Решение задач прецизионного управления исполнительными механизмами не обходится без применения мощных аналоговых устройств. При уровнях рабочих токов свыше 100 мА и напряжениях более 24 В сложность проектирования силовых цепей значительно увеличивается, т.к. помимо электрических характеристик приходится учитывать тепловые режимы работы, способы защиты и т.д. Результатом собственных многолетних наработок компании Apex Microtechnology в данном направлении стал выпуск высокоинтегрированных компонентов, широко применяемых в различных областях промышленности. Отдельного внимания заслуживают устройства, предназначенные для ответственных применений, среди которых особое место занимает аппаратура гражданской и военной авиации, космических аппаратов, а также высоконадежное промышленное оборудование.
ВВЕДЕНИЕ
Компания Apex Microtechnology является известным мировым лидером в разработке и производстве высокоэффек-тивных гибридных и монолитных электронных компонентов. Уже несколько десятилетий компания специализируется на проектировании мощных операционных усилителей с рекордными энергетическими показателями, ШИМ усилителей и прецизионных источников опорного напряжения (ИОН). Интегральное и гибридное исполнение приборов обеспечивает большую надежность по сравнению с традиционными устройствами, выполненными на дискретных элементах, позволяет значительно снизить количество компонентов в схеме, и тем самым сократить время, затрачиваемое на разработку и тестирование. Устройства Apex Microtechnology, обладающие уникальными техническими характеристиками, спроектированы для коммерческого и военного применений, могут использоваться в системах промышленного контроля, измерения и тестирования, в авиации и космосе, системах вооружений, коммуникационном оборудовании, оптических и медицинских приборах [1].
В зависимости от назначения и условий эксплуатации вся продукция компании подразделяется на четыре группы, отличающиеся диапазоном рабочих температур и доступным корпусным исполнением (таблица 1).
Компоненты коммерческого или промышленного назначения активно применяются в COTS (Commercial-Off-the-Shelf) программах, обеспечивающих перенос возможностей производства военных дорогих жестко стандартизированных элементов в коммерческие отрасли. В результате рынок электронных компонентов приобретает высоконадежные устройства, выполненные по более высоким стандартам качества, чем обычные для отрасли, но при этом их цена является доступной для коммерческих разработок, потому что избыточные военные критерии не используются (идут отдельными опциями по желанию заказчика). Для более требовательных приложений предлагаются сертифицированные изделия, в том числе и на соответствие требованиям военных стандартов, они адаптированы для жестких условий внешней среды и работают в температурном диапазоне -55 … +125 °C. Доступен широкий выбор корпусов: от пластиковых типа PowerSIP, отличающихся малой стоимостью, до металлических герметизированных TO-3 с долговременной температурной надежностью (рис.1).
УСИЛИТЕЛИ APEX MICROTECNOLOGY ДЛЯ ОБОРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ, ВОЕННОЙ И ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
Apex Microtechnology в настоящее время выпускает достаточно широкую линейку устройств ответственного назначения, используемых в электронной аппаратуре гражданской и военной авиации, космических аппаратах и высоконадежном промышленном оборудовании. Компоненты данных применений поставляются как в коммерческом исполнении, так и в высоконадежном, в том числе и полностью соответствующем требованиям стандарта MIL-STD-883 (таблица 2). Они могут использоваться для управления исполнительными механизмами (клапанами, задвижками и т.д.), в низкочастотных гидролокаторах, в бортовых системах индикации показаний радионавигационного и радиолокационного оборудования, в драйверах линейных и роторных электродвигателей, генераторах сигналов, программируемых источниках питания, сервоусилителях постоянного тока, в сварочных аппаратах и во многих других устройствах, требующих прецизионного управления [2].
МОЩНЫЕ ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ
Мощные ОУ Apex Microtechnology представляют собой уникальные по своим параметрам высокофункциональные устройства, сочетающие в себе высокие уровни питающих напряжений, точность и максимальное быстродействие наряду с малыми токами покоя и отличной линейностью. Они условно подразделяются на высоковольтные, сильноточные и быстродействующие (с высокой скоростью нарастания выходного напряжения), максимальные характеристики отдельных представителей семейства достигают величин 1200 В, 50 А и 3000 В/мкс соответственно (таблица 3).
