Оборудование ответственного назначения, эксплуатируемое в условиях экстремальных температур и при воздействии сопутствующих неблагоприятных факторов окружающей среды (механических ударах, вибрации и т.д.), разрабатывается на основе специализированных электронных компонентов. К такой элементной базе следует отнести продукцию компании X-REL Semiconductor, рассчитанную на самые жесткие условия применения, в том числе на широкий диапазон температур – от -60 до +230 °С. В данной статье рассматриваются новинки компании, позиционируемые для производителей высоконадежной аппаратуры нефтегазовой, авиационной, автомобильной и многих других отраслей промышленности.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в мире существует несколько общепринятых диапазонов температур эксплуатации электронных компонентов: коммерческий (от 0 до +70 °С), индустриальный (от -40 до +85 °С), авиационный (от -40 до +125 °С), военный (стандарт MIL-STD-883) и космический (от -55 до +125 °С). В отдельный класс выделена высокотемпературная электроника, функционирующая при температурах свыше 150 °С и широко используемая в нефтегазовой, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности. Значительный рост производства высокотемпературных элементов, наблюдаемый в последнее время, связан с повышением объемов выпуска автомобилей, самолетов, ракетно-космической техники, с увеличением глубины нефтегазовых скважин и т.д.
Среди областей применения для России наиболее актуальной является нефте- и газодобыча. Необходимость использования высокотемпературной электроники определяется экстремальными условиями эксплуатации в скважине. Рабочая температура является функцией глубины скважины, в среднем по планете типичный геотермический градиент составляет 25 °С/км. В прошлом бурение осуществлялось при температурах внутреннего пространства нефтяной или газовой скважины не выше +150..175 °С, в настоящее время ведется экспериментальная разработка полезных ископаемых на сверхглубинах, где температура может превышать 200 °С, а давление достигать 170 МПа. Активное охлаждение практически не реализуемо в столь неблагоприятных условиях, а пассивные методы неэффективны в случае, когда зона нагрева не ограничена самой электроникой.
Помимо нефтегазовой отрасли, высокотемпературные компоненты находят применение и в других областях, например в авионике. Среди тенденций современного самолетостроения можно отметить: отказ от центрального компьютера в пользу множества распределенных микроконтроллеров и замену гидравлических систем управления электронными. В совокупности это позволяет значительно уменьшить число и длину медных кабелей, снизить вес самолета и увеличить надежность управления, разместив микроконтроллеры, датчики, сенсорные интерфейсы и блоки управления питанием вблизи исполнительных механизмов. Однако такое решение приводит к тому, что электроника может оказаться в непосредственной близости от двигателей и в зоне воздействия рабочих температур до 200 °С. Дополнительная система охлаждения при этом нежелательна, так как, во-первых, увеличивает массу и себестоимость самолета, а во-вторых, ее отказ может привести к отказу электронных узлов, управляющих критическими для безопасности полетов системами.
Автомобильная отрасль аналогично авиационной промышленности также переходит к замене гидравлических и механических систем управления электронными. Особо следует отметить электромобили и гибридные автомобили, основные функциональные узлы которых, такие как конвертеры, блоки управления двигателями и зарядные цепи требуют наличия компонентов силовой электроники с высокой плотностью мощности. Электроника, располагаемая рядом с этими узлами, подвергается воздействию повышенных температур, длительность и интенсивность которого зависят от типа автомобиля.
Потребности рынка высокотемпературных изделий удовлетворяет ряд производителей, среди которых одно из ведущих мест занимает компания X-REL Semiconductor, ориентированная исключительно на разработку и выпуск высокотемпературных электронных компонентов.
ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРОДУКЦИИ КОМПАНИИ X-REL SEMICONDUCTOR
Номенклатура продукции компании X-REL Semiconductor включает в себя дискретные полупроводниковые компоненты, а также аналоговые и цифровые интегральные схемы различного функционального назначения [2]. Общей объединяющей чертой всех изделий X-REL Semiconductor является превосходная температурная стойкость. Все они, без исключений, способны долговременно эксплуатироваться с гарантированным соблюдением паспортных характеристик при рабочих температурах от -60 до +230 °С. Предлагаемая линейка вследствие своего разнообразия зачастую позволяет проектировать высокоэффективное оборудование ответственного назначения, используя компоненты от одного производителя. В настоящее время она представлена специализированными микросхемами управления питанием (ШИМ-контроллеры, драйверы силовых ключей, модули, состоящие из мощных МОП транзисторов с драйверами управления, линейные стабилизаторы и источники опорного напряжения), ИС управления тактовыми сигналами (многофункциональные прецизионные таймеры, драйверы кварцевых генераторов), конфигурируемыми микросхемами логики, интерфейсными ИС, а также диодами и МОП транзисторами. Их типовые характеристики можно увидеть в таблице 1.
Обзору ключевых особенностей продукции X-REL Semiconductor посвящена отдельная статья [3], далее будут рассмотрены только новинки компании, недавно появившиеся в свободном доступе.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДРАЙВЕРЫ
Расширение линейки драйверов было выполнено за счет выпуска устройств серий XTR2502x и XTR2602x. Драйверы данных серий содержат большое количество элементов, поэтому производятся в виде интегральных схем. Эти микросхемы, помимо усилителей мощности, включают цепи сдвига уровня управляющих сигналов, вспомогательную логику, цепи для формирования “мёртвого” времени и ряд защит – от перегрузки по току и короткого замыкания, а также от снижения напряжения питания. Конструктивно все компоненты представляют собой бескорпусные полупроводниковые кристаллы (Bare die) либо высоконадёжные керамические корпуса DIP-28 и LJCC-28/52, имеющие дополнительную теплоотводящую площадку. Кристалл драйвера соединяется непосредственно с этой площадкой, что позволяет, с одной стороны, улучшить теплоотвод, с другой – увеличить допустимые значения выходных токов. Благодаря своей возможности работать при высоких температурах, драйверы могут располагаться непосредственно рядом с силовыми ключевыми элементами, что приводит к минимизации паразитных индуктивностей и ёмкостей между ними. Целевыми рынками применения данных ИС являются устройства управления электроприводом, инверторы, источники бесперебойного питания, корректоры коэффициента мощности, импульсные DC/DC преобразователи, высоковольтные коммутирующие устройства для авиации, промышленности, электромобилей и ж/д транспорта.
Высокотемпературные универсальные драйверы XTR2502x предназначены для управления силовыми JFET, MOSFET, BJT, SJT и MESFET транзисторами, изготавливаемыми на основе кремния, нитрида галлия (GaN) или карбида кремния (SiC). На рис. 1 представлена структурная схема драйверов XTR2502x с отображением основных узлов [4].
Для включения транзисторов драйверы XTR2502x используют один канал (PU_DR) с выходным пиковым током 3 A, перевод силовых транзисторов в выключенное состояние осуществляется при помощи двух каналов подтяжки затворов “вниз” (PD_DR и PD_MC), также обладающих максимальным рабочим током 3 A. Канал PD_MC, необходимый для активного подавления эффекта Миллера, имеет цепь плавного отключения силовой нагрузки в аварийном случае. Работа каналов разрешается при наличии логического сигнала высокого уровня на входе EN, в противном случае выходы PU_DR и SSD переводятся в высокоимпедансное состояние, а на PD_DR и PD_MC устанавливаются низкие потенциалы PVSS_PD и PVSS_MC соответственно. Высокие уровни выходных токов и малое выходное сопротивление каналов практически снимают ограничения на величину затворных емкостей используемых транзисторов. Интегрированный “зарядовый насос” позволяет использовать ШИМ сигналы с коэффициентом заполнения до 100%.
