Najmniejszy na świecie 2-kanałowy sterownik bramki low-side
| TechnikaSzybki rozwój technologii informatycznych związanych z zastosowaniami takimi jak sztuczna inteligencja, uczenie maszynowe, grafika i przetwarzanie obrazów zwiększa zapotrzebowanie na moc zasilania w centrach danych i farmach serwerów. Przy ograniczonej ilości dostępnego miejsca wymaga to zapewnienia większej gęstości mocy i sprawności konwersji energii. Sprostanie tym wyzwaniom i potrzebom rynku wymaga innowacyjnych rozwiązań układowych nie tylko w zakresie przełączników SiC/GaN, ale również scalonych sterowników bramki dla tych tranzystorów.
Przełączanie dużych mocy przez elementy półprzewodnikowe z częstotliwością setek kHz, a nawet MHz i związane z nimi zjawiska wywołane przez stany przejściowe stawiają nowe wyzwania przed obwodami sterującymi bramką tranzystorów mocy, które muszą zapewnić bezpieczną i niezawodną pracę w tych wymagających zastosowaniach. Dlatego niezawodne układy scalone sterowników bramki są postrzegane jako elementy niezbędne do zwiększenia mocy wyjściowej jednostek zasilających przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeństwa i niezawodności systemu. W tym kontekście firma Infineon wprowadziła niedawno na rynek nową generację dwukanałowych sterowników bramki typu low-side (dolnego tranzystora w mostku) zapewniających wydajność sink/source aż 5 A. Tym samym rodzina produktów EiceDRIVER 2EDN zwiększyła się o kolejne wersje w obudowach SOT23 (2,9×2,8 mm2) i 6-pinowej TSNP (1,5×1,1 mm²). Mniejsze obudowy ułatwiają rozmieszczenie elementów na płytce oraz zapewniają bardziej zoptymalizowane pętle sterujące, aby poprawić wydajność przełączania.
Rysunek 1 przedstawia nowy sterownik EiceDRIVER 2EDN7534U w ultramałej obudowie TSNP na tle standardowych oporników SMD. Jak widzimy, zajmuje on powierzchnię podobną do rezystora 0603.
Oprócz najlepszych w swojej klasie parametrów w zakresie zajętości miejsca, nowa rodzina układów EiceDRIVER 2EDN ma ulepszony stopień wyjściowy z funkcją active clamping, szybciej działającą blokadę podnapięciową (UVLO) i mniejszy pobór prądu. Co więcej, duża dokładność i powtarzalność czasu propagacji pozwala na równoległe połączenie dwóch wyjść sterowników w celu podwojenia wydajności prądowej i zminimalizowania strat w czasie, gdy oba tranzystory mocy nie przewodzą (dead time), aby osiągnąć wysoką sprawność systemu.
Rysunek 2 (po prawej) przedstawia przykład aplikacji, w którym połączenie równolegle dwóch wyjść sterownika jest bardzo korzystne – jest to synchroniczny prostownik w hybrydowej przetwornicy z przełączanymi pojemnościami (hybrid switched capacitor converter, HSC). Zwykle układ taki działa bez rezystora bramki, aby uzyskać najkrótszy czas przełączania. Innym przykładem jest typowy prostownik synchroniczny podłączony do uzwojenia wtórnego transformatora z odczepem środkowym spotykany w zasilaczach impulsowych (SMPS), jak pokazano na rysunku 2 (po lewej). Nowy EiceDRIVER 2EDN7534B w obudowie SOT23 ma taką samą wydajność, jak inne układy w obudowach DSO, TSSOP, ale zajmuje mniejszą powierzchnię na PCB, co jest szczególnie ważne w projektach o ograniczonych gabarytach.
Przegląd rodziny
Seria sterowników EiceDRIVER 2EDNxx3x jest dostępna w pięciu wersjach obudowy: trzy to standardowe wersje takie jak 8-pinowa DSO (SOIC), TSSOP i WSON. Są też maleńkie 6-pinowe SOT23 i TSNP przeznaczone do aplikacji o bardzo dużej gęstości mocy. Każda ma inne parametry w zakresie maksymalnego prądu sterującego, rodzaj wejścia (bezpośrednie i zanegowane) oraz poziomy blokady podnapięciowej. Zestawienie dostępnych produktów i funkcjonalności pokazano w tabeli na rysunku 3.
Aktywny układ obcinania (clamp)
Podczas rozruchu konwertera napięcie zasilające sterownik na pinie VDD się zwiększa i w tym czasie układ blokady UVLO zapobiega pracy tranzystora MOSFET w trybie liniowym, aż pojawi się poprawny sygnał przełączający. W typowym układzie scalonym sterownika bramki taka blokada wyjścia jest zwykle realizowana za pomocą elementu pasywnego (rezystora) (rys. 4 po lewej). W takim rozwiązaniu czas aktywacji blokady UVLO jest długi, a dodatkowo w niektórych projektach, gdzie mikrokontroler i sterowniki bramek są zasilane przez różne szyny zasilające, takie rozwiązanie może skutkować pojawieniem się kilku niepożądanych impulsów na bramce pochodzących od pojemności pasożytniczej bramka-dren.