Высоковольтными считаются операционные усилители с полным диапазоном напряжения питания более 100 В при однополярном подключении (или более ±50 В при двуполярном). Старший представитель линейки высоковольтных усилителей PA89 и вовсе имеет рекордные показатели 1200 В (или ±600 В). Он характеризуется максимальным выходным током 75 мА (100 мА в импульсе) и выходным пиковым напряжением свыше 1000 В (при включении двух PA89 по мостовой схеме свыше 2000 В). Также заслуживает внимания сверхвысоковольтный гибридный усилитель PA94, позиционируемый для работы с пьезоэлектрическими или электростатическими преобразователями. Помимо высокого питающего напряжения (900 В) он выгодно отличается хорошим быстродействием, скорость нарастания его выходного напряжения достигает величины 700 В/мкс. На выходе обеспечивается максимальный постоянный ток 100 мА, значение импульсного тока может увеличиваться до 200 мА (при емкостной нагрузке), максимальная рассеиваемая мощность составляет 30 Вт (без радиатора при 25°С), номинальное значение тока покоя не превышает 17 мА [3]. Высокую линейность обеспечивает выходной каскад на полевых транзисторах, работающий в режиме АВ. Для улучшения теплоотвода мощные транзисторы припаиваются к подложке. Конструктивно усилитель изготавливается в герметичном, электрически изолированном корпусе PowerSIP. Малогабаритный 8-выводный корпус, занимающий на печатной плате площадь не более 5 см2, идеально подходит для устройств, критичных к габаритам применяемых электронных компонентов. На рис.2 приведена внутренняя структура и схема типового подключения PA94.
Усилитель отличается гибкостью применения: при помощи внешних цепей компенсации задается полоса пропускания и скорость нарастания выходного напряжения. При соответствующем подборе ограничительного резистора усилитель используется со всеми видами нагрузок. Для корректного и безопасного функционирования устанавливается токоограничивающий резистор Rlim с сопротивлением не менее 3,5 Ом, в общем случае величина его рассчитывается из соотношения Rlim = 0,7/Ilim. Номинал конденсатора Cc, предназначенного для коррекции частотной характеристики, зависит от коэффициента усиления и принимает значения от 2,2 до 22 пФ. Несмотря на то, что PA94 способен выдерживать входное дифференциальное напряжение ±20 В, рекомендуется дополнительная внешняя защита, в большинстве приложений достаточно подключить диоды, например 1N4148 или 1N914 (D1 и D2 на рис. 2). Также опциональной является защита источника питания при помощи однонаправленных супрессоров.
Высокое качество сигнала является отличительной чертой всех компонентов четвертого поколения PA44x APEX Microtechnology, изготавливаемых на основе не рекомендуемых для дальнейших разработок изделий серии PA34x. Две одноканальные (PA441DF и PA441DW) и одна двухканальная (PA443DF) монолитные ИС обладают улучшенными характеристиками и выделяются на фоне остальных минимальным уровнем шумов выходного напряжения (среднеквадратичное значение 12 мкВ на частоте 20 кГц), что позволяет применять их в качестве высоковольтных драйверов для управления пьезоэлектрическими приводами.
Усилители работают в широком диапазоне напряжений питания до ±175 В, непрерывный выходной ток составляет 60 мА с пиковым значением 120 мА, двухканальный вариант обеспечивает удвоенное значение тока выхода, потребляя при этом всего 2,2 мА. Все три ИС имеют низкий показатель напряжения смещения 5 мВ при температуре 25°C и не более 20 мВ в температурном диапазоне от -40°C до +125°C. PA441DF и PA443DF поставляются в 24-выводных пластиковых корпусах PSOP, тогда как усилитель PA441DW доступен в электрически изолированном 10-контактном керамическом корпусе форм-фактора SIP [4].
Группу сильноточных приборов образуют устройства, обеспечивающие выходной ток от 1 до 50 А. Максимальный показатель среди всех усилителей Apex имеют модели PA50A и PA52A с 50 А выходом. Микросхемы обладают аналогичными техническими характеристиками, отличие заключается в напряжении питания (100 В у PA50A и 200 В у PA52A). Стоит обратить внимание и на PA05 – усилитель с выходным током 30 А, напряжением питания 100 В и максимальным значением рассеиваемой мощности до 250 Вт, выпускаемый в герметически изолированном корпусе MO-127, обладает превосходной теплопроводностью. Ключевая особенность PA05 – гибкость применения. Встроенная цепь ограничения выходного тока, интегрированный температурный датчик и наличие функции удаленного отключения обеспечивают надежное функционирование в области устойчивой работы (SOA). Для увеличения выходной мощности применяется раздельное питание входного и выходного каскадов. При этом вольтодобавочные выводы +Vboost и -Vboost соединяются с дополнительным источником питания с напряжением на 20 В большим, чем у основного, подключаемого к контактам +Vs и –Vs [5].