Для питания микросхем (VCC) необходим источник постоянного тока с напряжением в диапазоне от 4,5 до 40 В. Питание внутренних логических цепей (VDD) выполняется за счет встроенного LDO регулятора с выходным напряжением 5 В, точностью установки ±5% и выходным током до 50 мА. Все входные логические схемы выполнены с применением триггеров Шмитта. Вывод RDY_FLT предназначен для индикации аварийного состояния, низкий логический уровень на нем сигнализирует о срабатывании одной из защитных схем. Выводы BST_N и BST_P предназначены для подключения бутстрепного конденсатора (бутстрепный диод встроенный).
Защитные цепи включают в себя схему ограничения тока через транзисторы (OCP) и схему блокировки при пониженном напряжении питания (UVLO). Для контроля величины VCC применяется внутренний 1,2 В ИОН, напряжение с которого поступает на компаратор. На другой вход компаратора через внешний делитель заводится напряжение внешнего источника питания. Также отслеживается выходное напряжение внутреннего 5 В регулятора, флаг его готовности устанавливается при достижении порога 3,9 В. Измерение тока осуществляется при помощи резистора, подключаемого между выводами SNS_S_N и SNS_S_P.
В работе драйвера можно выделить три фазы: запуска, нормального функционирования и аварии. В стадии запуска после подачи питания между выводами VCC и VSS и появления на выходе LDO стабилизатора напряжения, достаточного для работы логических схем, PD_DR и PD_MC подтягиваются к нулевому потенциалу PVSS. Этот шаг необходим для зарядки бутстрепного конденсатора. В процессе старта также проводится проверка уровня напряжений VCC и VDD при помощи схемы UVLO. Встроенный таймер, запускаемый после прохождения проверок, отсчитывает задержку 50 мкс для корректного включения внутреннего ИОН. Флаг “1”, появившийся на выводе RDY_FLT, свидетельствует о готовности драйвера к работе.
В стадии функционирования драйвер, как правило, получает сигналы от ШИМ контроллера. Если на разрешающих входах EN и IN_SSD высокий логический уровень, то после задержки прохождения, составляющей 200 нс, сигналы с входов поступают на соответствующие выходы, между каналами PU и PD/MC гарантируется минимальная защитная задержка 30нс.
Фаза аварии наступает при возникновении одного из следующих событий: наличия пониженного напряжения питания на линиях VCC и VDD или перегрузки по току в цепи силовых транзисторов. Сразу после обнаружения сбоя флаг RDY_FLT устанавливается в “0”. Затем независимо от состояния на входах каналы PU_DR, PD_DR и PD_MC выключаются, и при помощи цепи SSD плавно отключается внешний силовой транзистор, затвор которого непосредственно соединен с выводом PD_MC. После осуществления проверки VGATE < VTH_MC ≈1 В, канал PD_MC удерживает транзистор в выключенном состоянии. Выход из аварийного режима осуществляется двумя способами. Если вывод CLR_FLT замкнут на VSS для очистки флага RDY_FLT и перехода в стадию начального запуска необходим сброс напряжения питания. Если же к нему подсоединен конденсатор, то драйвер перезапускается автоматически через минимальный промежуток времени, определяемый из выражения: tCLR_FLT = 30 кОм * CCLR.
Таблица 2 представляет собой таблицу истинности, определяющую логику работы драйверов XTR2502x. Текущий режим работы зависит от уровня логического сигнала на входе XCOND_EN. При XCOND_EN=0 выходы PU_DR, PD_DR и PD_MC независимо управляются значениями на соответствующих входах IN_PU, IN_PD и IN_MC.
Высокий логический уровень (5 В) на XCOND_EN позволяет использовать режим защиты от сквозных токов, возникающих при одновременно открытых транзисторах верхнего и нижнего плеча. Взаимодействие между двумя драйверами XTR2502x, управляющими транзисторами полумоста, выполняется при помощи выводов XCOND_IN, XCOND_OUT и XCOND_OUTB (только в бескорпусной версии), гальваническая развязка обеспечивается двумя изолированными трансиверами серии XTR4001x (рис. 2). Данное аппаратное решение исключает возможность появления короткого замыкания между шиной питания и “землей”. Конфигурирование драйверов производится при помощи специального вывода HS_LSB. При HS_LSB=0 они выступают в качестве драйверов нижнего плеча (режим master), а при HS_LSB=1 управляют транзисторами верхнего плеча (режим slave).
