Роман Поташов, инженер, ЗАО «КОМПЭЛ»
С появлением на рынке ШИМ-контроллеров проектирование импульсных источников питания упростилось. Их габариты заметно уменьшились, т.к. отпала необходимость в применении дополнительных компонентов. Специалистам компании Power Integrations удалось совместить на одном кристалле высоковольтный МОП-транзистор и управляющий ШИМ-контроллер, заметно повысив степень интеграции элементов, что позволяет проектировать источники питания с минимальным числом внешних компонентов.

ВВЕДЕНИЕ
В статье рассказывается о микросхемах компании Power Integrations Inc. (расположена в знаменитой Кремниевой долине, г. Сан-Хосе, штат Калифорния, основана в 1988 г.). Микросхемы рассчитаны на входное напряжение до 265 В переменного тока и предназначены для построения импульсных источников питания. Изюминка заключается в высоком КПД при малой нагрузке вплоть до холостого хода. Это обстоятельство очень важно, т.к. огромное количество энергии расходуется впустую из-за неэффективной работы источников питания многочисленных бытовых и индустриальных устройств, находящихся в режиме ожидания. Используя EcoSmartTM- структуры, которые впервые были получены в 1998 г., компания предлагает всем изготовителям электронного оборудования новые средства борьбы против «электронных вампиров*.

Таблица 1. Семейства микросхем для построения источников питания

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МИКРОСХЕМ
Специалистам компании удалось осуществить прорыв в полупроводниковой индустрии — разработать уникальную технологию, позволяющую интегрировать на одном кристалле высоковольтный МОП-транзистор и управляющий ШИМ-контроллер. В результате, в производственной линейке компании появилось семейство микросхем для разработки компактных источников питания (см. табл.  1).
Энергосберегающая технология EcoSmart , разработанная Power Integrations, повышает КПД импульсного источника питания при малых нагрузках и на холостом ходу, тем самым значительно сокращая расход электроэнергии многочисленных электронных устройств, пребывающих в режиме пониженного энергопотребления. Последнее позволяет проектировщикам и производителям конечных изделий соответствовать мировым стандартам экономичности.

Рис. 1. Расположение выводов высоковольтной части микросхем Power Integrations
 

Рис. 2. Типовая принципиальная схема включения LinkSwitch-XT

Микросхемы, выпускаемые Power Integrations, доступны в корпусах DIP8. SMD8." ТО220, Т0262. Отметим увеличенное расстояние между выводами микросхем, к которым подключаются проводники с высоким напряжением (см. рис. 1). У микросхем, монтируемых на радиаторе, исток высоковольтного МОП-транзистора соединен с металлической подложкой. Кратко остановимся на новых семействах микросхем Power Integration — LinkSwitch-XT. TinySwitch-III. PeakSwitch.
LinkSwitch-XT — это новый уео-вершенствованный представитель семейств LinkSwitch и LinkSwitch-LP. Главное преимущество LinkSwitch- XT. отличающее их от всех предыдущих подобных семейств. — высокая стабильность выходного напряжения. Микросхемы семейства LinkSwitch-XT отлично подходят для построения источников питания, где повышены требования к стабильности напряжения в сети электропитания, например, измерительное оборудование и системы охраны. Микросхема имеет рабочий диапазон входных напряжений 85.-265 В. Основная область применения — устройства мощностью до 4 Вт (адаптерное исполнение), в открытом конструктиве мощность может достигать 9 Вт (230 В, 50 Гц). Основные особенности данного семейства:
—  малое число компонентов;
—  невысокая стоимость при высокой стабильности выходного напряжения;
—  инновационные технологии Clamp less и 1С Trimming transformer construction;
—  встроенный авторестарт по защите от короткого замыкания и разрыва цепи обратной связи;
—  отсутствие обмотки питания обратной связи, что существенно уменьшает стоимость трансформатора.
Универсальный диапазон входного напряжения (S5...265 В) допускает использование устройства на основе микросхем Power Integrations в любой стране мира. Технология энергосбережения EcoSmart позволяет устройству в отсутствии нагрузки потреблять от 300 мВт (без обмотки питания опто-пары) до 50 мВт (с обмоткой). При этом микросхемы удовлетворяют всем мировым стандартам энергосбережения. Защита от перегрева (гистерезис) делает устройство более надежным. Схема частотного джиттера (frequency jitter) снижает ЭМИ и делает фильтрующие элементы более дешевыми. На рисунке 2 показана типовая принципиальная схема включения микросхем LinkSwitch-XT.
Представителем, пополнившим ряд семейств TinySwiteh, стала серия микросхем TinyS\\*itch-III, которая позволяет строить импульсные источники питания с широким диапазоном мощностей 3...28 Вт, что делает их привлекательными при использовании в источниках питания бытовой и индустриальной аппаратуры. Благодаря высокому уровню интеграции и широкому набору встроенных функций семейство микросхем TinySwitch-III позволяет создавать надежные источники питания, успешно конкурирующие с другими аналогичными производителями при самых простых дискретных решениях. Кроме того, в микросхему встроены схема перезапуска, защита от повышенного и пониженного входных напряжений, температурная защита (гистерезис) и схема частотного джит-тера (для минимизации ЭМИ).
UnySwitch-III допускает создание гибких решений при проектировании. Например, разработчик может выбрать для каждого представителя семейства один из трех уровней ограничения выходного тока, без каких-либо дополнительных выводов микросхемы. Ключевое улучшение семейства по сравнению с предыдущими семействами TinySwitch,— возможность оптимизировать каждый источник питания, исходя из КПД или максимальной выходной мощности. При этом соседние микросхемы семейства имеют одинаковые уровни ограничения мощности, при которых в одном источнике питания заменяется одна микросхема семейства на другую без замены трансформатора. Таким образом, производитель может выпускать блоки питания различной мощности, просто заменяя микросхемы и не изменяя при этом топологию печатной платы.
Типовая принципиальная схема включения TinySwitch-III показана на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая принципиальная схема семейства TinySwitch-lll

