Как устроена микросхема KA3842. Какие функциональные блоки входят в ее состав. Как она формирует управляющие импульсы для преобразователя. Какие особенности имеет ее схемотехника.
Архитектура и основные функциональные блоки микросхемы KA3842
Микросхема KA3842 представляет собой ШИМ-контроллер, широко применяемый в импульсных источниках питания. Рассмотрим ее внутреннюю структуру и принцип действия.
Основные функциональные блоки KA3842:
- Генератор импульсов
- Схема обратной связи по напряжению
- Компаратор тока
- ШИМ-модулятор
- Выходной каскад
- Источник опорного напряжения
- Схема мягкого старта
Микросхема генерирует импульсы фиксированной частоты для управления силовым ключом преобразователя. Ширина этих импульсов регулируется в зависимости от выходного напряжения и тока для поддержания стабильного выходного напряжения.
Принцип формирования управляющих импульсов
Как KA3842 формирует импульсы управления для преобразователя?
Генератор вырабатывает импульсы постоянной частоты, которая задается внешними RC-цепями. Эти импульсы поступают на вход ШИМ-модулятора. Схема обратной связи анализирует выходное напряжение и сравнивает его с опорным. Сигнал рассогласования подается на второй вход ШИМ-модулятора. В результате на выходе формируются импульсы, ширина которых зависит от величины выходного напряжения.
Дополнительно ширина импульсов ограничивается сигналом с компаратора тока для защиты от перегрузки. Выходной каскад усиливает импульсы для управления мощным полевым транзистором.
Особенности схемотехники KA3842
В схемотехнике KA3842 применен ряд интересных решений:
- Использование токовых зеркал для создания стабильных токов смещения
- Дифференциальный усилитель в цепи обратной связи для точного сравнения напряжений
- Источник опорного напряжения на основе запрещенной зоны для температурной стабильности
- Схема мягкого старта для плавного запуска преобразователя
- Защита от пониженного напряжения питания
Эти решения обеспечивают высокую стабильность и надежность работы микросхемы в широком диапазоне условий.
Генератор импульсов KA3842
Генератор импульсов является ключевым узлом микросхемы KA3842. Как он устроен?
Генератор построен по схеме релаксационного генератора. Внешний конденсатор заряжается через резистор до порогового напряжения. При достижении порога срабатывает компаратор, который активирует разрядный транзистор. Конденсатор быстро разряжается, после чего цикл повторяется.
Частота генерации задается номиналами внешних RC-цепей. Для точной настройки частоты в микросхеме предусмотрены подстроечные резисторы с плавкими перемычками.
Схема обратной связи по напряжению
Схема обратной связи анализирует выходное напряжение преобразователя и формирует сигнал для ШИМ-модулятора. Как она работает?
Основой схемы является дифференциальный усилитель. На один его вход подается опорное напряжение, на другой — сигнал обратной связи с выхода преобразователя. Усилитель сравнивает эти напряжения и выдает сигнал рассогласования.
Для улучшения характеристик применена двухкаскадная схема с токовыми зеркалами. Это обеспечивает высокий коэффициент усиления и широкую полосу пропускания.
Компаратор тока в KA3842
Компаратор тока является важным элементом защиты преобразователя. Как он реализован в KA3842?
Компаратор построен на основе дифференциальной пары транзисторов. На один вход подается сигнал с токоизмерительного резистора, на другой — опорное напряжение. При превышении тока выше порога компаратор срабатывает и ограничивает ширину управляющих импульсов.
Для быстродействия применена схема с эмиттерной связью. Выходной каскад компаратора выполнен на токовом зеркале для согласования с последующими узлами микросхемы.
Источник опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны
Стабильное опорное напряжение критично для точной работы ШИМ-контроллера. Как оно формируется в KA3842?
В микросхеме применен источник опорного напряжения на основе ширины запрещенной зоны кремния. Его основой являются два биполярных транзистора разной площади. За счет разной плотности тока в переходах формируется напряжение, слабо зависящее от температуры.
Дополнительно применена схема PTAT (пропорциональная абсолютной температуре) для компенсации температурного дрейфа. В результате обеспечивается стабильность опорного напряжения в широком диапазоне температур.
Импульсный блок питания на KA3842
Импульсный блок питания на KA3842
| Схема блока питания |
Базируется схема на микросхеме KA3842, она же UC3842. Сетевое переменное напряжение выпрямляется диодным мостом, поступает оно через плавкий предохранитель PR1 на ток 5 А. Входная цепь состоит из варистора Р1 на 275 В для защиты блока питания от превышения напряжения в сети, конденсатора С1, терморезистора R1 на 4,7 Ом, диодного моста на VD1-VD4 и конденсатора фильтра С2. Терморезистор R1 при включении имеет сопротивление 4,7 Ом, ток заряда конденсатора С2 ограничивается этим сопротивлением, через некоторое время он нагревается от проходящего через него тока и его сопротивление падает до десятых долей Ома, не влияя на дальнейшую работу блока питания.
