов [3] и приближая выход батареи из строя. Более рационально в этом случае использовать в течение 15...30 мин ЗУ, заряжающее АБ при постоянном напряжении. Включенный последовательно с АБ резистор с небольшим (доли Ома) сопротивлением ограничит зарядный ток в начальный момент, и по мере зарядки напряжение на батарее будет увеличиваться, а ток уменьшаться.
VIPer-коммутируемое ЗУ без хлопот можно доставить в гараж даже в кармане благодаря его малым габаритам и массе. С другой стороны, его можно использовать не только как полноценное зарядное устройство, но и как источник питания для других целей.
Поскольку такой ИИП схемотехнически защищен от замыканий, к нему можно подключать, как частично, так и полностью разряженную батарею. В зависимости от степени разряженности ИИП будет "перекачивать" в АБ энергию, ограниченную мощностью около 100 Вт, т. е. зарядный ток будет регулироваться автоматически, не выходя за пределы режима безопасной работы ИИП.
ЗУ позволяет заряжать АБ током не менее 6 А в начале и доводить напряжение на ней до 15 В в конце зарядки. Рабочая частота преобразования используемого ИИП — 100 кГц. КПД устройства — не менее 87 %. Габариты ИИП без корпуса — 55x80x42,5 мм.
Сервисные функции ЗУ определяются свойствами используемой микросхемы VIPer-100А. Они уже упоминались: защита от замыканий и обрывов в нагрузке, реализация безопасных рабочих режимов, тепловая защита, автоматическое регулирование зарядного тока в зависимости от степени разряженности АБ.
Единственный недостаток ЗУ, к которому нужно отнестись очень серьезно, — уязвимость от переполюсовки. При неправильном подключении АБ возможно повреждение трансформатора и других элементов ЗУ, поэтому подключать его нужно очень внимательно.
Схема ЗУ, разработанная с помощью DESIGNE SOFTWARE ("Эволюция обратноходовых импульсных ИП" в "Радио", 2002, ╧ 8), показана на рис. 2. Методика проектирования была подробно описана ранее. Параметры сетевого напряжения не менялись, частота преобразования выбрана равной 100 кГц, выходные параметры соответствуют напряжению 15 В при токе 6 А. Магнитопровод трансформатора выбран RM10 (отечественный аналог KB 10) из материала N67 (аналог — М2500НМС1).
Благодаря подробному анализу алгоритма функционирования используемого в ЗУ изделия VIPer-100А, повторно описывать назначение отдельных элементов устройства не имеет смысла. Чертеж печатной платы показан на рис. 3.
Несмотря на минимальное число используемых элементов, монтаж получился весьма плотным, что объясняется желанием автора использовать в качестве готового корпуса устройства неисправный высоковольтный конденсатор К41-1а емкостью 0,1 мкФ на напряжение 10 кВ.
Микросхема VIPer 100А установлена на штыревой теплоотвод с эффективной площадью около 60 см2 через слюдяную пластину с применением теплопроводящей пасты, соединенный с общим проводом.
Диодный мост — импортный, рассчитан на прямой ток 1,5 А и обратное напряжение 1000 В. Диодная сборка VD4—VD7 представляет собой соединенные двумя винтами три дюралюминиевые пластины (толщина крайних — 1,5 мм, средней — 2 мм) размерами 30x40 мм, между которыми попарно с каждой стороны от центральной пластины зажаты без и изолятора с применением теплопроводящей пасты четыре диода КД213Б катодом к центру. При монтаже следует обратить внимание на изоляцию всех анодных выводов.
Токоограничительный резистор R6 — С5-16МВ мощностью 5 Вт установлен перпендикулярно плате. Микроамперметр РА1 — М4283 или любой другой, используемый в переносных магнитофонах для индикации уровня записи. При налаживании его подключают к источнику стабилизированного напряжения 0,6 В и подбором резистора R5 устанавливают стрелку на край зеленого сектора.
Оксидные конденсаторы — импортные, поскольку отечественные не "впишутся" в указанные габариты ИИП. Конденсатор С7 подпаивают параллельно к резистору R3, а затем последний одним выводом впаивают перпендикулярно к плате, а второй соединяют навесным способом со свободным выводом аналогично установленного диода VD2.
