eng
Выпуск #7-8/2021
А.С.Силаев, В.В.Полевиков, Д.П.Шомахмадов, С.А.Степанов, В.С.Мариненко, С.В.Сорока, Э.О.Литвиненко, А.С.Юров, Д.Н.Калбазов, С.А.Никифорова, Е.Н.Андриенко, А.Р.Гуляева, Ю.А.Мещеряков
Проектирование высоковольтного трехканального регулятора напряжения для применений в автомобильной промышленности
Проектирование высоковольтного трехканального регулятора напряжения для применений в автомобильной промышленности
Просмотры: 1563
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.412.423
Представлены принципы проектирования трехканального стабилизатора напряжения. Современные технологии интеллектуального управления питанием позволяют реализовать сложную функциональность в одной схеме. Одно из возможных применений систем управления питанием – стабилизатор напряжения. Важную роль играют такие параметры системы, как генерируемые уровни напряжения и/или тока, контроль температуры в реальном времени и различные виды ошибок, о которых ключ сообщает центральному контроллеру в режиме реального времени. Минимальное время переключения регулятора снижает вероятность возникновения ошибки, связанной с шумами цепей питания микросхемы. Интеллектуальные технологии управления питанием позволяют разрабатывать специализированные системы, такие как антиблокировочная система тормозов, управление подушками безопасности и управление двигателем автомобиля. Близки по структуре и системы промышленной электроники, телекоммуникаций и обработки данных. Современные системы позволяют управлять питанием и внешними системами, исследовать системы на наличие ошибок или опасных условий. Предлагаемое решение позволяет обеспечить стабильное выходное напряжение в широком диапазоне входных напряжений. Описаны основные функции устройства: функция ограничения выходного тока, защита от обратной полярности, температурная защита, функция ограничения превышения выходного напряжения, цифровая функция встроенного таймера watch dog, предназначенного для подключения конструкции к микроконтроллеру.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения № 075-11-2019-061 от 26.11.2019г. с АО "Автоэлектроника" по комплексному проекту «Разработка и освоение серийного производства универсальной модульной платформы управления приводами, различными типами электрических двигателей, подвижными узлами и механизмами», при участии Акционерного общества «Зеленоградский нанотехнологический центр» в части выполнения научно-исследовательской, опытно-конструкторской и технологической работы: «Разработка и освоение в серийном производстве микросхемы трехканального регулятора напряжения для цифровой модульной платформы».
Представлены принципы проектирования трехканального стабилизатора напряжения. Современные технологии интеллектуального управления питанием позволяют реализовать сложную функциональность в одной схеме. Одно из возможных применений систем управления питанием – стабилизатор напряжения. Важную роль играют такие параметры системы, как генерируемые уровни напряжения и/или тока, контроль температуры в реальном времени и различные виды ошибок, о которых ключ сообщает центральному контроллеру в режиме реального времени. Минимальное время переключения регулятора снижает вероятность возникновения ошибки, связанной с шумами цепей питания микросхемы. Интеллектуальные технологии управления питанием позволяют разрабатывать специализированные системы, такие как антиблокировочная система тормозов, управление подушками безопасности и управление двигателем автомобиля. Близки по структуре и системы промышленной электроники, телекоммуникаций и обработки данных. Современные системы позволяют управлять питанием и внешними системами, исследовать системы на наличие ошибок или опасных условий. Предлагаемое решение позволяет обеспечить стабильное выходное напряжение в широком диапазоне входных напряжений. Описаны основные функции устройства: функция ограничения выходного тока, защита от обратной полярности, температурная защита, функция ограничения превышения выходного напряжения, цифровая функция встроенного таймера watch dog, предназначенного для подключения конструкции к микроконтроллеру.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения № 075-11-2019-061 от 26.11.2019г. с АО "Автоэлектроника" по комплексному проекту «Разработка и освоение серийного производства универсальной модульной платформы управления приводами, различными типами электрических двигателей, подвижными узлами и механизмами», при участии Акционерного общества «Зеленоградский нанотехнологический центр» в части выполнения научно-исследовательской, опытно-конструкторской и технологической работы: «Разработка и освоение в серийном производстве микросхемы трехканального регулятора напряжения для цифровой модульной платформы».