Резистором R7 обеспечивается питание микросхемы в период запуска блока питания.
Обмотка трансформатора W2 и элементы VD6С8R6VD5 образуют так называемый самозапит,
который питает микросхему в рабочем режиме, а так же осуществляется стабилизация выходных напряжений. От R4C5 зависит частота генерации
внутреннего генератора импульсов KA3842. Делитель на резисторах R2R3 задает
напряжение, вырабатываемое петлей обратной связи, на входе усилителя
ошибки, они определяют напряжение стабилизации. Резистор R11 включен для
определения тока через транзистор VT1, с него через R10C10 напряжение поступает на второй
компаратор микросхемы для ограничения максимального тока. При сопротивлении резистора R11 в 0,51 Ом максимальный ток через транзистор VT1 будет примерно 2 ампера, для тока в 1 ампер его сопротивление должно быть 1 Ом. VD7 R8С9VD8С11R12 устраняют паразитную генерацию и защищают
транзистор от мощных импульсов напряжения. Низковольтная выходная часть блока питания гальванически развязана от входа, там содержатся LC фильтры и линейные стабилизаторы напряжения на фиксированные выходные напряжения.
Следующее Предыдущее Главная страница
Новое. Микросхемы на интернет-аукционе Au.ru
Безопасная сделка с доставкой
Подробнее
Самый известный ШИМ-контроллер для мониторов и любых других обратноходовых (FlyBack) преобразователей
Распиновка
Рассмотрим подробнее назначение выводов ИС для наиболее часто встречающегося восьмивыводного корпуса.
Comp: этот вывод подключен к выходу усилителя ошибки компенсации. Для нормальной работы ИС необходимо скомпенсировать АЧХ усилителя ошибки, с этой целью к указанному выводу обычно подключается конденсатор емкостью около 100 пФ, второй вывод которого соединен с выводом 2 ИС.
Vfb: вход обратной связи. Напряжение на этом выводе сравнивается с образцовым, формируемым внутри ИС. Результат сравнения модулирует скважность выходных импульсов, стабилизируя, таким образом, выходное напряжение ИП.
C/S: сигнал ограничения тока. Данный вывод должен быть присоединен к резистору в цепи истока ключевого транзистора (КТ). При повышении тока через КТ (например, в случае перегрузки ИП) напряжение на этом резисторе увеличивается и, после достижения порогового значения, прекращает работу ИС и переводит КТ в закрытое состояние.
Rt/Ct: вывод, предназначенный для подключения времязадающей RC-цепочки. Рабочая частота внутреннего генератора устанавливается подсоединением резистора R к опорному напряжению Vref и конденсатора С (как правило, емкостью около 3 000 пФ) к общему выводу.
Эта частота может быть изменена в достаточно широких пределах, сверху она ограничивается быстродействием КТ, а снизу — мощностью импульсного трансформатора, которая падает с уменьшением частоты. Практически частота выбирается в диапазоне 35…85 кГц, но иногда ИП вполне нормально работает и при значительно большей или значительно меньшей частоте. Следует заметить, что в качестве времязадающего должен применяться конденсатор с возможно большим сопротивлением постоянному току. В практике автора встречались экземпляры ИС, которые вообще отказывались запускаться при использовании в качестве времязадающего некоторых типов керамических конденсаторов.
Gnd: общий вывод. Следует заметить, что общий провод ИП ни в коем случае не должен быть соединен с общим проводом устройства, в котором он применяется.
Out: выход ИС, подключается к затвору КТ через резистор или параллельно соединенные резистор и диод (анодом к затвору).
Vcc: вход питания ИС. Рассматриваемая ИС имеет некоторые весьма существенные особенности, связанные с питанием, которые будут объяснены при рассмотрении типовой схемы включения ИС.
Vref: выход внутреннего источника опорного напряжения, его выходной ток до 50 мА, напряжение 5 В.
Основные отличия семейства показаны в таблице:
В наличии:
UC3842 t=0-100% Ucc>16В
UC3843 t=0-100% Ucc>9В
UC3844 t=0-50% Ucc>16В
UC3845 t=0-50% Ucc>9В
Самая полная аппнота на UC384x
Даташит
Примеры схем:
Импульсный блок питания (60Вт) на базе ШИМ UC3842
Схема представляет собой классический обратноходовый БП на базе ШИМ UC3842. Поскольку схема базовая, выходные параметры БП могут быть легко пересчитаны на необходимые. В качестве примера для рассмотрения выбран БП для ноутбука с питанием 20В 3А. При необходимости можно получить несколько напряжений, независимых или связанных.
Выходная мощность на открытом воздухе 60Вт (длительно). Зависит главным образом от параметров силового трансформатора. При их изменении можно получить выходную мощность до 100Вт в данном типоразмере сердечника. Рабочая частота блока выбрана 29кГц и может быть перестроена конденсатором С1.
