Джонатан Адамс

Выбор бустрепных компонентов для управляющих ИС

1. Работа бустрепного контура

Напряжение VBS (разность напряжений на выводах Vb и Vs управляющих ИС) обеспечивает питание контура драйвера верхнего уровня управляющих ИС.

Напряжение этого питания должно находиться в диапазоне 10 - 20 В, чтобы управляющая ИС могла обеспечить полное насыщение управляемого ею полевого транзистора (МОП ПТ).

Некоторые из управляющих ИС International Rectifier включают схемы детектирования пониженного напряжения VBS для гарантирования того, что ИС не запустит МОП ПТ, если напряжение VBS упадет ниже определенного уровня ( значение VBSUV в справочных листах). Это предотвратит работу МОП ПТ в режиме рассеяния большой мощности.

Это напряжение питания VBS является плавающим напряжением, привязанным к верхнему уровню напряжения VS (которое в большинстве случаев имеет форму высокочастотных прямоугольных импульсов).

Существует много способов генерации плавающего напряжения VBS, одним из которых является описанный здесь бустрепный метод. Этот метод имеет преимущества вследствие простоты и дешевизны реализации, однако на его применение накладываются некоторые ограничения, скважность и время включения ограничены требованиями подзарядки бустрепного конденсатора (длительное время включения и высокие коэффициенты заполнения требуют наличия схемы зарядового насоса -см. статью по применению А N 978).

Бустрепный источник питания формируется комбинацией диода и конденсатора ( как показано на рис.1).

Рис. 1. Бустрепный контур диод/конденсатор для управляющих ИС фирмы IR

Схема работает следующим образом. Когда VS понижается до потенциала земли (из-за МОП ПТ нижнего уровня или вследствие нагрузки, в зависимости от конфигурации схемы) бустрепный конденсатор (Cbs) заряжается через бустрепный диод (DBS) от источника питания 15 В (VCC). Таким образом обеспечивается требуемая величина VBS.

2. Факторы влияющие на бустрепный источник питания

Существует пять влияющих факторов определяющих требования по питанию от СBS конденсатора.

Это:

1. Заряд затвора необходимый для насыщения МОП ПТ.
2. Igbs - ток покоя для контура драйвера верхнего уровня.
3. Токи в схеме сдвига уровня управляющей ИС.
4. Прямой ток утечки затвор-исток МОП ПТ.
5. Ток утечки бустрепного конденсатора .

Фактор 5 относится только к случаю, когда конденсатор является электролитическим и может быть проигнорирован при использовании других типов конденсаторов. Поэтому всегда лучше по возможности использовать не электролитический конденсатор.

3.Расчет номинала бустрепного конденсатора

Следующее уравнение опеределяет минимальный заряд, необходимый для питания бустрепного конденсатора:

QbS = 2Qg +	I qbs (max)	+ Qls +	I Cbs (ут.)	( 1 )
	----------------------		----------------------
	f		f

где

Qg - заряд затвора МОП ПТ верхнего уровня

I cbs (ут) - ток утечки бустрепного конденсатора

Qls - заряд сдвига уровня необходимый для одного цикла = 5 нК (500 В/600 В ИС) или 20 нК (1200 В ИС)

Бустрепный конденсатор должен быть в состоянии обеспечить этот заряд и сохранить свое полное напряжение, иначе будут наблюдаться значительные пульсации напряжения Vbs, которое может упасть ниже порога срабатывания Vbsuv, что приведет к прекращению управления через выход НО.

Поэтому, заряд конденсатора должен Cbs должен минимум вдвое превышать значение, полученное из уравнения (1). Минимальное значение емкости конденсатора может быть рассчитано из уравнения (2):

C >	2 [ 2Qg +	Iqbs (max)	+ Qls +	Icbs (ут.)	]	(2)
		-------------		-------------
		f		f
	-----------------------------------------------------------
	Vcc - Vf - VLS

где

Vf - прямое падение напряжения на бустрепном диоде

V LS - падение напряжения на МОП ПТ низкого уровня (или на нагрузке для драйвера верхнего уровня).

Важное замечание:

Значение емкости конденсатора Cbs , полученное из уравнения (2), является минимально необходимым, однако, из-за принципа работы бустрепного контура, использование конденсатора с низкими значениями номинала может привести к перезаряду, что в свою очередь может повлечь выход из строя ИС.

Поэтому, для того, чтобы свести к минимуму риск перезаряда, а также уменьшить пульсации напряжения Vbs, значение Cbs, полученное из уравнения (2), следует умножить на 15 (чисто практический метод).

Конденсатор Cbs заряжается только тогда, когда выключен транзистор верхнего уровня, а напряжение Vs падает до потенциала земли. Поэтому, время включения ключа нижнего уровня (или время выключения ключа верхнего уровня для драйвера верхнего уровня) должно быть достаточным для того, чтобы заряд при разрядке конденсатора Cbs драйвером верхнего уровня мог быть полностью восстановлен. Следовательно, имеется, по-существу, минимальное время включения ключа нижнего уровня ( или время выключения ключа верхнего уровня в драйвере верхнего уровня). Кроме того, в конфигурации ключа верхнего уровня, где нагрузка является частью цепи движения заряда, импеданс нагрузки может оказывать значительный эффект на зарядку бустрепного конденсатора Cbs - если импеданс нагрузки слишком велик, то конденсатор будет не в состоянии зарядиться до достаточной величины и тогда может потребоваться схема зарядового насоса (см. статью по применению А N 978).

4. Выбор бустрепного диода

Бустрепный диод (Dbs) необходим для того, чтобы можно было блокировать полное напряжение шины источника питания, которое образуется, когда включается транзистор верхнего уровня. Это должен быть диод с быстрым восстановлением для минимизации величины заряда, поступающего обратно из бустрепного конденсатора в источник питания Vcc , а также важна величина тока утечки при высокой температуре, если конденсатор должен сохранять заряд в течение длительного периода времени. Номинальное значение тока диода получают произведением заряда, рассчитанного из уравнения (1) и частоты переключения.

Характеристики диода:

VRRM = напряжению шины источника питания

max trr = 100 нс

IF = Qbs f

5. Советы по топологии контура

Бустрепный конденсатор должен быть всегда размещен как можно ближе к выводам ИС (как показано на рисунке 2):

Рис.2. Рекомендуемая схема расположения бустрепных компонентов

Наконец для обеспечения хорошей локальной развязки должен быть использован по меньшей мере один конденсатор ESR (эквивалентного последовательного сопротивления) с низкими значениями емкости и других параметров, например, если в качестве бустрепного конденсатора используется алюминиевый электролитический конденсатор, то вблизи выводов ИС должен находиться отдельный керамический конденсатор.

Если же в качестве бустрепного конденсатора используется керамический или танталовый конденсатор, то этого уже само по себе достаточно для локальной развязки.

Салат оливье