Характеристики
- Транзистор CoolMOS, стойкий к лавинным токам, 650В/800В
- Требуется только несколько внешних компонентов
- Блокировка по снижению напряжения питания Vcc
- Частота переключения 67кГц/100кГц
- Максимальный коэффициент заполнения 72%
- Режим пониженного энергопотребления в ожидании для соответствия требованиям Европейской комиссии
- Защита от перегрева с автоматическим перезапуском
- Защита от перегрузки и обрыва обратной связи
- Защита от перенапряжения при автоматическом перезапуске
- Регулируемое ограничение пикового тока с помощью внешнего резистора
- Общая погрешность ограничения тока менее +-5%
- Внутренняя блокировка переднего фронта
- Пользовательская настройка мягкого старта
- Плавное управление для снижения ЭМИ
Описание
Второе поколение CoolSET™-F2 предлагает несколько специальных улучшений, чтобы удовлетворить требования к низкому энергопотреблению в режиме ожидания и к функциям защиты.
В режиме ожидания используется снижение частоты, чтобы уменьшить энергопотребление и поддерживать стабильное выходное напряжение в этом режиме.
Снижение частоты ограничено до 20 кГц / 21.5 кГц, чтобы избежать слышимого шума.
В случае неисправностей, таких как обрыв петли обратной связи, перенапряжение или перегрузка из-за короткого замыкания, устройство переходит в режим автоматического перезапуска, который управляется внутренней защитной схемой.
Благодаря точному ограничению пикового тока, реализованному внутри устройства, можно уменьшить размеры трансформатора и вторичного диода, что приводит к снижению общей стоимости системы.
Управление питанием
Функция защиты от пониженного напряжения (Undervoltage Lockout) контролирует внешнее напряжение питания VVCC. В случае, если микросхема неактивна, потребляемый ток составляет максимум 55 μA. Когда импульсный источник питания (SMPS) подключается к сети, ток через резистор RStart-up заряжает внешний конденсатор CVCC. Когда напряжение VVCC превышает порог включения VCCon = 13.5 V, включаются внутренняя цепь смещения и опорный источник напряжения. После этого внутренняя схема на основе бэндгэпа (bandgap) генерирует опорное напряжение VREF = 6.5 V для питания внутренних цепей.
Чтобы избежать неконтролируемого срабатывания при включении, реализована гистерезисная схема: отключение происходит только тогда, когда после активного режима напряжение VVCC падает ниже 8.5 V.
При включении выполняется сброс системы (Power Up Reset) за счет обнуления внутренней защелки ошибок в блоке защиты.
Когда VVCC падает ниже порога отключения VCCoff = 8.5 V, внутренняя опорная схема отключается, и при помощи функции Power Down Reset транзистор T1 разряжает конденсатор плавного старта CSoft-Start на выводе SoftS.
Это обеспечивает, что при каждом новом включении на выводе SoftS напряжение начинает расти от нуля.
Режим управления током означает, что скважность импульсов регулируется наклоном первичного тока. Это осуществляется путем сравнения сигнала обратной связи FB с усиленным сигналом датчика тока.
Если усиленный сигнал датчика тока превышает сигнал FB, время включения Ton драйвера завершается путем сброса триггера PWM-Latch (см. рисунок 8).
Первичный ток измеряется внешним последовательным резистором RSense, установленным в цепи истока интегрированного транзистора CoolMOS™.
Благодаря регулированию по току (Current Mode) выходное напряжение на вторичной стороне становится нечувствительным к изменениям сетевого напряжения.
Изменение сетевого напряжения влияет на наклон формы тока, что, в свою очередь, регулирует скважность.
Внешний резистор RSense позволяет индивидуально настраивать максимальный ток истока интегрированного транзистора CoolMOS™.