Блок питания рассчитан на неизменяющуюся или мало меняющуюся нагрузку, отсюда отсутствие стабилизации выходного напряжения, хотя оно стабильно при колебаниях сети 190…240вольт. БП работает без нагрузки, есть настраиваемая защита от к/з. КПД блока — 87%. Внешнего управления нет, но можно ввести с помощью оптопары или реле.
Силовой трансформатор (каркас с сердечником), выходной дроссель и дроссель по сети заимствованы с компьютерного БП. Первичная обмотка силового трансформатора содержит 60витков, обмотка на питание микросхемы — 10витков. Обе обмотки наматываются виток к витку проводом 0,5мм с одинарной межслойной изоляцией из фторопластовой ленты. Первичная и вторичная обмотки разделяются несколькими слоями изоляции. Вторичная обмотка пересчитывается из расчета 1,5вольта на виток. К примеру, 15вольтовая обмотка будет 10витков, 30вольтовая — 20 и т.д. Поскольку напряжение одного витка достаточно велико, при малых выходных напряжениях потребуется точная подстройка резистором R3 в пределах 15.
..30кОм.
цена за 1шт
в наличии
Поделиться этим лотом:
Блог Кена Ширриффа: август 2021 г.
Недавно я разбирал блок питания ПК, поэтому решил, что было бы интересно углубиться и посмотреть, что происходит внутри блока питания. ИС управления. На фотографии кристалла ниже показан чип UC3842, который был очень популярен в старых блоках питания для ПК.1 (Чип был представлен в 1984 году, но этот кристалл датирован 2000 годом.) Крошечный кремниевый кристалл создан для создания транзисторов, резисторов и конденсаторов, составляющих схему. Линии более светлого цвета — это металлический слой поверх кремния, образующий проводку чипа. По краям квадратные площадки обеспечивают соединения кристалла с внешними выводами ИС; крошечные соединительные провода соединяют контактные площадки с внешними контактами чипа.
Умер UC3842. Снаружи штифты помечены. (Щелкните это изображение или любое другое, чтобы увеличить его.)
На фотографии ниже показана микросхема, установленная на плате блока питания.
Микросхема UC3842, установленная на плате блока питания. Белый шарик сделан из силикона, который удерживает на месте многие компоненты блока питания.
Чип от блока питания ПК внизу. Это импульсный источник питания, поэтому он использует несколько ступеней для получения выходного напряжения.
На первичной стороне входной переменный ток фильтруется, а затем преобразуется в высоковольтный постоянный ток (примерно от 170 до 340 вольт) мостовым выпрямителем, а большие конденсаторы сглаживают его.
Затем постоянный ток прерывается переключающим транзистором на импульсы тысячи раз в секунду.
ИС управления постоянно регулирует ширину импульсов для регулирования выходного напряжения.
Эти импульсы поступают в трансформатор, который преобразует высоковольтные импульсы в низковольтные сильноточные.
Блок питания ATX с маркировкой основных компонентов. Я снял радиаторы и конденсаторы, чтобы улучшить видимость.
Этот процесс может показаться сложным, но он имеет ряд преимуществ по сравнению с подключением переменного тока от стены непосредственно к трансформатору. Во-первых, поскольку трансформатор работает на частоте в тысячи герц вместо 60 герц, можно использовать трансформатор гораздо меньшего размера. Во-вторых, разделение постоянного тока на импульсы требует очень мало энергии по сравнению с «линейным регулятором», который преобразует избыточное напряжение в тепло. В результате получается недорогой, легкий и эффективный блок питания.
Некоторые кремниевые компоненты
Эта ИС построена из типа транзистора, известного как биполярный, а не из МОП-транзисторов, которые обычно используются в современных ИС. На приведенной ниже сильно увеличенной фотографии показан NPN-транзистор в том виде, в каком он выглядит на микросхеме, с изображением поперечного сечения внизу. Металлическая проводка сверху транзистора видна в виде широких светлых линий. Различные области кремния легируются примесями для изменения его электрических свойств, в результате чего получается кремний N-типа и P-типа. Эти участки слабо видны на фото. Слой оксида поверх кремния обеспечивает изоляцию от металла, за исключением случаев, когда контакт (черный кружок или овал) обеспечивает соединение между металл и кремний.
Схема, иллюстрирующая конструкцию транзистора NPN.
В микросхеме также используется много PNP-транзисторов.
Хотя вы можете ожидать, что PNP-транзистор будет просто противоположностью NPN-транзистора, он имеет другую структуру, с областями, расположенными сбоку, а не вертикально.
Коллектор и база образуют концентрические квадратные кольца вокруг эмиттера.
Базовый провод не подключен к базовой области напрямую.
Вместо этого провод находится на расстоянии, а базовый сигнал проходит снизу через N-слой.