На временной диаграмме, изображенной на рис. 3, наглядно показан порядок управления транзисторами. На IN_PU_HS устанавливается постоянный высокий логический уровень. При появлении логической единицы на выводе IN_PU_LS после задержки tTX+tRX (tTX = 70 нс и tRX = 60 нс) с выхода XCOND_OUT (LS) на вход XCOND_IN (HS) отправляется “0”, переводящий канал PU_DR драйвера верхнего плеча в выключенное состояние, а PD_DR, и затем PD_MC, во включенное. Задержка tDR состоит из времени прохождения вход-выход и длительности фронта/спада импульса (15 нс). Далее проверяется условие VGATE < 1 В и с выхода XCOND_OUT (HS) на вход XCOND_IN (LS) передается “1”, сигнализирующая о том, что верхний транзистор выключен. После задержек tTX+tRX и tDR на затвор нижнего ключа подается сигнал включения. При появлении на линии IN_PU_LS нулевого уровня взаимодействие осуществляется схожим образом.
Практически все вышесказанное относится и к драйверам серии XTR2602х, имеющим аналогичную структуру и режимы работы [5]. Основное отличие от серии XTR2502х состоит в наличии интегрированного изолированного четырехканального приемопередатчика (2 канала TX и 2 RX), обеспечивающего обмен данными между двумя драйверами и связь с внешним управляющим ШИМ контроллером. Данная особенность позволяет отказаться от применения дополнительных трансиверов серии XTR4001x. По сравнению с микросхемами первого поколения (XTR2601х) на 25% были уменьшены размеры корпуса и на 40% снижено требуемое количество внешних пассивных компонентов. Результатом этого стали меньшие габариты готового изделия, на рис. 4 показан внешний вид полумостового драйвера, имеющего размеры всего 120×32×10 мм.
Микросхемы серии XTR2602х имеют повышенный до 4 А пиковый ток канала PU_DR, ток собственного потребления не более 12,5 мА, ожидаемый срок службы при температуре +230 °C составляет 5 лет. Они могут использоваться самостоятельно, но часто, в каскадных схемах из множества транзисторов для каждой фазы их применяют в связке с силовыми драйверами XTR2502х. В этом случае ИС XTR2602х выступает в качестве контроллера, генерирующего необходимые управляющие сигналы и предоставляющего функции дополнительной защиты, а его выходная мощность увеличивается применением одного или нескольких драйверов XTR2502х. На рис. 5 изображена типовая схема подключения устройств серии XTR2602х.
Здесь затворные резисторы RPU и RPD определяют скорость переключения силовых транзисторов, резисторы RUVLO1 и RUVLO2 задают пороговое значение схемы защиты от пониженного напряжения VCC, а конденсатор CCLR – время перезапуска драйвера. Дифференциальное напряжение с токочувствительного резистора RSNS сравнивается с внутренним опорным напряжением 100 мВ схемы OCP, детектируя случаи наступления короткого замыкания.
LDO СТАБИЛИЗАТОРЫ НАПРЯЖЕНИЯ СЕРИИ XTR7002x
Высокотемпературные компоненты серии XTR7002х относятся к линейным стабилизаторам с низким падением напряжения вход/выход, не превышающем 1,2 В при температуре эксплуатации +230 °C. Они позиционируются для применения в преобразователях положительного/отрицательного напряжения, регулируемых источниках питания, а также в качестве источников тока [6]. Выгодно отличаются широким диапазоном входных напряжений (от 3 до 30 В), максимальным выходным током 2 А и превосходными точностными характеристиками. Нестабильность выходного напряжения по сети и по нагрузке составляет 0,015 %/В и 0,15 %/A соответственно, температурный коэффициент – 40 ppm/°C, а уровень шума не более 550 мкВ для Vout, равного 15 В и 75 мкВ для Vout=0,9 В. Данные характеристики гарантируются во всем диапазоне рабочих температур от -60 до +230 °C, возможна работоспособность стабилизаторов и за их пределами, но с большей погрешностью параметров. Малый ток собственного потребления (до 2,3 мА в активном режиме) делает эти устройства оптимальными для устройств с батарейным питанием. Монолитные микросхемы данного семейства выпускаются как в виде бескорпусных кристаллов, так и в малогабаритных керамических корпусах типоразмеров DIP-8, TO-254 и SOIC-10. От варианта корпусного исполнения зависят доступные номиналы выходного напряжения и функциональные возможности. В таблице 3 приведены все возможные варианты.