Особое внимание следует уделить изготовлению и монтажу импульсного трансформатора. Его магнитопровод должен быть с немагнитным зазором 0,7 мм.
Обмотки трансформатора наматывают на самодельном каркасе. Скальпелем или острым ножом расслаивают небольшую стеклотекстолитовую пластину и отделяют от нее один слой толщиной 0,1...0,15 мм. Вырезав полоску требуемых размеров, с применением нитроклея без перекосов, наматывают ее в 2—3 слоя на стержень подходящего диаметра, а после высыхания клея снимают.
На полученный таким образом каркас наматывают первый слой — 11 витков провода ПЭВ-2 0,41 в два проводника, затем межслойную изоляцию из лавсановой пленки или лакоткани и второй слой — 9 витков. Затем наматывают межобмоточную изоляцию.
Обмотку III, состоящую из 7 витков провода ПЭВ-2 1,5, наматывают на стержне чуть большего диаметра с расчетом, чтобы она поместилась на обмотке I. С каждой стороны катушки оставляют выводы длиной 8...10 мм. Полученную обмотку III осторожно надевают на первую секцию обмотки I так, чтобы их выводы были диаметрально противоположны, центрируют и с помощью клея фиксируют слой межобмоточной изоляции. После этого полезно проверить размещение катушки в магнитопроводе, и если обе пластины свободно соединяются, катушку вынимают и заливают ее торцы клеем для фиксации и герметизации обмоток.
После высыхания клея на катушке наматывают в два слоя по 8 и 7 витков каждый вторую секцию обмотки I. Завершают намотку обмоткой II из 6 витков "вразрядку" провода ПЭВ-2 0,15 и после пробного размещения катушки в магнитопроводе снова герметизируют клеем торцы катушки.
Измеренная индуктивность обмотки I трансформатора совпала с рассчитанной в DESIGNE SOFTWARE и составила 225 мкГн. Готовый трансформатор по боковой поверхности закрывают электростатическим экраном — одним слоем медной фольги и фиксируют на плате с помощью скобы. Между трансформатором и скобой прокладывают полоску резины толщиной 1 мм. Склеивать пластины магнитопровода при сборке необязательно. Все выводы трансформатора, кроме 7, 2 и 3, запаивают в соответствующие отверстия на плате. Выводы 2 и 3 соединяют навесным способом, изолируют, а затем "прячут" под электростатический экран. Вывод 7 соединяют с платой коротким отрезком коаксиального кабеля с многожильным центральным проводником.
На крышке устройства размещают выключатель питания, держатель предохранителя на 2 А, микроамперметр и две клеммы для подключения АБ. Кроме того, для облегчения теплового режима ИИП на крышке корпуса фиксируют малогабаритный вентилятор, используемый для обдува микропроцессоров, желательно максимально возможной производительности, и предусматривают для него воздухо-заборные отверстия. Выводы вентилятора, рассчитанного на напряжение 12 В, подключают к конденсатору С9 через токоограничивающий резистор МЛТ-0,125 сопротивлением 8,2 Ом. В зависимости от модели и производительности потребляемый вентилятором ток будет составлять от 40...50 мА при 12 В до 55...65 мА при 15 В.
Если ЗУ собрано из исправных деталей без ошибок и отклонение рабочей частоты от расчетного значения не более 10 %, налаживание устройства не требуется.
На рис. 4 показаны зависимости выходного напряжения (сплошная линия) и выходной мощности (штриховая линия) от тока нагрузки. Измерения проведены при замкнутом резисторе R6. Для уменьшения пульсаций на выходе был подключен оксидный конденсатор емкостью 22000 мкФ.
ЛИТЕРАТУРА
1. VIPer Swich Mode Flyback Power Supply DESIGNE SOFTWARE/Documentation/Data-sheet/Viper100 — Viper100A: p. 1—20, February 2001.
2. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. Справочник. — М.: ДОДЭКА, 1997.
3. Дасоян М. А., Курзуков Н. И., Тютрюмов О. С, Ягнятинскии В. М. Стартерные аккумуляторные батареи. Устройство, эксплуатация, ремонт. — М.: Транспорт, 1994.