К быстродействующим относятся усилители, скорость нарастания выходного напряжения которых превышает 100 В/мкс. Старшей моделью в линейке высокоскоростных мощных усилителей Apex Microtechnology является PA107DP с величиной значимого параметра 3000 В/мкс. Данный усилитель предназначен для управления резистивной, емкостной и индуктивной нагрузками, может работать от источника питания с напряжением до 200 В, характеризуется широкой полосой пропускания 180 МГц и выходным током 1,5 А (до 5 А в импульсе).
Также компанией предлагаются бескорпусные усилители серии MP, выпускаемые с целью снижения стоимости продукции. Конструктивно модули выполнены в форм-факторе, соответствующем корпусам серии DIP (DIP-30, DIP-34 и DIP-42). В целом общее снижение стоимости достигает 75% по сравнению с гибридными компонентами.
Для увеличения выходной мощности, достижения минимального выходного сопротивления и обеспечения корректной работы на нагрузку с высокой емкостью успешно используются широкополосные буферные усилители серии PB. Типовое применение подразумевает соединение ОУ данной серии с малосигнальными операционными усилителями общего назначения, выбранными на усмотрение разработчика. Семейство PB в настоящее время представлено четырьмя компонентами, предназначенными для высоковольтного измерительного оборудования, источников питания и электростатических преобразователей [6]. Все устройства имеют схожую внутреннюю структуру. Входные каскады выполняются на основе биполярных транзисторов, подключаемых по схеме с ОЭ, каскад усиления напряжения – на МОП транзисторах с общим истоком и выходной каскад – на двух комплементарных МОП транзисторах. Усилитель PB50, рассчитанный на напряжение питания 200 В, выходной ток до 2 А и скорость нарастания напряжения 50 В/мкс, изготавливается в герметичном 8-выводном корпусе TO-3. Максимальной выходной мощностью обладают PB51 и PB58 с выходным током 1,5 А и напряжением питания 300 В. Самый быстродействующий представитель серии – двухканальный усилитель мощности PB63 со временем нарастания 1000 В/мкс работает при напряжениях питания от ±20 до ±75 В и способен долговременно обеспечивать выходной ток до 2 А. Его двухканальность позволяет создавать печатные платы с высокой плотностью размещения элементов.
Типовая схема подключения буферного усилителя мощности (на примере PB58) приведена на рис. 3. Изображенная упрощенная схема программируемого источника питания позволяет оценить гибкость эксплуатации компонентов серии PB. Наряду с высокими выходными энергетическими показателями полученный источник питания обладает отличной стабильностью характеристик и хорошим быстродействием.
ИС AD707 компании Analog Devices с чрезвычайно низким напряжением смещения, выступающая в качестве предварительного усилителя, применяется для получения максимально эффективного преобразования сигнала 18-битного ЦАП AD1139. Точность составного усилителя во многом зависит от делителя, состоящего из резисторов R1 и R2 и образующего обратную связь по напряжению, поэтому производителем рекомендуется использовать компоненты с низким температурным коэффициентом.
ШИМ-УСИЛИТЕЛИ
Проектируемые схемы с применением линейных операционных усилителей при всех своих достоинствах имеют один важный недостаток – при уровнях мощности более 200 Вт требования к таким параметрам как отвод тепла, занимаемое место на плате и число компонентов значительно ужесточаются, что приводит к усложнению и удорожанию разрабатываемого устройства. Более привлекательной альтернативой в этом случае являются ШИМ усилители, КПД которых часто превышает 95%, поэтому они требуют в значительной степени меньший отвод тепла.
Группа ШИМ усилителей компании Apex Microtechnology, рекомендуемых для высоконадежных применений, в настоящее время представлена 9 моделями, предназначенными преимущественно для управления электродвигателями и выпускаемыми в зависимости от значений выходного тока в интегральном исполнении или в виде бескорпусных модулей (таблица 4).
Среди всех устройств, построенных по мостовой и полумостовой схеме, максимальным уровнем выходного тока отличается усилитель SA03, имеющий КПД 97% и полную отдаваемую мощность 3000 Вт, при этом 12-выводный герметичный корпус MO-127 занимает на печатной плате площадь не более 15 см2. Его структурная схема и пример включения приведены на рис. 4.