Схема, иллюстрирующая конструкцию транзистора PNP. Пунктирные линии показывают, как коллектор и база окружают эмиттер.
Поскольку этот чип состоит в основном из аналоговых схем, в нем используется много резисторов. На фото ниже показаны несколько типовых резисторов, тонкие серовато-зеленые линии. Резисторы подключены к металлическим проводам на обоих концах, более широкие металлические дорожки. Некоторые резисторы представляют собой прямые линии, в то время как другие расположены зигзагом, чтобы в доступное пространство помещался более длинный резистор (т.е. с более высоким сопротивлением).
Резисторы на кристалле.
Резисторы являются неудобным компонентом для интегральных схем.
Во-первых, они занимают относительно много места, особенно длинные и дорогие резисторы.
Во-вторых, они неточны; их значение может непредсказуемо варьироваться от чипа к чипу или даже на одном чипе.
По этой причине схемы обычно разрабатываются таким образом, чтобы они зависели от отношения между двумя резисторами, что является гораздо более стабильным.
Конденсаторы также громоздки, поэтому микросхема использует лишь несколько для стабилизации своих усилителей. Конденсатор можно сформировать, используя нижележащий кремний в качестве одной пластины, а затем поместив слой поликремния сверху, чтобы сформировать вторую пластину, разделенную тонким слоем изолирующего оксида. Поликремний — это особый тип кремния, который на фотографии выглядит зеленым.
Конденсатор на кристалле.
Архитектура микросхемы
Если обобщить микросхему, то она генерирует импульсы для управления переключающим транзистором, питающим трансформатор.
Эти импульсы имеют фиксированную частоту (например, 52 кГц), но ширина импульсов увеличивается, если требуется больше мощности для поддержания постоянного выходного напряжения.
Микросхема постоянно регулирует ширину импульса на основе обратной связи по напряжению и току от источника питания, поддерживая стабильное выходное напряжение даже при
изменения нагрузки.
Умер UC3842. Основные функциональные блоки кристалла помечены.
Изображение кристалла выше помечено основными функциональными блоками чипа. Его можно сравнить с блок-схемой (ниже) из даташита. Я опишу основные функциональные блоки, прежде чем объясню, как они реализованы.
Блок-схема микросхемы UC3842 с аннотацией. Оригинал из даташита.
Импульсы блока питания начинаются с генератора микросхемы, который
генерирует импульсы с частотой, управляемой внешним резистором и конденсатором.
Под генератором находится схема обратной связи, которая регулирует ширину импульса на основе обратной связи по напряжению и току.
Защелка PWM (широтно-импульсная модуляция) объединяет сигнал генератора и обратную связь для генерации импульсов нужной длительности.
Эти импульсы поступают на сильноточный выходной каскад, который управляет внешним переключающим транзистором.
Сама микросхема питается от вспомогательной обмотки трансформатора, обеспечивающей напряжение от 15 до 30 вольт. Чип регулирует это до внутреннего 5-вольтового питания, используя специальная схема, называемая регулятором запрещенной зоны, чтобы поддерживать это напряжение стабильным в пределах 2% даже при изменении температуры. (Это регулируемое опорное напряжение также подается извне как Vref для внешних схем, которым требуется стабильное напряжение.)
Потенциальная проблема заключается в том, что если источник питания отключен (например), микросхема может вести себя непредсказуемо при падении входного напряжения. Чтобы защититься от этого, функция блокировки пониженного напряжения (UVLO) аккуратно отключает микросхему, если входное напряжение падает слишком низко.
Последней интересной особенностью чипа является то, как он запускается.
Как описано выше, микросхема питается от трансформатора, но микросхема генерирует импульсы, питающие трансформатор.
Это похоже на проблему курицы и яйца, поскольку микросхема не будет получать питание до тех пор, пока она не будет управлять трансформатором.
Решение — подключение к выпрямленному сетевому напряжению через очень большой резистор, поэтому микросхема получает сотни вольт, но
просто микроампер тока.
Стабилитрон (ниже) снижает это пусковое напряжение до 34 вольт, достаточного для того, чтобы микросхема начала генерировать импульсы, после чего преобразователь вступает во владение.2
Стабилитрон на микросхеме. Он ограничивает пусковое напряжение до 34 вольт. Он состоит из пяти последовательно соединенных диодов.
Осциллятор
На приведенной ниже упрощенной схеме показано, как работает осциллятор.
В первой фазе (А) внешний конденсатор заряжается через резистор.
Когда напряжение на конденсаторе достигает фиксированного уровня, включается компаратор (треугольник), возбуждая разрядный транзистор.
В следующей фазе (В) конденсатор разряжается через внутренний резистор, после чего цикл начинается снова.3
Таким образом, выбирая определенные значения для внешнего резистора и конденсатора, разработчик источника питания может выбрать частоту генератора.