Наиболее полнофункциональным устройством с 17 доступными фиксированными напряжениями являются стабилизаторы XTR70020-BD и XTR70020-TD, представляющие собой бескорпусные кристаллы. Рис. 6 иллюстрирует их внутреннюю структуру. С целью оптимизации размера и падения напряжения вход-выход стабилизаторы XTR7002x изготавливаются с применением N-канального МОП транзистора, управляемого “зарядовым насосом”. “Зарядовый насос” активен при VIN-VOUT < 5 В, благодаря ему на затвор транзистора подается напряжение выше входного. Определенный номинал напряжения устанавливается путем заземления контактов 0.6V, 0.8V, 1.67V, 1.87V, 2.2V, 3.33V, 6.67V и 8V, дополнительные значения получаются при соединении вывода VrefMult с общим проводом. В этом случае активируется умножитель напряжения, позволяющий в 1,5 раза увеличить каждый номинал. По умолчанию, если эти контакты не подключены, напряжение VREF внутреннего ИОН составляет 10 В, его погрешность не превышает ±3%. Выходное напряжение соответствует опорному при замыкании вывода VOUTSNS на VOUT. При необходимости возможна регулировка значений выхода путем подключения к выводу VOUTSNS резистивного делителя.
Набор защитных функций обеспечивают длительную бесперебойную эксплуатацию в жестких условиях окружающей среды. Защита реализуется при помощи схемы UVLO с порогом срабатывания 2,75 В, блока OCP, ограничивающего выходной ток на уровне 2,6 А и цепи TS, отключающей стабилизатор при достижении температуры 295 °C. Также среди функциональных особенностей можно отметить возможность дистанционного отключения.
ИС XTR70021-SH, вследствие своего корпусного исполнения (всего 10 выводов), отличается ограниченными возможностями. Она не имеет отдельных входов разрешения, встроенные защитные схемы постоянно находятся либо во включенном, либо в выключенном состоянии. Например, температурная защита отключена, а схемы OCP и UVLO включены. Также доступно всего два опорных напряжения: 3,3 В по умолчанию и 0,6 В при заземлении одноименного контакта, умножитель отсутствует. Поэтому основным способом изменения выходного напряжения становится применение внешнего делителя, расчет значения выполняется по формуле Vout = Vref ×(1+R1/R2). Внешний вид XTR70021-SH показан на рис.7. Стабилизатор XTR70025-D, выполненный в корпусе DIP-8, отличается от XTR70021-SH наличием тепловой защиты и всего одним опорным напряжением 0,6 В.
Для приложений, требующих заранее известного определенного номинала выхода, рекомендуются стабилизаторы XTR70022x-T, выпускаемые в трехвыводных корпусах TO-254. При заказе вместо x в наименование подставляются буквы английского алфавита от A до R, каждой из которой соответствует одно из 18 предустановленных на заводе-изготовителе значений выходного напряжения.
ДРАЙВЕРЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ СЕРИИ XTR6002x
Микросхемы данной серии предназначены для использования в генераторах тактовых импульсов, точных времязадающих цепях и генераторах развертки [7]. ИС с напряжением питания от 2,5 до 5,5 В могут работать совместно с кварцевыми резонаторами с частотой от 1 до 50 МГц. Они обладают цепями автоматической регулировки усиления для адаптации к типу используемого кварцевого кристалла, имеют режим пониженного энергопотребления, отдельное питание излучателя и буфера для уменьшения уровня шумов и используют высококачественные корпуса для планарного и сквозного монтажа. На рис.8 представлена структурная схема драйверов XTR60020 и XTR60021. От аналогового источника, подключаемого между VDDA и GNDA, запитываются драйвер кристалла, амплитудный детектор и блок восстановления сигнала, от цифрового – делители частоты и выходной буфер. Все цифровые входы (/LPMode, /PrsSelect, /DIV_0, /DIV_1 и /StdBy) построены с применением триггеров Шмитта и внутренне подтянуты к напряжению питания. Интегрированные конденсаторы C1_10 и C2_10, C1_20 и C2_20 на 10 и 20 пФ соответственно позволяют отказаться от применения внешних. Предварительный делитель, вносящий дополнительный коэффициент деления частоты (1/128), запускается низким логическим уровнем на входе /PrsSelect. Программируемый частотный делитель задает значение основного коэффициента деления (1, 2, 4 или 8) путем использование входных сигналов на контактах DIV_0 и /DIV_1 (см. таблицу 4). В совокупности они позволяют получить коэффициент деления частоты от 1 до 1024
Существуют три режима работы. Стандартный (при /LPMode=1) предназначен для рабочих частот в диапазоне от 1 до 50 МГц, драйвер кварцевого кристалла регулирует коэффициент усиления с целью получения амплитуды колебаний на выводе X1 в пределах 300-500 мВ. Режим энергосбережения выбирается установкой нулевого напряжения на входе /LPMode, максимальная частота не превышает 10 МГц, а драйвер кварца работает с постоянным усилением. Ток в данном режиме уменьшается до значения 0,57 мА при рабочей частоте 1 МГц и напряжении питания 5,5 В. Низкий уровень на /StdBy устанавливает режим ожидания, в котором запрещается работа генератора, а на выходе устанавливается высокоимпедансное состояние. Собственное потребление при этом сокращается до 60 мкА (аналоговые цепи) и 3,5 мкА (цифровые).
Все вышесказанное относится к драйверам XTR60020 и XTR60021, выпускаемым в виде бескорпусных кристаллов либо в 16-выводных корпусах форм-факторов DIP и SOIC. В отличие от них ИС XTR60022, доступная в двух модификациях (DIP-8 и DFP-8) обладает ограниченными возможностями. У нее отключен предварительный делитель частоты, программный делитель имеет всего один коэффициент (2, получаемый при заземлении /DIV_0), все внутренние блоки питаются от одного источника напряжения (рис. 9).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проектирование высококачественных электронных компонентов, предназначенных для эксплуатации в жестких условиях окружающей среды, в том числе при экстремальных температурах, связано с моделированием и расчетом тепловых режимов, выбором и обоснованием применяемых материалов и типов корпусного исполнения, организацией технологических процессов производства и проведением соответствующих квалификационных испытаний. Эти и ряд других сложных задач X-REL Semiconductor успешно решает при производстве своей продукции. Номенклатура изделий компании включает в себя дискретные полупроводниковые компоненты, а также аналоговые и цифровые интегральные схемы различного функционального назначения, широко применяемые в оборудовании буровых установок, геотермальных электростанций, геолого-разведочной аппаратуре, устройствах аэрокосмического и оборонного назначения.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кастро Г., Уотсон Д. Проблемы проектирования и надежности высокотемпературной электроники. // Компоненты и технологии. – 2012. №11
2. Electronic products designed for harsh environments. Product catalog. – December 2016. //
3. Верхулевский К. X-REL Semiconductor – электронные компоненты для экстремальных температур. // Компоненты и технологии. – 2014. №12
4. XTR25020 – High temperature intelligent gate driver. Datasheet, rev. 1C, December 2015.
5. XTR26020 – High temperature isolated intelligent gate driver. Datasheet, rev. 2B, November 2016.
6. XTR70020 – High temperature, high input voltage, 2A positive LDO regulator. Datasheet, rev. 2F, August 2016.
7. XTR60020 – High temperature, high frequency crystal oscillator driver. Datasheet, rev. 1A, December 2015.