Чтобы улучшить режим тока при условиях легкой нагрузки, усиленная текущая рампа PWM-ОП накладывается на напряженную рампу, которая строится с помощью ключа T2, источника напряжения V1 и низкочастотного фильтра 1-го порядка, состоящего из R1 и C1 (см. рис. 9, рис. 10). Каждый раз, когда осциллятор выключается из-за ограничения максимального рабочего цикла, ключ T2 закрывается сигналом VOSC. Когда осциллятор срабатывает, драйвер затвора открывает T2, и начинается построение напряженной рампы.
В случае легкой нагрузки усиленная текущая рампа слишком мала, чтобы обеспечить стабильное регулирование. В этом случае напряженная рампа служит хорошо определенным сигналом для сравнения с сигналом FB. Рабочий цикл затем регулируется наклоном напряженной рампы.
С помощью компаратора C5 драйвер затвора выключается до тех пор, пока напряженная рампа не превысит 0,3 В. Это позволяет рабочему циклу непрерывно снижаться до 0%, уменьшая VFB ниже этого порога.
3.2.1 PWM-OP
Вход PWM-ОП подключен через внутреннюю задержку ведущего фронта к внешнему датчику тока RSense, который подключен к выводу Isense. RSense преобразует ток источника в напряжение сигнала. Это напряжение сигнала усиливается с коэффициентом 3,65 с помощью PWM-ОП. Выход PWM-ОП подключен к источнику напряжения V1. Напряженная рампа с наложенным усиленным сигналом тока подается на положительные входы PWM-компаратора, C5 и компаратора Soft-Start.
3.2.2 PWM-Comparator
PWM-компаратор сравнивает сигнал тока, измеренный интегрированным CoolMOSTM, с сигналом обратной связи VFB (см. рис. 11). Сигнал VFB генерируется внешним оптопараллелем или внешним транзистором в комбинации с внутренним подтягивающим резистором RFB и содержит информацию о нагрузке для схемы обратной связи. Когда усиленный сигнал тока интегрированного CoolMOS™ превышает сигнал VFB, PWM-компаратор выключает драйвер затвора.
 |
Soft-Start реализуется с помощью внутреннего подтягивающего резистора RSoft-Start и внешнего конденсатора CSoft-Start (см. рис. 5). Напряжение Soft-Start (VSoftS) генерируется путем зарядки внешнего конденсатора C_Soft-Start через внутренний подтягивающий резистор RSoft-Start. Компаратор Soft-Start сравнивает напряжение на выводе SoftS на отрицательном входе с рампой сигнала PWM-OP на положительном входе. Когда напряжение Soft-Start (VSoftS) меньше, чем напряжение обратной связи VFB, компаратор Soft-Start ограничивает ширину импульса, сбрасывая PWM-лачу (см. рис. 12).
Кроме того, Soft-Start активируется при каждой попытке перезапуска во время автоматического перезапуска. С помощью вышеупомянутого C_Soft-Start Soft-Start можно настроить в соответствии с требованиями пользователя. Soft-Start заканчивается, когда VSoftS превышает 5,3 В. В этот момент блок защиты активируется с помощью компаратора C4 и проверяет сигнал обратной связи с помощью компаратора C3, чтобы определить, ниже ли напряжение 4,8 В, что означает, что напряжение на вторичной стороне SMPS стабилизировалось. Внутренняя диодная защита (Zener-диод) на выводе SoftS имеет напряжение отсечки 5,6 В, чтобы предотвратить насыщение внутренней схемы (см. рис. 13).
Время запуска TStart-Up, необходимое для стабилизации выходного напряжения преобразователя VOUT, должно быть короче фазы Soft-Start (TSoft-Start) (см. рис. 14).
3.4 Осциллятор и снижение частоты
3.4.1 Осциллятор
Осциллятор генерирует частоту fswitch = 67 кГц / 100 кГц. В составе осциллятора интегрированы резистор, конденсатор, а также источники тока и стока тока, которые определяют частоту. Ток зарядки и разрядки встроенного конденсатора осциллятора регулируется внутри схемы, чтобы достичь высокой точности переключающей частоты. Соотношение контролируемых токов зарядки и разрядки настроено таким образом, чтобы ограничить максимальный рабочий цикл до Dmax = 0,72.