Усилитель может синхронизироваться внешним или внутренним генератором [7]. Встроенный генератор с номинальной частотой 45 кГц не требует подключения внешних компонентов, в приведенной схеме при помощи входного делителя на 2 обеспечивается рабочая частота переключения в 22,5 кГц. Внешний источник тактовых сигналов может использоваться для понижения частоты либо для синхронизации нескольких усилителей. Также SA03 снабжен необходимыми для безопасного функционирования схемами защиты. Контроль тока осуществляется при помощи выводов I SENSE A, B, при этом определяется значения амплитуды и направления токов для каждой половины моста, а вход отключения SHDN выключает все четыре транзистора H-моста. Схема ограничения тока предохраняет усилитель от короткого замыкания на источник питания или общий провод и дополнительно на нагрузку. Выходной каскад SA03, выполненный на полевых транзисторах, защищается от тепловых перегрузок путем непосредственного контроля температуры кристалла.
Усилитель SA53 с выходным током 3 А и его 8 А аналог SA57A изготавливаются в 44-выводных низкопрофильных корпусах PSOP для планарного монтажа, отличающихся превосходными тепловыми характеристиками. Они относятся к классу недорогих интеллектуальных ШИМ усилителей, предназначенных для управления электродвигателями постоянного тока и исполнительными механизмами на соленоидах [8]. Из основных особенностей можно выделить широкий диапазон напряжений питания силовой части от 8,5 до 60 В, а также наличие встроенной логики управления затворами транзисторов с цепями формирования ”мертвого времени” и предотвращения сквозных токов. Два независимых полумоста обеспечивают пиковый выходной ток 10 А (SA53) и 17 А (SA57A). Структурная схема, показывающая основные логические цепи одного полумоста усилителя SA53, изображена на рис. 5.
Запатентованная технология изготовления позволяет размещать на одном кристалле низковольтную КМОП логику и силовые ДМОП устройства. Независимое измерение тока каждого полумоста, необходимое для регулировки скорости вращения двигателя, не требует применения внешнего шунтирующего резистора. Напряжение, пропорциональное выходному току, снимаемому с P-канального полевого транзистора, появляется на резисторах, подключенных к выводам I1 и I2. Встроенные цепи защиты генерируют аварийные сигналы короткого замыкания (SC), превышения тока (ILIM/DIS1) и температуры (TEMP) при возникновении соответствующих ситуаций, организуя, таким образом, необходимую для безопасной работы обратную связь с контроллером всей системы. Дополнительно доступно аппаратное ограничение пикового тока, не требующее применения микроконтроллера или DSP процессора. При превышении заданного порога Vth, устанавливаемого для SA53 на уровне 3,75 В (с гистерезисом 100 мВ), все транзисторы выходного каскада отключаются.
ИС SA303 и SA306A представляют собой высокоинтегрированные трехфазные аналоги усилителей SA53 и SA57A, полностью совместимые с ними по основным техническим параметрам. Они предназначаются для управления трехфазными электродвигателями постоянного тока. На рис. 6 представленная типовая схема подключения ШИМ усилителя SA303.
ИС SA160 и SA160A, предназначенные для управления коллекторными электродвигателями и работы на реактивную нагрузку, предлагаются в качестве замены устаревшему усилителю SA60, не рекомендованному для дальнейших разработок [9]. Представляют собой повыводно совместимые с предшественником ШИМ усилители класса D, ключевой особенностью которых является чрезвычайно низкое сопротивление канала исток-сток RDS(on) у ключевых элементов (140 мОм в диапазоне рабочих температур от -40°C до +85°C). Это способствует снижению тепловыделения почти в 2 раза по сравнению с SA60. Разработанные с использованием топологии H-моста, устройства имеют одинаковое напряжение питания 80 В, КПД 97%, но отличаются максимальной выходной мощностью, которая составляет 800 Вт для SA160 и 1200 Вт для версии SA160A. Управляющий ШИМ сигнал как в ИС SA160, так и в усилителе SA160A может быть сгенерирован самим компонентом и задаётся вплоть до значения 125 кГц внешним конденсатором. Также оба усилителя могут работать с внешним задающим сигналом частотой до 250 кГц. Интеллектуальные схемы драйверов верхнего и нижнего плечей являются независимыми. Компоненты выпускаются в герметичном 12-контактном корпусе форм-фактора PowerSIP, для заказа доступны две его модификации. Стандартная версия “DP” предназначена для вертикального монтажа, а альтернативный вариант “EE” для монтажа компонента под углом 90° в разработках, где печатная плата располагается параллельно теплоотводу усилителя.