Теги: high-voltage three-channel voltage regulator intelligent power management microcontroller temperature protection высоковольтный трехканальный регулятор микроконтроллер температурная защита
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ТРЕХКАНАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЙ В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
DESIGN OF A HIGH-VOLTAGE THREE-CHANNEL VOLTAGE REGULATOR FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS
А.С.Силаев*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-0048-7731), В.В.Полевиков*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-3508-7906), Д.П.Шомахмадов*, магистр, (ORCID: 0000-0002-2665-0875), С.А.Степанов*, магистр, (ORCID: 0000-0002-1653-6403), В.С.Мариненко*, специалист, (ORCID: 0000-0001-6214-8535), С.В.Сорока*, магистр, (ORCID: 0000-0001-7858-6484), Э.О.Литвиненко*, бакалавр, (ORCID: 0000-0001-5313-6348), А.С.Юров*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-1053-3287),
Д.Н.Калбазов*, магистр, (ORCID: 0000-0002-0307-0069), С.А.Никифорова*, магистр, (ORCID: 0000-0003-0178-9640),
Е.Н.Андриенко*, (ORCID: 0000-0003-2683-9093), А.Р.Гуляева*, бакалавр, (ORCID: 0000-0002-8758-0946), Ю.А.Мещеряков*, специалист, (ORCID: 0000-0002-0307-0069) / shomahmadov@zntc.ru
A.S.Silaev*, Cand. of Sci. (Technical), V.V.Polevikov*, Cand. of Sci. (Technical), D.P.Shomahmadov*, Master, S.A.Stepanov*, Master, V.S.Marinenko*, Specialist, S.V.Soroka*, Master, E.O.Litvinenko*, Bachelor, A.S.Yurov*, Cand. of Sci. (Technical), D.N.Kalbazov*, Master, S.A.Nikiforova*, Master, E.N.Andrienko*, A.R.Gulyaeva*, Bachelor, Y.A.Mescheryakov*, Specialist
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.412.423
Получено: 9.11.2021 г.
В статье представлены принципы проектирования трехканального стабилизатора напряжения. Современные технологии интеллектуального управления питанием позволяют реализовать сложную функциональность в рамках одной схемы. Одним из возможных применений систем управления питанием является их использование в качестве стабилизаторов напряжения. Важную роль играют такие параметры системы, как генерируемые уровни напряжения и/или тока, контроль температуры в реальном времени и различные виды ошибок, о которых такой ключ сообщает центральному контроллеру в режиме реального времени. Минимальное время переключения такого регулятора снижает вероятность возникновения ошибки, связанной с шумами от цепей питания микросхемы.
Интеллектуальные технологии управления питанием позволяют разрабатывать различные специализированные системы, такие как антиблокировочная система тормозов, управление подушками безопасности или управление двигателем в автомобильной электронике.
Похожи по структуре и системы в области промышленной электроники, телекоммуникаций и обработки данных. Имеющиеся в настоящее время системы позволяют управлять питанием и внешними системами, а также исследовать системы на наличие ошибок или опасных условий. Предлагаемое решение позволяет обеспечить стабильное выходное напряжение 5В в широком диапазоне входных напряжений от 5,5 до 45 В, с выходным током до 450 мА по основному каналу и до 150 и 50 мА – по вспомогательным. В статье описаны основные функции устройства, такие как функция ограничения выходного тока, защита от обратной полярности, температурная защита, функция ограничения превышения выходного напряжения, а также цифровая функция встроенного таймера watch dog, предназначенного для подключения конструкции к блоку микроконтроллера.
The paper presents the principles of designing a three-channel voltage regulator. Modern technologies for intelligent power management allow of implementing complex functionality within a single circuit. One of the possible applications of power management systems is their use as voltage regulators. Here, an important role is played by such system parameters as the generated voltage levels and / or currents, real-time temperature monitoring and various types of errors that such a key reports to the central controller in real time. The minimum switching time of such a regulator reduces likelihood of an error associated with noise from the power supply circuits of the microcircuit. Intelligent power management technologies allow the development of a variety of specialized systems such as anti-lock brakes, airbag control or engine management in car electronics. As well as the systems similar in structure in the fields of industrial electronics, telecommunications and data processing. Currently available systems allow to manage power and external systems and analyze systems for errors or hazardous conditions. The proposed solution allows to provide a stable output voltage of 5 V in a wide range of input voltages from 5.5 to 45 V, with an output current of up to 450 mA in the main channel and up to 150 and 50 mA in the auxiliary ones. The paper describes the main functions of the design, such as the function of limiting the output current, protection against reverse polarity, temperature protection, the function of limiting the excess of the output voltage, as well as the digital function of the built-in "watch dog" timer intended for connecting the design to a microcontroller unit.