3.4.2 Снижение частоты
Частота осциллятора зависит от напряжения на выводе FB. Зависимость показана на рис. 15. Эта особенность позволяет источнику питания работать на более низкой частоте при легкой нагрузке, тем самым снижая потери при переключении и сохраняя хорошее перекрестное регулирование и низкие пульсации на выходе. В случае низкой мощности потребление энергии всего SMPS может быть эффективно снижено. Минимальная Достижимая частота ограничена значением 20 кГц / 21,5 кГц, чтобы избежать возникновения слышимого шума в любом случае.
3.5 Ограничение тока
Осуществляется ограничение тока на каждом цикле с помощью компаратора Current-Limit для обнаружения перегрузки по току. Ток источника интегрированного CoolMOS™ измеряется через внешний резистор тока RSense. С помощью RSense ток источника преобразуется в напряжение сигнала VSense. Когда напряжение VSense превышает внутреннее пороговое напряжение Vcsth, компаратор Current-Limit немедленно выключает драйвер затвора. Чтобы предотвратить искажения, вызванные импульсами на ведущем фронте, на входе измерения тока интегрирован Leading Edge Blanking. Кроме того, добавлена компенсация задержки распространения (Propagation Delay Compensation), чтобы поддерживать немедленное отключение CoolMOS™ в случае перегрузки по току.
3.5.1 Блокировка ведущего фронта
Каждый раз, когда CoolMOS™ включается, возникает импульс на ведущем фронте из-за ёмкостей на первичной стороне и времени восстановления диода выпрямителя на вторичной стороне. Чтобы избежать преждевременного завершения переключающего импульса, этот импульс блокируется с временной постоянной tLEB = 220 нс. В это время выход компаратора Current-Limit не может отключить драйвер затвора.
3.5.2 Компенсация задержки распространения
В случае обнаружения перегрузки по току с помощью ILimit отключение CoolMOS™ задерживается из-за задержки распространения в схеме. Эта задержка вызывает перерасход пикового тока Ipeak, который зависит от соотношения dI/dt пикового тока (см. рис. 17).
Перерасход сигнала Signal2 больше, чем у сигнала Signal1 из-за более крутой восходящей волны.
Для ограничения перерасхода, зависящего от dI/dt восходящего тока на первичной стороне, интегрирована компенсация задержки распространения. Это означает, что задержка распространения между превышением порогового значения тока Vcsth и выключением CoolMOS™ компенсируется по температуре в пределах как минимум определённого диапазона.
Например, для Ipeak = 0,5 А при RSense = 2. Без компенсации задержки распространения порог чувствительности тока устанавливается на статичном уровне напряжения Vcsth = 1 В. При токовой линейке dI/dt = 0,4 А/µс, что означает dVSense/dt = 0,8 В/µс, и времени задержки распространения tPropagation Delay = 180 нс, перерасход Ipeak составит 14,4%. С помощью компенсации задержки распространения перерасход уменьшается до всего лишь около 2% (см. рисунок 19).
3.6 PWM-Latch
Выход тактового сигнала осциллятора подает импульс установки на PWM-Latch, когда начинается проводимость CoolMOS™. После установки PWM-Latch может быть сброшен с помощью PWM-OP, Soft-Start-Comparator, Current-Limit-Comparator, компаратора C3 или Error-Latch блока защиты. В случае сброса драйвер немедленно отключается.
3.7 Driver
Этап драйвера управляет затвором CoolMOS™ и оптимизирован для минимизации ЭМИ и повышения общей эффективности схемы. Это достигается путем уменьшения наклона при включении, когда достигается пороговое напряжение CoolMOS™. Контроль наклона восходящего фронта на выходе драйвера (см. рисунок 20) позволяет минимизировать импульс при включении. Когда CoolMOS™ выключается, форма спада на выходе драйвера замедляется при достижении 2 В, чтобы предотвратить перерасход ниже нуля. Кроме того, схема драйвера спроектирована таким образом, чтобы исключить перекрестное проводение выходной стадии. При напряжениях ниже порога undervoltage lockout (VVCCoff) управление затвором становится низким.