На этой диаграмме показано, как генератор управляется внешним резистором и конденсатором.
Как упоминалось ранее, резисторы внутри ИС не соответствуют действительности. Это создает проблему для генератора, поскольку уровень разрядного напряжения устанавливается резисторами. Решение состоит в том, чтобы настроить сопротивления, подключив плавкие предохранители параллельно небольшим резисторам и выборочно перегоревшие предохранители, чтобы добавить резисторы в цепь. В частности, перед упаковкой чипа измеряется его производительность. Чтобы перегореть предохранитель, щупы прижимают к круглым контактам и подают большой ток. Дополнительный этап перегорания предохранителей увеличивает стоимость изготовления микросхемы, но обеспечивает более точную работу.
Предохранители для регулировки сопротивления.
Генератор имеет второй набор предохранителей для настройки сопротивления разряда (ниже).
В этих предохранителях используется другой принцип: они представляют собой «антипредохранители», которые действуют как предохранители наоборот.
Антипредохранитель сначала непроводящий, но пропуская через него большой ток, в антипредохранителе возникает проводящий металлический шип.5
Разрядная схема генератора. Антифузы регулируют сопротивление в генераторе.
Токовые зеркала
Токовые зеркала являются фундаментальным строительным блоком аналоговых схем. Этот чип, как и многие аналоговые чипы, нуждается в небольших устойчивых токах для управляющие усилители, цепи смещения, подтягивающие сигналы и выполняющие другие задачи. Вместо того, чтобы использовать отдельные резисторы для генерации каждого тока, распространенным решением является токовое зеркало: вы управляете одним током с помощью резисторов, а затем используете транзисторы, чтобы сделать копии этого тока. На приведенной ниже схеме показано простое токовое зеркало, в котором фиксированный ток через транзистор слева отражается в трех идентичных копиях.
Базовая схема токового зеркала. Ток слева отражается в трех текущих стоках.
На схеме выше показаны основные текущие зеркала для чипа. Большой резистор в правом нижнем углу управляет током основного транзистора, а остальные транзисторы копируют этот ток.6 Маленькие эмиттерные резисторы улучшают характеристики.
Схема токового зеркала на кристалле.
Усилитель обратной связи или ошибки
Далее я рассмотрю цепь обратной связи по напряжению, который сообщает чипу, если выходное напряжение слишком высокое или слишком низкое. Микросхема получает выходное напряжение, масштабированное для формирования сигнала обратной связи. Усилитель ошибки сравнивает обратную связь с опорным напряжением, чтобы определить, является ли напряжение слишком высоким или слишком низким.
Усилитель ошибки основан на дифференциальном усилителе, который усиливает разницу между двумя его входами.
Эта схема распространена в аналоговых схемах, образуя основу операционного усилителя или компаратора.
Основная идея заключается в том, что токовое зеркало (круг вверху) генерирует фиксированный ток I.
Этот ток разделяется между левым путем (I1) и правым путем (I2).
Если транзистор слева имеет более высокое входное напряжение, чем транзистор справа, большая часть тока пойдет налево.
Но если транзистор справа имеет более высокий вход, большая часть тока пойдет вправо.
Эта схема усиливает разницу напряжений: даже небольшая разница между двумя входами будет переключать большую часть тока с одной стороны на другую.
Дифференциальная пара усиливает разницу между двумя входами.
Усилитель ошибки расширяет эту схему, добавляя в общей сложности около дюжины транзисторов. Эти транзисторы добавляют буферизацию к входам, управляют различными токами и обеспечивают второй каскад усиления. На фото ниже показаны основные компоненты усилителя ошибки. Зеленый конденсатор справа стабилизирует усилитель.
Усилитель с обратной связью по ошибке, как он изображен на кристалле с указанием ключевых компонентов.
Компаратор тока
Источник питания использует обратную связь по напряжению для регулировки ширины импульса, но
он также контролирует ток через трансформатор, поэтому блок питания может
быстрее реагировать на изменение нагрузки.
Обратная связь по току реализуется «компаратором измерения тока». Это похоже на усилитель обратной связи, усиливающий разницу между входами.
(Поскольку это компаратор, а не усилитель, он предназначен для вывода двоичного сигнала вместо аналогового уровня, но основной принцип тот же.)
На приведенной ниже диаграмме показана ключевая схема компаратора тока на кристалле и ее связь с блок-схемой.
Выходной сигнал усилителя ошибки проходит через некоторую схему для регулировки уровней напряжения перед входом в компаратор.7
Как схема измерения тока отображается на компоненты кристалла.
Блокировка при пониженном напряжении
Еще одна интересная схема — это блокировка при пониженном напряжении (UVLO), расположенная в верхнем левом углу кристалла. Целью этой схемы является полное отключение микросхемы, если входное напряжение падает слишком низко. (Это может произойти при сбое питания или даже при отключении блока питания.)