Aby zapobiec takiemu niekontrolowanemu działaniu, w nowym sterowniku EiceDRIVER 2EDN wprowadzono szybki i niezawodnie działający mechanizm obcinania poziomu napięcia sterującego (clamp), pokazany na rysunku 4 po prawej. Jest on sterowany napięciem wyjściowym i utrzymuje napięcie VGS w bezpiecznym niskim poziomie zapobiegającym niekontrolowanemu włączeniu MOSFET-a do momentu zwolnienia blokady UVLO. W rezultacie sterownik działa stabilnie w czasie, gdy napięcie VDD jest małe i zwiększa się dopiero po włączeniu konwertera i napięcie sterujące tranzystorem VGS ma za małą wartość.
Rysunek 5 przedstawia działanie układu aktywnego ogranicznika napięcia wyjściowego. Gdy napięcie zasilania VDD sterownika osiągnie 1,2 V, aktywowany jest mechanizm blokowania napięcia wyjściowego, a potencjał linii OUT jest obniżany do poziomu bezpiecznego w czasie około 20 ns. Reakcja jest znacznie szybsza niż stała czasowa RC pasywnych układów blokady, w których zadziałanie zabezpieczenia może zająć dziesiątki mikrosekund.
Rysunek 6 ilustruje przebiegi wyjściowe dla układu ogranicznika aktywnego (EiceDRIVER 2EDNxx3x) oraz wersji pasywnych stosowanych w rozwiązaniach konkurencyjnych firm. Jak widzimy, EiceDRIVER 2EDNxx3x utrzymuje napięcie wyjściowe na bezpiecznym niskim poziomie podczas narastania VDD w czasie uruchamiania aplikacji.
Aktywny mechanizm blokady zapobiega również ponownemu (niekontrolowanemu) włączeniu tranzystorów MOSFET, które mogłoby wystąpić od napięcia pojawiającego się na bramce wynikającego z istnienia pojemności Millera, tj. dren-bramka. Szybkie zmiany napięcia na wyjściu, tj. o dużym dV/dt, przenoszą się przez tę pojemność pasożytniczą na obwód bramki. EiceDRIVER 2EDNxx3x wykrywa taki stan przejściowy napięcia i aktywuje szybko działający mechanizm ogranicznika, aby potencjał bramki był w bezpiecznym stanie Off , w czasie, gdy VDD jest poniżej progu UVLO. Rysunek 7 porównuje działanie dwóch różnych mechanizmów obcinania.
Jak widzimy, szybko działający, aktywny mechanizm obcinania napięcia wyjściowego umożliwia utrzymanie potencjału wyjścia w bezpiecznym niskim stanie i zapobiega niekontrolowanemu załączeniu przełączników mocy przez napięcie zaindukowane na skutek obecności reaktancji pasożytniczych, przez co stopień mocy mógłby zacząć działać w obszarze liniowym.
Czas aktywacji blokady podnapięciowej i pobór prądu w stanie spoczynku
Podczas uruchamiania urządzenia po włączeniu zasilania lub ponownej aktywacji działania po błędzie/przeciążeniu, czas tSTART wymagany przez sterownik do przywrócenia działania ze stanu UVLO staje się parametrem krytycznym. Jeśli stopień mocy konwertera wyjdzie ze stanu UVLO, a MCU jest zasilany z innej szyny niż układ sterownika bramki, MCU może wysłać sygnał PWM do sterownika przed deaktywacją UVLO. W takiej sytuacji kilka impulsów sterujących może zostać pominiętych, aż napięcie zasilania sterownika wzrośnie powyżej progu UVLOON.
Niepełne sterowanie PWM może wywołać asymetrię czasu włączenia poszczególnych tranzystorów przełączających, powodując utratę symetrii obwodu, a w najgorszym przypadku nasycenie elementów magnetycznych i powstanie niepożądanych prądów udarowych. Im dłuższy czas zwalniania blokady UVLO (tSTART), tym większa może być liczba pominiętych impulsów PWM i gorsza asymetria. Dlatego ważne jest, aby aktywny mechanizm blokady reagował szybko na zdarzenia.
Większość dostępnych na rynku układów sterowników bramek ma czas rozruchu UVLO wynoszący 5 μs lub dłużej. Nowe układy scalone sterownika bramki EiceDRIVER 2EDN mają ten parametr na poziomie wynoszącym typowo 1,8 μs, co zapewnia bezpieczny rozruch konwertera i niezawodne działanie poprzez minimalizację liczby impulsów PWM trafiających na bramki przełączników mocy podczas deaktywacji UVLO. Rysunek 8 ilustruje wartość parametru tSTART podczas zwalniania blokady UVLO.
