Семейство микросхем TOPSwitch-GX. Состав, особенности, корпуса, схемы включения, применение

К микросхемам ШИМ-контроллеров фирмы Power Integrations Inc. для импульсных источников (блоков) питания мы обращались неоднократно. Была публикация и по микросхемам семейства TOPSwitch-GX [1], но т.к. эти микросхемы находят все большее распространение в отечественных разработках, то мы решили представить на суд читателя еще одну статью на эту тему.

TOPSwitch-GX — это наиболее функционально развитое семейство микросхем фирмы Power Integrations для применения в импульсных источниках питания различного назначения мощностью до 290 Вт. Микросхемы семейства TOPSwitch-GX получены как результат модернизации микросхем ранее разработанных семейств TOPSwitch, TOPSwitch-ll и TOPSwitch-FX. Они имеют повышенную мощность, улучшенные характеристики и защиту. Семейство состоит из девяти микросхем: ТОР242...ТОР250. Поскольку эти микросхемы изготавливаются в пяти разных корпусах, то всего их входит в семейство TOPSwitch-GX тридцать пять разновидностей. Тип корпуса обозначается буквой (суффиксом) в конце маркировки каждой микросхемы (рис. 2).
К главным особенностям микросхем семейства TOPSwitch-GX можно отнести:

- "мягкий" запуск (soft-start), ограничивающий пиковые значения напряжения и тока при включении, тем самым, защищая детали преобразователя импульсного БП и питающегося от него устройства (нагрузки);

- возможность работы в дежурном режиме (Standby) с малым током потребления;

- защиту от перегрузки, как при увеличении, так и при уменьшении напряжения сети с внешней установкой порогов срабатывания этой защиты;

- температурную защиту с гистерезисом;

- функцию ограничения тока с внешней установкой порога ограничения;

- возможность внешней установки частоты генерации 132 или 66 кГц только для микросхем со входом F);

- возможность дистанционного включения-выключения;

- возможность синхронизации ИБП внешним сигналом;

- очень низкое потребление на холостом ходу и в дежурном (Standby) режиме, что является результатом применения патентованной фирменной технологии EcoSmart;

- периодическое отклонение (jitter — "дрожание") частоты генератора микросхемы, что обеспечивает уменьшение электромагнитных помех (EMI) и упрощает их фильтрацию.

*) В числителе указана номинальная мощность преобразователя импульсного блока питания в закрытом
корпусе без вентиляции, а в знаменателе — максимальная мощность этого преобразователя в безкорпусном варианте при температуре окружающей среды 50°С.
 

 Основные параметры микросхем TOPSwitch-GX приведены в табл. 1.
Микросхемы семейства TOPSwitch-GX содержат выходной ключ на высоковольтном (700 В) МДП-транзисторе и схему управления, в состав которой входят следующие основные узлы:

генератор, вырабатывающий тактовые и управляющие импульсы на частотах 66 или 132 кГц;

узел источника питания 5,8 В;

схемы внутренней логики и ШИМ;

температурную защиту;

схему ограничения тока;

схему защиты от перегрузки, как при увеличении, так и при уменьшении напряжения сети.

Рисунок 1. Функциональная схема микросхем TOP242P(G)...TOP246P(G)

Рассмотрим микросхемы ТОР242Р...ТОР246Р, которые изготавливаются в корпусах DIP-8B и TOP242G...TOP246G, которые изготавливаются в корпусах SMD-8B. Функциональная схема этих микросхем показана на рис. 1. Указанные микросхемы имеют четыре активных вывода: D (DRAIN), S (SOURCE), С (CONTROL) и М (MULTI-FUNCTION).
Расположение выводов микросхем ТОР242...ТОР246 с суффиксами Р и G показано на рис. 2а.

 
Рисунок 2.  Расположение выводов микросхем семейства TOPSwitch-GX:
а) в корпусах DIP-8B и SMD-8B;                                   
б) в корпусе ТО-220-7С;                                                
в) в корпусах ТО-263-7С и ТО-262-7С                            

Микросхемы ТОР242...ТОР250 изготавливаются также в корпусах ТО-220-7С (в конце названия микросхемы стоит суффикс Y, рис. 26), ТО-263-7С (суффикс R, рис 2в) и ТО-262-7С (суффикс F, рис. 2в). Они имеют 6 активных выводов. Это известные нам D (DRAIN), S (SOURCE), С (CONTROL), а также выводы L (LINE-SENSE), X (EXTERNAL CURRENT LIMIT) и F (FREQUENCY).
Вместо вывода М в этих микросхемах могут использоваться выводы L и X. Назначение выводов микросхем семейства TOPSwitch-GX в разных корпусах сведено в табл. 2.

 Если выводы F, X и L подсоединить на корпус, то микросхема семейства TOPSwitch-GX будет работать в трех-выводном режиме, как микросхема более ранних серий. Правда, при этом сохраняется режим "мягкого возбуждения".
Опыт работы с микросхемами TOPSwitch-GX говорит об их высочайшей надежности. Они почти не греются, а вывести их из строя можно, разве что, принудительно замкнув один из выводов С, L или М на вывод стока высоковольтного выходного полевого транзистора D. Кстати, для того, чтобы это происходило как можно реже, в микросхемах отсутствует ближайший к стоку (D) вывод (рис. 2). Это увеличивает свободное пространство вокруг высоковольтного вывода (D) и уменьшает вероятность разряда ("прострела") между выводами микросхемы.
На микросхемах могут быть собраны как импульсные источники питания, рассчитанные только на сеть переменного тока 230 или 115 В, так и универсальные (Universal Input), которые работоспособны при напряжении в диапазоне от 85 до 265 В.