Основой схемы UVLO является стабилизатор запрещенной зоны, который
обеспечивает опорное напряжение, которое будет стабильным даже при изменении температуры.
Это на удивление сложно в интегральной схеме, так как свойства транзисторов меняются в зависимости от температуры.
В регуляторе запрещенной зоны используются два транзистора разных размеров, поэтому температура по-разному влияет на них.
На фотографии кристалла ниже Q2 в шесть раз больше Q1.
Схема запрещенной зоны для блокировки пониженного напряжения.
На приведенной ниже схеме показано устройство регулятора запрещенной зоны. Ключевым фактором является напряжение между базой транзистора и его эмиттером (V до ), которое уменьшается с температурой. Однако, если ΔV быть , разница между двумя V быть увеличивается с температурой. При использовании правильных резисторов эти два фактора уравновешиваются, обеспечивая стабильное опорное напряжение. Схема сравнивает входное напряжение с этим опорным напряжением; см. сноску8 для более подробной информации.
Схема регулятора запрещенной зоны. Токовое зеркало пропускает один и тот же ток по обеим сторонам цепи.
В схеме UVLO опорная ширина запрещенной зоны используется для определения того, падает ли входное напряжение микросхемы слишком низко. Поскольку входное напряжение составляет около 30 вольт, сеть резисторов (ниже) масштабирует его до напряжения запрещенной зоны (около 1,2 вольта) для сравнение.9
Этот набор резисторов формирует делители напряжения для уменьшения входного напряжения для компаратора запрещенной зоны. Обратите внимание на дату маски «00», а также на логотип ST Microelectronics внизу.
Эталон напряжения запрещенной зоны
Чип использует второй эталон ширины запрещенной зоны для создания 5-вольтового источника питания с внутренней стабилизацией для питания схемы чипа. Это напряжение также доступно для внешней схемы. что может потребоваться точное напряжение.
На высоком уровне это опорное напряжение представляет собой линейный источник питания с силовым транзистором, управляющим тем, какая часть входного напряжения проходит через него.
к регулируемому Vref. Сигнал управления поступает от регулятора запрещенной зоны, о котором я расскажу ниже.
Выходная цепь также имеет токоизмерительный резистор для измерения выходного тока. Это ограничивает выходной ток до 50 мА в случае короткого замыкания.
схема. Диод фиксирует выход, если входное напряжение резко падает.
Схема выходной цепи Vref. Транзистор ограничивает напряжение.
На фото ниже показано, как эта схема реализована на кристалле. Силовой транзистор намного больше, чем другие транзисторы, поэтому он может поддерживать сильноточный выходной сигнал. Конструкция диода аналогична силовому транзистору, но без коллектора. Токоизмерительный резистор короткий и широкий, что обеспечивает низкое сопротивление.
Выходная цепь Vref на кристалле.
Основой схемы является опорное напряжение запрещенной зоны ниже.
Схема аналогична схеме опорного напряжения запрещенной зоны для схемы блокировки пониженного напряжения, в ней используются два транзистора, один из которых в шесть раз мощнее.
площадь другого.
Однако шестиходовой транзистор был разделен на два и окружает единственный транзистор.
При такой компоновке, даже если на кристалле есть температурный градиент, однотранзисторный и шеститранзисторный транзисторы будут находиться в одном и том же месте.
Средняя температура.
Транзисторы в основе эталона ширины запрещенной зоны.
Точность регулятора запрещенной зоны зависит от точности его резисторов. Во время производства плавкие предохранители перегорают для настройки сопротивления, как и в случае резисторов генератора. На фотографии ниже также показаны резисторы, которые образуют делитель напряжения для уменьшения выходного напряжения 5 В до напряжения запрещенной зоны 1,2 В. В отличие от тонких меандрирующих резисторов, используемых в других местах, эти резисторы имеют большую толщину и одинаковую длину для повышения их точности.
Резисторы, управляющие эталоном ширины запрещенной зоны.
Выход
На этом этапе я отступлю назад и рассмотрю функцию чипа в блоке питания.
Он управляет переключающим транзистором, заставляя транзистор посылать высоковольтные импульсы через трансформатор.
Микросхема делает это, генерируя управляющие импульсы на своем выходе.
Поскольку переключающий транзистор довольно большой, микросхема выдает управляющий сигнал с относительно большой силой тока (200 мА).
Это требует довольно больших выходных транзисторов внутри ИС.
Микросхема контроллера направляет переключающий транзистор на подачу импульсов через трансформатор.
На фото кристалла ниже показаны два выходных транзистора ИС: верхний подключает выход к высокому уровню, а нижний подключает вывод к земле.
Одна интересная особенность чипа заключается в том, что он имеет две площадки на кристалле для Vin и две площадки для заземления.
Целью этого является то, что выходные транзисторы потребляют большой ток, что может вызвать шумовые колебания в линиях питания и заземления.
мешает остальной части чипа.