Wszystkie te funkcjonalności nowej rodziny EiceDRIVER 2EDN są dostępne bez kompromisu po stronie prądu zasilającego układ sterownika w porównaniu z podobnymi układami scalonymi dostępnymi na rynku, jak pokazano na rysunku 9. Pomaga to zmniejszyć ogólny pobór prądu przez konwerter w warunkach bez obciążenia, bo sterownik jest w stanie działać bez sygnału PWM.
Nowy rekord gabarytów w dwukanałowych sterownikach low-side EiceDRIVER 2EDN jest wytwarzany we wszystkich standardowych 8-pinowych obudowach takich jak DSO (SOIC), TSSOP i bezwyprowadzeniowej WSON. Aby umożliwić większą miniaturyzację, Infineon wprowadził na rynek jeszcze bardziej kompaktowe obudowy 6-pinowe: SOT23 i TSNP, usuwając z poprzedników niepotrzebne dwa piny Enable. SOT23 pozwala zaoszczędzić 73% miejsca na PCB w porównaniu z bliskim odpowiednikiem DSO, a TSNP daje 81% zysku w zajmowanej powierzchni w porównaniu z WSON, jak pokazano na rysunku 10.
Ta ogromna redukcja zajmowanej przestrzeni przez układ scalony sterownika bramki korzystnie wpływa na rozmieszczenie elementów w zastosowaniach o dużej gęstości mocy, a także umożliwia optymalne prowadzenie ścieżek dla minimalizacji wielkości gorącej pętli w obwodzie sterującym bramką. Sterownik EiceDRIVER 2EDN7534U w obudowie TSNP można umieścić bezpośrednio obok pinu bramki tranzystorów MOSFET i zminimalizować oscylacje pasożytnicze, a w połączeniu równoległym można podwoić wydajność prądową układu sterownia i poprawić szybkość komutacji.
Izolowane zasilanie sterownika w SiC i GAN
Małe wymiary sterowników bramki umożliwiają też aplikację w zasilaczach małej mocy oraz w układach dostarczających pomocniczego napięcia zasilania wymaganego do zapewnienia polaryzacji tranzystorów MOSFET SiC i GaN HEMT. Taki pomocniczy zasilacz można zrealizować na powierzchni 8,5×17,5 mm. Dostarcza on setek miliwatów mocy, która często jest niezbędna do zasilania sterowników lub układów pomocniczych.
Rysunek 11 przedstawia przykładowy układ generujący dwa izolowane napięcia dodatnie i ujemne wykorzystujący EiceDRIVER 2EDN7533B w obudowie SOT-23. Wyjścia OUTA i OUTB są skonfigurowane w układzie pełnego mostka współpracującego z miniaturowym transformatorem impulsowym w.cz. (XT04) o małej pojemności między uzwojeniami pierwotnym i wtórnym. Taki miniaturowy zasilacz nadaje się do wbudowania do wewnątrz większych obwodów i jest w stanie zapewnić średnią moc wyjściową do 1,5 W przy zachowaniu dobrej stabilizacji w funkcji obciążenia.
Za jego pomocą można uzyskać napięcia wyjściowe dodatniego i ujemne niezbędne do sterowania elementami SiC, np. +18 V/–1 V, +18 V/–5 V, +15 V/–4 V i +20 V/–3 V z pojedynczego napięcia wejściowego 10 V. W analogiczny sposób daje się uzyskać poziomy napięć wymagane do sterowania tranzystorami GaN HEMT. Na płytce demonstracyjnej przygotowanej przez Infineona jest również opcjonalny stabilizator napięcia w zakresie 1% za regulatorem równoległym (bocznikowym) TL432. Pokazany na rysunku 12 moduł KIT_1EDB_AUX_SiC ma wyprowadzenia boczne na płytce pasujące do nalutowania w miejscu obudowy DSO-8 i kompatybilne z jednokanałowym izolowanym sterownikiem, takim jak EiceDRIVER 1EDB6275F, jako tzw. daugther board.
Podsumowanie
Nowe dwukanałowe sterowniki bramki typu low-side firmy Infineon Eice- DRIVER 2EDNxx3x mają wiele innowacyjnych funkcji, które poprawiają niezawodność systemów zasilających. Elementy te ustanawiają nowy standard branżowy w zakresie wielkości obudów, takich jak 6-pinowa SOT23 i bezkońcówkowa TSNP. Umożliwiają one osiągnięcie ultrawysokiej gęstości mocy w konwerterach DC-DC 48 V, zachowując elastyczność projektu i skalowalność dyskretnego rozwiązania.
Infineon
www.infineon.com