ВВЕДЕНИЕ
Основой систем интеллектуального управления питанием являются интегральные схемы источников вторичного питания [1, 2], а именно, линейные регуляторы напряжения, формирующие на выходе стабильное напряжение с расширенным функционалом и интерфейсом с основными типами современных микроконтроллеров (микропроцессоров).
Интеллектуальные интегральные схемы управления питанием приобретают большое распространение в различных сферах микроэлектроники, особенно в тех, которые требуют системной интеграции. Современные технологии интеллектуального управления питанием позволяют реализовывать сложный функционал в рамках одной схемы, обеспечивая повышенную надежность при экономии места и веса. Областями применения таких систем являются:
Разрабатываемая ИС предназначена для формирования питающих напряжений модуля питания и будет использована в системах управления приводами и двигателями различной мощности и различного типа, такими как двигатели постоянного тока коллекторные, бесколлекторные, вентильные, двигатели переменного тока синхронные и асинхронные, шаговые двигатели. Двигатели могут быть одно-, двух- и трехфазными. За счет своей универсальности указанные выше системы могут применяться практически везде, где используются электродвигатели.
АРХИТЕКТУРА ТРЕХКАНАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Трехканальный регулятор (рис.1) напряжения состоит из следующих блоков:
ПРЕДСТАБИЛИЗАТОР
Блок предстабилизатора предназначен для создания условий для старта основных функциональных блоков, обеспечивающих точные характеристики системы в целом для широкого диапазона значений питающего напряжения (от 5 до 40 В). К таким блокам относятся: источник опорного напряжения и источник опорных токов. Наличие предстабилизатора обеспечивает высокое значение коэффициента подавления помехи по питающему напряжению и, как следствие, высокую точность значений опорного напряжения и опорных токов. Такая архитектура позволяет использовать в составе основных схем МОП-транзисторы с малым и рабочими напряжениями "сток-исток", что гарантирует высокую точность значений выходных параметров источника опорных напряжений (ИОН) и источника опорных токов (ИОТ).
Принципиальная электрическая схема блока предстабилизатора представлена на рис.2.
БЛОК ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ
Принципиальные электрические схемы проходного ключа и блока ограничения рассеиваемой мощности (ограничителя по току) представлены на рис.3, 4 соответственно. Проходной ключ включен в инверсном режиме с целью исключения тока в режиме переполюсовки питающего напряжения.
Конечно, целесообразно последовательно с ним включить такой же транзистор в прямом включении. Однако, в этом случае на ключе будет удвоенное падение напряжения при суммарном токе нагрузки 0,6 А и выполнить требование по номиналу выходного напряжения будет затруднительно. В активном режиме минимальное сопротивление ключа обеспечивается током блока-ограничителя, создающим на управляющем входе ключа отрицательное напряжение (около 5 В) относительно стока. В спящем режиме, когда этот ток отсутствует, минимальное потребление будет достигаться снятием нагрузки со стабилизаторов.
Блок ограничения по току выполняет несколько функций:
Две другие функции выполняются:
компаратором, обеспечивающим защиту от превышения питающего напряжения;
двумя преобразователями напряжение в ток, выполняющими ограничение рассеиваемой мощности.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ СЕНСОР
Принципиальная электрическая схема блока тепловой защиты представлена на рис.5. Здесь, преобразователь напряжения в ток формирует выходной ток, природа которого определяется резистором R1. Схема имеет два режима работы: рабочий и тестовый.
В рабочем режиме в типовых условиях высокий уровень на узле work в обратной связи усилителя срабатывания блока настраивается при температуре 160 градусов и величина гистерезиса. Температура 160 градусов лежит вне температурного диапазона работы микросхемы, что делает контроль тепловой защиты нежелательным.
В тестовом режиме срабатывание блока происходит при температуре 100 градусов, что находится в пределах температурного диапазона работы микросхемы и уменьшает затраты на контроль работоспособности блока. Тримминг блока осуществляется в тестовом режиме установкой срабатывания при 100 градусах. В этом случае, в рабочем режиме устанавливается срабатывание блока при температуре 160 градусов.
ЛОКАЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ И РЕГУЛЯТОР ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
На рис.6 представлен регулятор тока короткого замыкания.
Для регулировки тока короткого замыкания и номинала выходного напряжения, параллельно выходному транзистору М28 включен сенсорный единичный транзистор М29.
В режиме короткого замыкания, когда на выходе регулятора напряжение близко к нулю, включен усилитель ограничителя по току. При этом включается внутренняя обратная связь усилителя, а на неинвертирующий вход усилителя подано опорное напряжение 1,25 В.