За счет отдельных контактных площадок выходной транзистор несколько изолирован от остальной схемы10,9.
0003
Два больших транзистора управляют выходным контактом.
Варианты
Одна интересная особенность этого чипа заключается в том, что четыре разных чипа изготовлены из одного и того же кремния. UC3842 имеет пороговое значение UVLO 16 В, а UC3843 имеет пороговое значение 8,5 В для более низкого напряжения. Приложения. Другие варианты микросхемы (UC3844 и UC3845) имеют триггер для уменьшения скважности импульсов. В этих разных чипах используется немного разная металлическая проводка на одной и той же кремниевой основе. (Легче настроить металлический слой, чем силиконовый.) На фото ниже показаны некоторые места, где металлическая проводка в UC3842 была разорвана для замены проводки.
Крупный план кристалла с некоторыми разорванными соединениями, указанными стрелками.
Заключение
Источники питания обычно воспринимаются как нечто само собой разумеющееся, но они содержат много интересных технологий.
Изобретение чипа управления источником питания в 1975 году стало ключевым шагом в
история усовершенствований блока питания.
Современные микросхемы блоков питания намного сложнее, с функциями повышения эффективности и снижения помех, но микросхема, которую я исследовал,
использует те же основные принципы.11
Аналоговые микросхемы состоят из нескольких важных строительных блоков, таких как дифференциальные усилители, источники тока, токовые зеркала и источники опорного напряжения запрещенной зоны.
Микросхема UC3842 иллюстрирует все эти строительные блоки и то, как они объединяются для создания сложных схем.
Я сообщаю о своих последних сообщениях в блоге в Твиттере, так что следите за мной на kenshirriff. У меня также есть RSS-канал.
Примечания и ссылки
Схемы блоков питания, использующих этот чип UC3842, см. на этом сайте внизу страницы. ↩
Идея стабилитрона заключается в том, что он блокирует ток, как обычный диод, пока не достигнет «напряжения пробоя», при котором он начинает проводить ток. Стабилитроны часто формируются на микросхемах из перехода эмиттер-база NPN-транзисторов, что обычно приводит к напряжению пробоя 6,8 В.
Глядя на фото, вы можете видеть 5 последовательно соединенных транзисторных структур. При напряжении 6,8 вольт каждый это создает напряжение пробоя 34 вольта, показанное на блок-схеме. ↩Компаратор генератора настроен на отключение примерно на 1,6 вольта ниже уровня, при котором он включается, то есть имеет гистерезис. Это гарантирует, что конденсатор значительно разряжается, а не стабилизируется на уровне разряда. Конструкция генератора немного похожа на таймер 555 с фазами разрядки и зарядки, запускаемыми напряжением конденсатора. ↩
Многие резисторы в сети предохранителей изготовлены из резисторов фиксированной длины в различных комбинациях. Например, два соединенных параллельно дают удвоенное сопротивление, а два последовательных дают половину сопротивления. Преимущество комбинирования резисторов фиксированной длины заключается в том, что сопротивления более предсказуемы, чем при изготовлении резисторов разной длины. Различные резисторы имеют примерно двоичные значения, поэтому различные комбинации перегоревших предохранителей выбирают различные сопротивления.
↩Думаю, что в микросхеме используются зенеровские антифузы, так как они внешне похожи на транзисторы NPN без коллектора. Процесс продувки антиплавкого предохранителя, чтобы сделать его проводящим, называется «Zener zap». ↩
Текущее зеркало использует конструкцию с буферизованной обратной связью и резисторами дегенерации эмиттера (подробности). Маленькие эмиттерные резисторы улучшают выходное сопротивление. Три транзистора в токовом зеркале настроены на разделение тока, поэтому каждый потребляет одну треть обычного тока. Другой транзистор имеет эмиттерный резистор большего размера, что снижает ток; небольшое изменение сопротивления приводит к большому изменению тока. Это иллюстрирует гибкость токового зеркала для создания различных токов. ↩
На блок-схеме показана цепь резистор-диод между усилителем ошибки и компаратором измерения тока. Эта сеть масштабирует и обрезает выходной сигнал усилителя ошибок, чтобы сделать его уровни более полезными.
Схемотехника не особо интересна, поэтому подробно останавливаться на ней не буду.
Однако я упомяну, что блок-схема показывает, что на выходе усилителя ошибки используются два диода для снижения напряжения.
Схема, с другой стороны, вместо этого повышает другие сигналы на два уровня диода, что математически работает так же.
(Транзисторы используются для реализации диодных капель, а также 1-вольтового стабилитрона.) ↩Детали ссылки на запрещенную зону слишком сложны, чтобы объяснять их здесь, но я дам краткий обзор в этой сноске. В основе лежит то, что напряжение между базой транзистора и шкалой эмиттера падает линейно с температурой (в градусах Кельвина). Но так как два транзистора имеют разные площади, два транзистора имеют разные масштабные коэффициенты. Разность между напряжениями база-эмиттер двух транзисторов увеличивается линейно с температурой. Комбинируя напряжение, линейно уменьшающееся с температурой, и напряжение, линейно возрастающее с температурой, можно создать напряжение которая остается почти неизменной с температурой.