PeakSwitch — принципиально новое   семейство   микросхем,   предназначение для построения импульсных источников питания с большими пиковыми значениями тока нагрузки. Микросхема способна выдержать значительные пиковые нагрузки, что позволит создавать на ее основе малогабаритные блоки питания для применения в широко распространенных устройствах — принтерах, видеорекордерах, аудиоусилителях и т.д.
Например, у струйного принтера среднее значение потребляемой мощности составляет 30 Вт. в режиме печати для запуска двигателя протяжки бумаги требуется увеличение мощности на выходе источника питания до 80 Вт. Импульсный преобразователь с пиковым увеличением тока нагрузки позволяет достичь пикового значения мощности за счет увеличения частоты преобразования на несколько миллисекунд с последующим возвращением в исходный режим. Такое решение дает возможность использовать трансформаторы, конденсаторы и другие компоненты, рассчитанные на длительный режим работы с усредненным потреблением и имеющие, соответственно, габариты меньше, чем необходимы для пиковой выходной мощности. Этим достигается  оптимизация  построения  блока питания, снижение его стоимости и габаритов. На рисунке 4 представлена типовая принципиальная схема семейства PeakSwiteh.

Рис. 4. Типовая принципиальная схема семейства PeakSwitch.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Для ускорения и упрощения разработки источника питания на базе микросхем Power Integrations существует специальный программный пакет PI EXPERT, который включает в себя следующие программы: PI EXPERT, PI XLS. PI EXPERT TRANSFORMER DESIGNER.
1. PI EXPERT - мощный программный пакет с графическим интерфейсом, который производит следующие действия по расчет\т источника питания:
—  автоматический расчет параметров элементов схемы;
—  оптимизирует полученную конструкцию, исходя из критериев стоимости источника и его КПД;
—  автоматическую или ручную пошаговую оптимизацию;
—  точно подобрать параметры критических компонентов схемы, необходимых для устойчивой работы источника;
—  результат расчета представляется в виде блок-схемы источника, а также в виде таблицы, в которую поблочно сведены параметры элементов схемы;
— сократить время проектирования источника до нескольких минут.
2.  PI XLS — программа, представляющая собой автоматическую электронную таблицу, которая при вводе исходных данных (из технического задания) полностью рассчитывает все параметры источника. Результат расчета представлен в форме таблицы.
3.  PI EXPERT TRANSFORMER DESIGNER — программа, которая по результатам проектирования в PI EXPERT и PI XLS позволяет рассчитать спецификацию трансформатора и конструктивные особенности.