Обратная связь балансирует напряжения на входах усилителя. Изменяя номинал резисторов R32 и R24, происходит управление током короткого замыкания. Так, при уменьшении номинала резисторов для баланса напряжений на входах усилителя требуется больший ток с сенсорного транзистора, а, следовательно, и с выходного транзистора. Таким образом, закачивая ток через пин ireg в резисторы R32 и R24, уменьшается ток короткого замыкания. Регуляторы Q2 и Q3 выполнены по аналогичной схеме и отличаются лишь выходными транзисторами.
При отсутствии короткого замыкания усилитель amp_ilim_p обесточен и при этом включается внешняя обратная связь, освобождая внутренние ресурсы для достижения высокой точности.
Схема линейного уменьшения тока короткого замыкания выше напряжения питания более 22 В работает следующим образом: выходной ток верхнего преобразователя "напряжение – ток" отслеживается делителем и изменяется линейно с изменением питающего напряжения. Выходной ток нижнего преобразователя "напряжение – ток" постоянен.
Далее выходной ток верхнего преобразователя продолжает увеличиваться, а нижнего – остается прежним, что позволяет разницу этих токов передать на выход.
Выходной ток в этом случае линейно возрастает с увеличением напряжения питания.Далее, этот ток поступает в блок регулятора через пин ireg, повышая напряжение на инвертирующем входе усилителя amp_ilim_p, что влечет за собой уменьшение тока короткого замыкания. Этот ток может управляться триммингом, который осуществляет блок регулятора тока короткого замыкания.
БЛОК ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Принципиальная электрическая схема блока источника опорного напряжения, без которого не обходится ни одна система автоматического регулирования, представлена на рис.7 [3, 4] (ИОН). Он выступает в системе как единица измерения, использование которой обеспечивает статическую точность изделия и определяет точность выходных напряжений локальных регуляторов, выступая как опорный элемент в локальных цепях обратной связи.
"Ядро" схемы представлено подложечными PNP-транзисторами (Q1, Q2), резистором R1 и транзисторами М1, М2. Причем, транзистор Q2 представляет собой N транзисторов Q1. При этом на резисторе R1 выделяется напряжение:
V = (k•T/q) • ln(N)/R1 (1),
где k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона.
В схеме предусмотрен тримминг, на схему которого поступает ток стока транзистора М5, составляющий часть тока транзисторов "Ядра".
БЛОК ИСТОЧНИКА ОПОРНЫХ ТОКОВ
Как и в предыдущем блоке, транзисторы М15 и М18 представляют собой стартовую схему. "Ядро" схемы представлено транзисторами: М46, М47, М33, Q2, Q3 и резисторами: R3, R2, R14, R15. Плотность эмиттерного тока транзистора Q2, в данной схеме, в восемь раз меньше плотности эмиттерного тока транзистора Q3 (рис.8).
Коллекторный ток транзистора Q2 будет иметь положительный температурный коэффициент, а на резисторе R3, в соответствии с выражением (1), образуется соответствующее напряжение. Номиналом резистора R3 мы управляем величиной тока с положительным температурным коэффициентом. Суммой номиналов резисторов: R2, R14 и R15, включенных параллельно переходам "база – эмиттер" биполярных транзисторов, осуществляется управление током с отрицательным температурным коэффициентом. Суммируя эти токи на транзисторе М46 и регулируя один из токов, на выходе достигается независимый от температуры ток.
Схема формирует семь токов номиналом 10 мкА и один ток для генератора (около 1,2 мкА). Тримминг токов осуществляется аналогично блоку ИОН.
ТОПОЛОГИЯ СХЕМЫ
Топология [5] трехканального регулятора напряжения представлена на рис.9.
Цифрами обозначены следующие блоки:
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХКАНАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Графики выходного напряжения источника опорного напряжения и каждого регулятора представлены на рис.11 и 12 соответственно.
Выходные результаты представлены на рис.11. По результатам можно сказать, что разброс выходного напряжения по температуре на каждом выходе составляет 0,09 мВ/°C.
КОРПУСИРОВАНИЕ
Предполагается использование данной микросхемы в двух типах корпусов: PSOP и SOIC, которые показаны на рис.12.
ВЫВОДЫ
В результате проектирования трехканального регулятора напряжения получены следующие результаты: разработана принципиальная электрическая схема микросхемы, проведено схемотехническое моделирование с использованием технологических библиотек и специализированных средств САПР, разработана и верифицирована топология интегральной микросхемы. Определены основные электрические характеристики: выходное напряжение, максимальный выходной ток, сопротивление ключа в открытом состоянии.