3.8 Protection Unit (Режим авто-перезапуска)
Внутри Protection Unit интегрированы детекторы перегрузки, открытой цепи и перенапряжения. Эти три режима отказа блокируются с помощью Error-Latch. Дополнительно предусмотрен тепловой сброс, который также блокируется Error-Latch. В случае одного из этих режимов отказа Error-Latch устанавливается после времени задержки 5 мкс, и CoolMOS™ отключается. Эта задержка предотвращает искажения в Error-Latch, вызванные всплесками во время работы схемы.
3.8.1 Перегрузка / Открытая цепь при нормальной нагрузке
На Рисунке 21 показан режим авто-перезапуска в случае перегрузки или открытой цепи при нормальной нагрузке. Детектирование открытой цепи или перегрузки осуществляется с помощью компараторов C3, C4 и логического элемента AND-гейта G2 (см. Рисунок 22). Детекция активируется компаратором C4, когда напряжение на выводе SoftS превышает 5,3 В. До этого момента ИС работает в фазе Soft-Start. После этой фазы компаратор C3 может установить Error-Latch в случае открытой цепи или перегрузки, что приводит к превышению напряжения обратной связи VFB порога 4,8 В. После блокировки напряжение VCC уменьшается до 8,5 В и деактивирует ИС. В это время внешний конденсатор Soft-Start разряжается через внутренний транзистор T1 из-за сброса питания. Когда ИС становится неактивной, VVCC увеличивается до VCCon = 13,5 В путем зарядки конденсатора CVCC через резистор запуска RStart-Up. Затем Error-Latch сбрасывается с помощью сброса питания, и внешний конденсатор Soft-Start заряжается через внутренний подтягивающий резистор RSoft-Start. В фазе Soft-Start, которая заканчивается, когда напряжение на выводе SoftS превышает 5,3 В, детекция перегрузки и открытой цепи с помощью C3 и G2 не активна. Таким образом, фаза Start-Up не воспринимается как перегрузка.
Но фаза Soft-Start должна завершиться в пределах фазы Start-Up, чтобы гарантировать, что напряжение на выводе FB опустится ниже порога детектирования отказа 4,8 В.
3.8.2 Перегрузка по напряжению из-за открытого контура при отсутствии нагрузки
Рисунок 23 показывает режим автоматического перезапуска для открытого контура и условия отсутствия нагрузки. В случае этой неисправности выходное напряжение преобразователя увеличивается, а также повышается напряжение VCC. Для учета этой неисправности реализована дополнительная защита с помощью компараторов C1, C2 и логического элемента AND-gate G1 (см. Рисунок 24).
Обнаружение перегрузки по напряжению осуществляется только компаратором C1 в первый раз в фазе Soft-Start, пока напряжение Soft-Start не превысит порог компаратора C2 в 4,0 В, и напряжение на выводе FB не станет выше 4,8 В. Когда VCC превышает 16,5 В в фазе обнаружения перегрузки по напряжению, компаратор C1 может установить Error-Latch, и фаза Burst в режиме автоматического перезапуска завершится раньше. В этом случае TBurst2 будет короче TSoft-Start. Благодаря компаратору C2 нормальная работа системы предотвращается от перегрузки по напряжению из-за колебаний VCC в зависимости от регулировки выходного напряжения преобразователя. Когда напряжение VSoftS превышает 4,0 В, обнаружение перегрузки по напряжению компаратором C1 деактивируется.
3.8.3 ТермShutdown (Термозаглушение)
Термозаглушение фиксируется Error-Latch, когда температура перехода Tj контроллера ШИМ превышает внутренний порог в 140°C. В этом случае IC переходит в режим автоматического перезапуска.
Комментариев нет:
Отправить комментарий