Это напряжение оказывается напряжением запрещенной зоны кремния, около 1,2 вольта.Масштабирование и объединение этих напряжений осуществляется двумя резисторами, поэтому важно, чтобы температура не влияла на сопротивления. Схема разработана таким образом, что имеет значение только отношение между сопротивлениями, поэтому, если температура одинаково влияет на оба резистора, схема незатронутый. Проблема в том, что температурный градиент на чипе может влиять на одни резисторы больше, чем на другие, но чип использует умную технику компоновки. чтобы избежать этого. Есть семь сегментов резистора: один образует резистор, а шесть соединены последовательно, чтобы сформировать резистор с шестикратным сопротивлением. Одноэлементный резистор помещается посередине тремя сегментами вверху. и три сегмента ниже. Если, например, градиент температуры увеличивает верхнее сопротивление, резистор в середине будет иметь «среднее» увеличение, в то время как Резистор с 6 единицами будет иметь три сегмента резистора с большим увеличением и три с малым увеличением, которые будут компенсироваться.
Схема запрещенной зоны явно не генерирует выходное напряжение 1,2 В. Вместо этого он неявно сравнивает входное напряжение с 1,2 вольта. Схема устроена таким образом, что входное напряжение 1,2 В уравновешивает токи через оба транзистора. Если напряжение увеличивается, одиночный транзистор пропускает больший ток, чем шестиэлементный транзистор. Токовое зеркало заставляет каждую сторону цепи иметь одинаковый ток, в результате чего «дополнительный» ток протекает через выход. Таким образом, если входное напряжение достаточно велико, схема вырабатывает выходной ток, активируя микросхему. Но если входное напряжение слишком низкое, схема не производит выходной ток, отключая микросхему.
Для получения дополнительной информации см. статью с оптимистичным названием «Как сделать опорное напряжение запрещенной зоны за один простой урок». ↩
Другой особенностью схемы блокировки пониженного напряжения является гистерезис ; он имеет более высокое напряжение для включения, чем для отключения.
Цель этого состоит в том, чтобы убедиться, что источник питания не включается и не выключается, если входное напряжение близко к пороговому значению.
Гистерезис реализован через делитель входного напряжения, в котором используются три резистора.
Если микросхема активирована, транзистор подает напряжение питания на второй резистор, увеличивая выходное напряжение делителя.
В результате, когда микросхема активна, напряжение питания должно упасть больше, чтобы микросхема выключилась. ↩Удивительно, но микросхема имеет две контактные площадки для питания и две контактные площадки для заземления, но только по одному контакту питания и заземления. Вместо этого два соединительных провода идут от контактных площадок к каждому контакту внешнего питания и заземления. Хотя это не обеспечивает полного разделения мощности микросхемы и мощности выходной цепи, это все еще выгодно, поскольку соединительные провода толще металлических дорожек и имеют меньшее сопротивление.
Хотя эта микросхема обычно упаковывается в 8-контактный корпус, некоторые производители, такие как Fairchild, выпускают версии UC3842 в 14-контактном корпусе.
Дополнительные контакты позволяют использовать отдельные контакты для схемы, выходной мощности и заземления. ↩Хотя чип UC3842 был представлен в 1984 году, тот, который я исследовал, имеет дату маски «00», поэтому этот дизайн относится к 2000 году. Сам блок питания был 2005 года. ↩
Глядя на фото, вы можете видеть 5 последовательно соединенных транзисторных структур. При напряжении 6,8 вольт каждый это создает напряжение пробоя 34 вольта, показанное на блок-схеме. ↩
↩
Схемотехника не особо интересна, поэтому подробно останавливаться на ней не буду.
Однако я упомяну, что блок-схема показывает, что на выходе усилителя ошибки используются два диода для снижения напряжения.
Схема, с другой стороны, вместо этого повышает другие сигналы на два уровня диода, что математически работает так же.
(Транзисторы используются для реализации диодных капель, а также 1-вольтового стабилитрона.) ↩
Это напряжение оказывается напряжением запрещенной зоны кремния, около 1,2 вольта.
Цель этого состоит в том, чтобы убедиться, что источник питания не включается и не выключается, если входное напряжение близко к пороговому значению.
Гистерезис реализован через делитель входного напряжения, в котором используются три резистора.
Если микросхема активирована, транзистор подает напряжение питания на второй резистор, увеличивая выходное напряжение делителя.
В результате, когда микросхема активна, напряжение питания должно упасть больше, чтобы микросхема выключилась. ↩
Дополнительные контакты позволяют использовать отдельные контакты для схемы, выходной мощности и заземления. ↩