Разработана измерительная оснастка и проведены лабораторные измерения ключевых параметров. В дальнейшем планируется провести дополнительные лабораторные измерения и тестирование микросхемы для определения дополнительных параметров ИМС и внесение данных в спецификацию.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wolfang Pribyl, Integrated Smart Power Circuits Technology, Design and Application, ESSCIRC ‘96: Proceedings of the 22nd European Solid-State Circuits Conference, pp 19–26.
Chang H., Jang J., Kim M., Lee E., Jang D., Park J., Park C. (2012). Advanced 0.13um smart power technology from 7V to 70. V. 2012. 24th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs
Brokaw A. (1974). A simple three-terminal IC bandgap reference. 1974 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. https://doi.org/10.1109/isscc. 1974.1155346
Radoias L., Zegheru C., & Brezeanu G. (2012). Substrate leakage current influence on bandgap voltage references in automotive applications. CAS 2012 (International Semiconductor Conference). https://doi.org/10.1109/smicnd.2012.6400752
Alan Hastings The art of analog layout // Prentice – Hall , 2001. 735 с.
Декларация о конфликте интересов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
DESIGN OF A HIGH-VOLTAGE THREE-CHANNEL VOLTAGE REGULATOR FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS
А.С.Силаев*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-0048-7731), В.В.Полевиков*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-3508-7906), Д.П.Шомахмадов*, магистр, (ORCID: 0000-0002-2665-0875), С.А.Степанов*, магистр, (ORCID: 0000-0002-1653-6403), В.С.Мариненко*, специалист, (ORCID: 0000-0001-6214-8535), С.В.Сорока*, магистр, (ORCID: 0000-0001-7858-6484), Э.О.Литвиненко*, бакалавр, (ORCID: 0000-0001-5313-6348), А.С.Юров*, к.т.н., (ORCID: 0000-0002-1053-3287),
Д.Н.Калбазов*, магистр, (ORCID: 0000-0002-0307-0069), С.А.Никифорова*, магистр, (ORCID: 0000-0003-0178-9640),
Е.Н.Андриенко*, (ORCID: 0000-0003-2683-9093), А.Р.Гуляева*, бакалавр, (ORCID: 0000-0002-8758-0946), Ю.А.Мещеряков*, специалист, (ORCID: 0000-0002-0307-0069) / shomahmadov@zntc.ru
A.S.Silaev*, Cand. of Sci. (Technical), V.V.Polevikov*, Cand. of Sci. (Technical), D.P.Shomahmadov*, Master, S.A.Stepanov*, Master, V.S.Marinenko*, Specialist, S.V.Soroka*, Master, E.O.Litvinenko*, Bachelor, A.S.Yurov*, Cand. of Sci. (Technical), D.N.Kalbazov*, Master, S.A.Nikiforova*, Master, E.N.Andrienko*, A.R.Gulyaeva*, Bachelor, Y.A.Mescheryakov*, Specialist
DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7-8.412.423
Получено: 9.11.2021 г.
В статье представлены принципы проектирования трехканального стабилизатора напряжения. Современные технологии интеллектуального управления питанием позволяют реализовать сложную функциональность в рамках одной схемы. Одним из возможных применений систем управления питанием является их использование в качестве стабилизаторов напряжения. Важную роль играют такие параметры системы, как генерируемые уровни напряжения и/или тока, контроль температуры в реальном времени и различные виды ошибок, о которых такой ключ сообщает центральному контроллеру в режиме реального времени. Минимальное время переключения такого регулятора снижает вероятность возникновения ошибки, связанной с шумами от цепей питания микросхемы.
Интеллектуальные технологии управления питанием позволяют разрабатывать различные специализированные системы, такие как антиблокировочная система тормозов, управление подушками безопасности или управление двигателем в автомобильной электронике.
Похожи по структуре и системы в области промышленной электроники, телекоммуникаций и обработки данных. Имеющиеся в настоящее время системы позволяют управлять питанием и внешними системами, а также исследовать системы на наличие ошибок или опасных условий. Предлагаемое решение позволяет обеспечить стабильное выходное напряжение 5В в широком диапазоне входных напряжений от 5,5 до 45 В, с выходным током до 450 мА по основному каналу и до 150 и 50 мА – по вспомогательным. В статье описаны основные функции устройства, такие как функция ограничения выходного тока, защита от обратной полярности, температурная защита, функция ограничения превышения выходного напряжения, а также цифровая функция встроенного таймера watch dog, предназначенного для подключения конструкции к блоку микроконтроллера.
