9.6.2. Интеллектуальные мдп-ключи

На основе мощных МДП-транзисторов разработаны интеллектуальные интегральные схемы (SMART IC), представляющие собой управляемый ключ со встроенной защитой от токовых перегрузок и теплового перегрева. Управляющая цепь, использующая принцип широтно-импульсной модуляции (PWM), обеспечивает малые потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное в конвертерах вторичных источников питания (КПД до 90%), стабильную работу при изменяемой нагрузке, содержит встроенный автозапуск и ограничитель тока. К ключам подобного типа, например, относится семейство ТОР221-227, закрывающее диапазон мощностей от 12 Вт до 150 Вт импульсных вторичных источников питания. ТОР - ключи включают в свою структуру все необходимые функции импульсной управляемой системы в трёх- выводной конфигурации: мощный МДП-транзистор, ШИМ (PWM) контроллер, цепь высоковольтного запуска, схему автоматического управления, цепи защиты от тепловых и мощностных перегрузок.

Типовая схема применения ТОР в импульсных источниках питания приведена на рисунке 9.66.

Рисунок 9.66 - Типовая схема включения ТОП–ключа

ТОП–ключ имеет три вывода: исток (S), сток (D) и управляющий электрод (С). Сигнал управления обратной связи через оптоэлектронную цепь подаётся на управляющий электрод и поддерживает нормальный режим преобразования. В нормальном режиме работы нагрузочный цикл (отношение времени включенного состояния МДП-транзистора к длительности импульса периода дискретизации ШИМ) уменьшается линейно с увеличением тока управления, который задаётся конденсатором С_т и транзисторной оптопарой (рисунок 9.66).

Первоначальное включение осуществляется высоковольтным источником (U_D) посредствам внутреннего генератора тока, встроенного между стоком и управляющим электродом (рисунок 9.67). Источник тока обеспечивает достаточный ток для питания цепи управления и зарядки внешней ёмкости С_т.

Рисунок 9.67 - Блок схема ТОП-ключей ТОР221-227

При достижении напряжения на управляющем электроде U_С = 5,7 В высоко-вольтный источник отключается и одновременно активизируется ШИМ–модулятор и выходной МДП-транзистор. Во время нормальной работы (когда регулируется выходное напряжение в цепи нагрузки) ток обратной связи питает управляющий электрод. Шунт-регулятор (Z_С) поддерживает напряжение U_С = 5,7 B, шунтируя превышение тока обратной связи требуемого значения постоянного тока через резистивный датчик ШИМ сигнала ошибки R_E. Низкое динамическое сопротивление Z_С задаёт коэффициент усиления усилителя ошибки при использовании обычной потенциальной конфигурации обратной связи. В случае, если внешняя ёмкость С_т разрядится ниже порогового напряжения (4,7В), МДП- транзистор запирается, и ТОП- ключ входит в режим ожидания с малым потреблением мощности. Высоковольтный источник тока снова включается и подзаряжает внешнюю ёмкость С_т . На рисунке 9.68 заряжающий ток показан отрицательной полярности, разряжающий – положительной.

Гистерезисный компаратор автозапуска поддерживает U_С внутри интервала от 4,7 до 5,7 В посредством включения и выключения высоковольтного источника тока. Цепь авто-включения содержит счётчик-делитель на 8, который предотвращает от включения МДП-транзистор до тех пор, пока не пройдёт восемь циклов заряд-разряд. При этом средняя мощность рассеяния в этом режиме составляет порядка 5%. Этот режим продолжается до тех пор, пока не восстановятся условия нормальной работы (восстановится нагрузка I < I_max, температура Т < Т_max, восстановится входное напряжение и т.д.).

Внутренний генератор формирует линейное пилообразное напряжение для ШИМ модулятора и обеспечивает начальную установку триггера-защёлки запуска МДП- транзистора перед каждым циклом. В рассматриваемых ТОП- ключах в качестве номинальной выбрана частота 100 КГц для повышения эффективности преобразования мощности. ШИМ модулятор обеспечивает управление нагрузочным циклом (временем включенного состояния МДП- транзистора) посредствам сравнения на ШИМ- компараторе сигнала пилы и сигнала ошибки, снимаемого с сопротивления R_E.

Чем больше превышение тока управляющего электрода (обратная связь), тем меньше длительность открытого состояния ключа и передаваемой мощности в нагрузку. ШИМ-компаратор восстанавливает триггер-защелку и выключает МДП-транзистор.

Рисунок 9.68 – Типичные формы сигналов на электродах конвертера

(рисунок 9.66): 1 – нормальный режим; 2 – перегрузка по току (ждущий режим);

3 – прерывание входной мощности

Формирователь импульсов запуска МДП-транзисторов ограничивает скорость нарастания напряжения на затворе для снижения уровня электромагнитных излучений (помех). При потере управления (например, прерывание входной мощности – режим 3, рисунок 9.68) прерывается внешний ток управляющего электрода (разряд С), и контроллер входит в режим ожидания, управляемый гистерезисным компаратором автозапуска, как это было описано ранее. После восстановления входной мощности выходная мощность становится регулируемой, и восстанавливается нормальный режим работы конвертера.

В составе ТОП-ключа содержатся схемы защиты от сверхтоков и превышения температуры кристалла, которые обеспечивают повышенную надежность вторичных источников питания.

В отличие от дискретных МОП-транзисторов ТОП-ключ содержит ряд параметров, характеризующих его работу в режиме нормального регулирования, режимах авто-выключения (ожидания) и самозащиты.