Рисунок 3. Принципиальная схема зарядного устройства для кислотных аккумуляторов на микросхеме
ТОР244Р (нажмите для увеличения и открытия в новом окне)

 Рассмотрим в качестве примера принципиальную схему зарядного устройства для свинцовых кислотных аккумуляторов аварийного освещения на микросхеме ТОР244Р (Design Idea DI-12). Устройство работает от сети переменного тока напряжением 85...265 В и выдает внагрузку мощность 16 Вт. Выходное выпрямленное напряжение — 13,55 В. КПД — 75%. Это устройство стабилизирует напряжение, ограничивая ток заряда аккумулятора (порог 1,2 А), и обеспечивает защиту от перегрузки при уменьшении или увеличении напряжения сети, а также обеспечивает температурную компенсацию выходного напряжения. Схема зарядного устройства изображена на рис. 3. На его входе установлены предохранитель F1, сетевой фильтр помехозащиты L1, С6 и диодный мост. Конденсатор С1 — это конденсатор сглаживающего фильтра сетевого выпрямителя. U1 — микросхема ТОР244Р. U2 — оптопара (оптрон) РС817А, обеспечивающая гальваническую   развязку  в цепи управляющей обратной связи. Импульсный диод D1 и встречно-последовательно включенный с ним супрессор VR1 ограничивают размах импульсов ЭДС в первичной обмотке импульсного трансформатора, защищая от перегрузок выходной МДП-транзистор микросхемы. R13 — задает пределы срабатывания защиты по напряжению. С4, R10, С5 — фильтр напряжения управления. D2 — диод вторичного импульсного выпрямителя. С2, L2, СЗ — сглаживающий фильтр вторичного импульсного выпрямителя. Оптопарой, а значит, и микросхемой U1  управляют два устройства. Во-первых, это каскад стабилизации (регулируемый стабилитрон) U3 TL431, а во-вторых, — каскад ограничения тока на транзисторе Ql 2N4401. Режим U3, а следовательно, и выходное напряжение схемы задаются делителем на резисторах R7, R8, R9 и терморезисторе RT1 (Philips 2322-640-54472). Именно терморезистор  RT1  обеспечивает температурную компенсацию выходного напряжения устройства. Зависимость напряжения на одной из заряжаемых ячеек аккумулятора от температуры показана на рис. 4.

Рисунок 4. Зависимость напряжения на заряжаемой ячейке аккумулятора от температуры

Рисунок 5.  Выходная вольт-амперная характеристика устройства
(зависимость выходного напряжения от тока]

Для прекращения зарядки и обеспечения обслуживания (проверки) аккумулятора используется режим "Монитор", который включается подачей напряжения +5 В на вход MON. Это напряжение через ограничивающий резистор R12 открывает транзистор Q2 2N4401, что приводит к отпиранию U3 TL431 и, в конечном итоге, к уменьшению выходного напряжения устройства приблизительно до 8 В. Резистор R6 задает коэффициент усиления цепи управления стабилизацией выходного напряжения.

Ток заряда аккумулятора (выходной ток устройства) протекает через резистор R3, который используется как датчик тока. Когда ток заряда аккумулятора менее 1,2 А, падение напряжения, создаваемое этим током на R3, менее 0,6 В. Транзистор Q1 заперт. Когда ток заряда будет близок к пороговому значению, напряжение на R3 станет больше 0,6 В и транзистор Q1 откроется током базы через ограничивающий резистор R4. Это приведет к тому, что ток через излучающий диод оптопары увеличится, транзистор оптопары откроется сильнее, напряжение на входе С микросхемы U1 увеличится, что приведет в итоге к уменьшению напряжения на выходе вторичного выпрямителя (на катоде диода D2) (рис. 5), о следовательно, и к ограничению выходного тока устройства. Поро-срабатывания схемы ограничения тока заряда аккумулятора можно изменять величиной сопротивления резистора R3, которое рассчитывается по формуле: R3 = 0,6/I_LIMIT, где I_LIMIT - пороговое значение тока заряда.

 В устройстве можно использовать импульсный трансформатор, конструктивные особенности и параметры которого представлены в табл. 3. Обмотки в катушке этого трансформатора укладываются виток к витку одна над другой в последовательности: первичная обмотка, обмотка смещения, вторичная обмотка. Между обмотками прокладывается один, и если позволяет размер окна сердечника, несколько слоев изоляции.
В таблицу 4 сведены основные параметры этого проекта (DI-12).

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА   автор  И. Безвеохний

Подробную информацию о семействе микросхем TOPSwitch-GX и их применении можно найти на сайте фирмы Power Integrations [2]. Собственно ТО (Data Sheet) в виде файла в формате PDF (top242-top250.pdf) можно скачать у нас по ссылке.

Так же у нас можно скачать разработанные фирмой PI проекты, которые названы Design Idea (Идея проекта).

Список основных файлов с описанием этих конструкций:

 Литература
1.   Безверхний И. Микросхемы фирмы Power Integrations для сетевых импульсных источников питания // Chip News. 2004. № 2. С. 24-32.
2.  http://www.powerint.com.