The paper presents the principles of designing a three-channel voltage regulator. Modern technologies for intelligent power management allow of implementing complex functionality within a single circuit. One of the possible applications of power management systems is their use as voltage regulators. Here, an important role is played by such system parameters as the generated voltage levels and / or currents, real-time temperature monitoring and various types of errors that such a key reports to the central controller in real time. The minimum switching time of such a regulator reduces likelihood of an error associated with noise from the power supply circuits of the microcircuit. Intelligent power management technologies allow the development of a variety of specialized systems such as anti-lock brakes, airbag control or engine management in car electronics. As well as the systems similar in structure in the fields of industrial electronics, telecommunications and data processing. Currently available systems allow to manage power and external systems and analyze systems for errors or hazardous conditions. The proposed solution allows to provide a stable output voltage of 5 V in a wide range of input voltages from 5.5 to 45 V, with an output current of up to 450 mA in the main channel and up to 150 and 50 mA in the auxiliary ones. The paper describes the main functions of the design, such as the function of limiting the output current, protection against reverse polarity, temperature protection, the function of limiting the excess of the output voltage, as well as the digital function of the built-in "watch dog" timer intended for connecting the design to a microcontroller unit.
ВВЕДЕНИЕ
Основой систем интеллектуального управления питанием являются интегральные схемы источников вторичного питания [1, 2], а именно, линейные регуляторы напряжения, формирующие на выходе стабильное напряжение с расширенным функционалом и интерфейсом с основными типами современных микроконтроллеров (микропроцессоров).
Интеллектуальные интегральные схемы управления питанием приобретают большое распространение в различных сферах микроэлектроники, особенно в тех, которые требуют системной интеграции. Современные технологии интеллектуального управления питанием позволяют реализовывать сложный функционал в рамках одной схемы, обеспечивая повышенную надежность при экономии места и веса. Областями применения таких систем являются:
- автомобильная электроника, так как ее растущие требования к безопасности и комфорту ведут к увеличению числа электронных компонентов, используемых в современных автомобилях;
- промышленная электроника, а именно интеллектуальные системы управления машинами и механизмами, в том числе управление электродвигателями различной мощности;
- системы телекоммуникаций, в которых необходимо реализовывать системы, совмещающие передачу сигналов высокой мощности с приемом сигналов на уровне милливатт.
Разрабатываемая ИС предназначена для формирования питающих напряжений модуля питания и будет использована в системах управления приводами и двигателями различной мощности и различного типа, такими как двигатели постоянного тока коллекторные, бесколлекторные, вентильные, двигатели переменного тока синхронные и асинхронные, шаговые двигатели. Двигатели могут быть одно-, двух- и трехфазными. За счет своей универсальности указанные выше системы могут применяться практически везде, где используются электродвигатели.
АРХИТЕКТУРА ТРЕХКАНАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Трехканальный регулятор (рис.1) напряжения состоит из следующих блоков:
- предстабилизатор отвечает за создание условия для старта основных блоков системы;
- источник опорного напряжения формирует термостабильное опорное напряжение системы;
- источник опорных токов формирует стабильные режимные токи;
- буферные усилители, которые входят в состав локальных регуляторов напряжений;
- температурный сенсор формирует сигнал превышения предельной температуры кристалла;
- генератор опорного напряжения формирует стабильную частоту 10 кГц;
- 1-й генератор сигнала "сброс" формирует сигнал сброс микроконтроллера;
- 2-й генератор сигнала "сброс" формирует сигнал сброс внутренних блоков системы;
- блок ограничения выходной мощности выполняет функцию защиты от превышения питающего напряжения и ограничения выделяемой в корпусе мощности;
- локальные регуляторы и регулятор тока короткого замыкания.
ПРЕДСТАБИЛИЗАТОР
Блок предстабилизатора предназначен для создания условий для старта основных функциональных блоков, обеспечивающих точные характеристики системы в целом для широкого диапазона значений питающего напряжения (от 5 до 40 В). К таким блокам относятся: источник опорного напряжения и источник опорных токов. Наличие предстабилизатора обеспечивает высокое значение коэффициента подавления помехи по питающему напряжению и, как следствие, высокую точность значений опорного напряжения и опорных токов. Такая архитектура позволяет использовать в составе основных схем МОП-транзисторы с малым и рабочими напряжениями "сток-исток", что гарантирует высокую точность значений выходных параметров источника опорных напряжений (ИОН) и источника опорных токов (ИОТ).
Принципиальная электрическая схема блока предстабилизатора представлена на рис.2.