Использование в своих разработках нового поколения высокомощных ШИМ усилителей с повышенными уровнями интеграции способствует модернизации систем управления двигателем и уменьшению их стоимости. Применение новых ИС MSA240 и MSA260, изготавливаемых на основе технологии Open Frame (бескорпусные модули в форм-факторе типа DIP), позволило уменьшить стоимость более чем на 70% по сравнению с аналогичными устройствами в герметичных корпусах [10]. Максимальные характеристики имеет усилитель MSA260 с напряжением питания до 450 В и номинальным выходным током 20 А, его аналог MSA240 рассчитан на меньшие напряжения (до 100 В). Конструктивно устройства включают в себя генератор, компаратор, усилитель рассогласования, компараторы ограничения тока, 5 В источник опорного напряжения и управляющий контроллер. Выходной каскад MSA260 состоит из IGBT транзисторов, соединенных по мостовой конфигурации, тогда как в усилителе MSA240 в качестве силовых применяются MOSFET устройства. Все эти элементы располагаются на одной печатной плате (рис. 7). Усилитель рассогласования на входе может использоваться как дифференциальный усилитель для обслуживания нескольких схем управления двигателем. Рабочая частота коммутации MSA240 и MSA260 может достигать 50 кГц, при необходимости возможна ее регулировка. Путем добавления внешних цепей, измеряющих и сравнивающих ток элементов выходных каскадов, на базе усилителя легко реализуется драйвер двигателя с поддержкой управления крутящим моментом по 4-квадрантному принципу.
СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ
Для облегчения проектирования и ускорения вывода готового изделия на рынок компания Apex Microtechnology предоставляет отличную техническую поддержку. Вся информация доступна для ознакомления не только на официальном сайте компании, но и на русскоязычном зеркале http://www.apexmicrotech.ru. Помимо полной технической документации для разработчиков предлагаются руководства по выбору и применению, SPICE-модели компонентов для схемотехнического моделирования, демонстрационные платы для оценки возможностей устройств, технические статьи и материалы семинаров, а также программа расчетов параметров принципиальных схем и радиаторов.
Средство проектирования Power Design представляет собой макрос для пакета MS Excel, предназначенный для расчета уровней мощности, стабильности схемы и параметров фильтров. Power Design содержит таблицы выбора конкретного изделия исходя из параметров напряжения, тока и частотных требований. Для точного расчета необходимого теплоотвода также имеются таблицы выбора радиаторов исходя из условий температурного сопротивления и типов применяемых корпусов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Уникальные по своим параметрам устройства компании Apex Microtechnology уже несколько десятилетий занимают лидирующее положение на рынке мощных усилителей. Технология изготовления и параметры применяемых элементов постоянно совершенствуются, в связи с этим регулярно выпускаются новые изделия и модернизируются уже существующие. Номенклатура каждого из семейств достаточно широка для того, чтобы выбрать компоненты с требуемым значением ключевого параметра. Их применение позволяет значительно повысить надежность и сократить время разработки, снизить стоимость проекта в целом и найти решение, которое было нереализуемо по причине его дороговизны в дискретном исполнении или просто невозможно по техническим причинам.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1) Официальный сайт компании Apex Microtechnology. // www.apexanalog.com.
2) Defense and aerospace solutions. // Product summary guide. August, 2014// www.apexanalog.com.
3) PA94: High voltage power operational amplifier. // Datasheet. October, 2012. // www.apexanalog.com.
4) PA441DF/PA441DW/PA443DF: 350V single, dual low-noise power amplifier. // Product overview. 2012 // www.apexanalog.com
5) PA05: Power operational amplifier. // Datasheet. September, 2012. // www.apexanalog.com.
6) Power booster applications. // Application note. October, 2012. // www.apexanalog.com.
7) SA03: Pulse width modulation amplifier. // Datasheet. October, 2012. // www.apexanalog.com.
8) SA53: Switching amplifier. // Datasheet. October, 2012. // www.apexanalog.com.
9) SA160: H-bridge motor driver/amplifiers. // Datasheet. October, 2013. // www.apexanalog.com.
10) MSA240: Pulse width modulation amplifiers. // Datasheet. July, 2014. // www.apexanalog.com.