БЛОК ОГРАНИЧЕНИЯ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ
Принципиальные электрические схемы проходного ключа и блока ограничения рассеиваемой мощности (ограничителя по току) представлены на рис.3, 4 соответственно. Проходной ключ включен в инверсном режиме с целью исключения тока в режиме переполюсовки питающего напряжения.
Конечно, целесообразно последовательно с ним включить такой же транзистор в прямом включении. Однако, в этом случае на ключе будет удвоенное падение напряжения при суммарном токе нагрузки 0,6 А и выполнить требование по номиналу выходного напряжения будет затруднительно. В активном режиме минимальное сопротивление ключа обеспечивается током блока-ограничителя, создающим на управляющем входе ключа отрицательное напряжение (около 5 В) относительно стока. В спящем режиме, когда этот ток отсутствует, минимальное потребление будет достигаться снятием нагрузки со стабилизаторов.
Блок ограничения по току выполняет несколько функций:
- защита делителя от переполюсовки напряжения питания;
- создание тока управления ключом;
- защита от превышения питающего напряжения и ограничение рассеиваемой мощности.
Две другие функции выполняются:
компаратором, обеспечивающим защиту от превышения питающего напряжения;
двумя преобразователями напряжение в ток, выполняющими ограничение рассеиваемой мощности.
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ СЕНСОР
Принципиальная электрическая схема блока тепловой защиты представлена на рис.5. Здесь, преобразователь напряжения в ток формирует выходной ток, природа которого определяется резистором R1. Схема имеет два режима работы: рабочий и тестовый.
В рабочем режиме в типовых условиях высокий уровень на узле work в обратной связи усилителя срабатывания блока настраивается при температуре 160 градусов и величина гистерезиса. Температура 160 градусов лежит вне температурного диапазона работы микросхемы, что делает контроль тепловой защиты нежелательным.
В тестовом режиме срабатывание блока происходит при температуре 100 градусов, что находится в пределах температурного диапазона работы микросхемы и уменьшает затраты на контроль работоспособности блока. Тримминг блока осуществляется в тестовом режиме установкой срабатывания при 100 градусах. В этом случае, в рабочем режиме устанавливается срабатывание блока при температуре 160 градусов.
ЛОКАЛЬНЫЕ РЕГУЛЯТОРЫ И РЕГУЛЯТОР ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
На рис.6 представлен регулятор тока короткого замыкания.
Для регулировки тока короткого замыкания и номинала выходного напряжения, параллельно выходному транзистору М28 включен сенсорный единичный транзистор М29.
В режиме короткого замыкания, когда на выходе регулятора напряжение близко к нулю, включен усилитель ограничителя по току. При этом включается внутренняя обратная связь усилителя, а на неинвертирующий вход усилителя подано опорное напряжение 1,25 В.
Обратная связь балансирует напряжения на входах усилителя. Изменяя номинал резисторов R32 и R24, происходит управление током короткого замыкания. Так, при уменьшении номинала резисторов для баланса напряжений на входах усилителя требуется больший ток с сенсорного транзистора, а, следовательно, и с выходного транзистора. Таким образом, закачивая ток через пин ireg в резисторы R32 и R24, уменьшается ток короткого замыкания. Регуляторы Q2 и Q3 выполнены по аналогичной схеме и отличаются лишь выходными транзисторами.
При отсутствии короткого замыкания усилитель amp_ilim_p обесточен и при этом включается внешняя обратная связь, освобождая внутренние ресурсы для достижения высокой точности.
Схема линейного уменьшения тока короткого замыкания выше напряжения питания более 22 В работает следующим образом: выходной ток верхнего преобразователя "напряжение – ток" отслеживается делителем и изменяется линейно с изменением питающего напряжения. Выходной ток нижнего преобразователя "напряжение – ток" постоянен.
Далее выходной ток верхнего преобразователя продолжает увеличиваться, а нижнего – остается прежним, что позволяет разницу этих токов передать на выход.
Выходной ток в этом случае линейно возрастает с увеличением напряжения питания.Далее, этот ток поступает в блок регулятора через пин ireg, повышая напряжение на инвертирующем входе усилителя amp_ilim_p, что влечет за собой уменьшение тока короткого замыкания. Этот ток может управляться триммингом, который осуществляет блок регулятора тока короткого замыкания.
БЛОК ИСТОЧНИКА ОПОРНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Принципиальная электрическая схема блока источника опорного напряжения, без которого не обходится ни одна система автоматического регулирования, представлена на рис.7 [3, 4] (ИОН). Он выступает в системе как единица измерения, использование которой обеспечивает статическую точность изделия и определяет точность выходных напряжений локальных регуляторов, выступая как опорный элемент в локальных цепях обратной связи.
"Ядро" схемы представлено подложечными PNP-транзисторами (Q1, Q2), резистором R1 и транзисторами М1, М2. Причем, транзистор Q2 представляет собой N транзисторов Q1. При этом на резисторе R1 выделяется напряжение:
V = (k•T/q) • ln(N)/R1 (1),
где k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона.
В схеме предусмотрен тримминг, на схему которого поступает ток стока транзистора М5, составляющий часть тока транзисторов "Ядра".
БЛОК ИСТОЧНИКА ОПОРНЫХ ТОКОВ
Как и в предыдущем блоке, транзисторы М15 и М18 представляют собой стартовую схему. "Ядро" схемы представлено транзисторами: М46, М47, М33, Q2, Q3 и резисторами: R3, R2, R14, R15. Плотность эмиттерного тока транзистора Q2, в данной схеме, в восемь раз меньше плотности эмиттерного тока транзистора Q3 (рис.8).
Коллекторный ток транзистора Q2 будет иметь положительный температурный коэффициент, а на резисторе R3, в соответствии с выражением (1), образуется соответствующее напряжение. Номиналом резистора R3 мы управляем величиной тока с положительным температурным коэффициентом. Суммой номиналов резисторов: R2, R14 и R15, включенных параллельно переходам "база – эмиттер" биполярных транзисторов, осуществляется управление током с отрицательным температурным коэффициентом. Суммируя эти токи на транзисторе М46 и регулируя один из токов, на выходе достигается независимый от температуры ток.
Схема формирует семь токов номиналом 10 мкА и один ток для генератора (около 1,2 мкА). Тримминг токов осуществляется аналогично блоку ИОН.
ТОПОЛОГИЯ СХЕМЫ
Топология [5] трехканального регулятора напряжения представлена на рис.9.
Цифрами обозначены следующие блоки:
- предстабилизатор;
- буферный усилитель;
- источник опорного напряжения;
- источник опорных токов;
- генератор опорного напряжения;
- 2-й генератор сигнала "сброс";
- 1-й генератор сигнала "сброс";
- ограничитель по току;
- регулятор тока короткого замыкания;
- регулятор;
- регулятор 1;
- регулятор 2;
- температурный сенсор;
- I2C;
- "проходной ключ".
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХКАНАЛЬНОГО РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ
Графики выходного напряжения источника опорного напряжения и каждого регулятора представлены на рис.11 и 12 соответственно.
Выходные результаты представлены на рис.11. По результатам можно сказать, что разброс выходного напряжения по температуре на каждом выходе составляет 0,09 мВ/°C.
КОРПУСИРОВАНИЕ
Предполагается использование данной микросхемы в двух типах корпусов: PSOP и SOIC, которые показаны на рис.12.
ВЫВОДЫ
В результате проектирования трехканального регулятора напряжения получены следующие результаты: разработана принципиальная электрическая схема микросхемы, проведено схемотехническое моделирование с использованием технологических библиотек и специализированных средств САПР, разработана и верифицирована топология интегральной микросхемы. Определены основные электрические характеристики: выходное напряжение, максимальный выходной ток, сопротивление ключа в открытом состоянии.
Разработана измерительная оснастка и проведены лабораторные измерения ключевых параметров. В дальнейшем планируется провести дополнительные лабораторные измерения и тестирование микросхемы для определения дополнительных параметров ИМС и внесение данных в спецификацию.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Wolfang Pribyl, Integrated Smart Power Circuits Technology, Design and Application, ESSCIRC ‘96: Proceedings of the 22nd European Solid-State Circuits Conference, pp 19–26.
Chang H., Jang J., Kim M., Lee E., Jang D., Park J., Park C. (2012). Advanced 0.13um smart power technology from 7V to 70. V. 2012. 24th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs
Brokaw A. (1974). A simple three-terminal IC bandgap reference. 1974 IEEE International Solid-State Circuits Conference. Digest of Technical Papers. https://doi.org/10.1109/isscc. 1974.1155346
Radoias L., Zegheru C., & Brezeanu G. (2012). Substrate leakage current influence on bandgap voltage references in automotive applications. CAS 2012 (International Semiconductor Conference). https://doi.org/10.1109/smicnd.2012.6400752
Alan Hastings The art of analog layout // Prentice – Hall , 2001. 735 с.
Декларация о конфликте интересов.
Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
Отзывы читателей
