Ir2161 описание на русском

IR2161 VS IR2153. Импульсный блок питания на IR 2161

Автор: Fenix_12, skaramyshev@mail.ru
Опубликовано 01.12.2015
Создано при помощи КотоРед.

IR2161 VS IR2153. Импульсный блок питания на IR 2161

Эта статья будет интересна тем кто собирал ИИП на основе IR2153. На самом деле IR2153 плохо подходит для создания ИИП, из-за отсутствия штатной системы защиты от КЗ и перегрузок, невозможность при необходимости «димированния» и создания обратной связи по напряжению и току.

Более подходит для создания ИИП IR2161. Это полумостовой импульсный преобразователь для питания галогеновых ламп. Особенности 2161 – защита от перегрузок и КЗ с автоматическим сбросом, мягкий старт, возможность димирования (несколькими способами), возможность построения обратной связи. После построения входных и выходных каскадов получается импульный источник питания.
Вот схема ИИП на 2161.

Напряжение питания и ток у этих микросхем примерно одинаковые, значит можно использовать для 2161 схему питания как у 2153 на резисторах R2 и R3 по 2 Вт, можно использовать китайский «кирпичь» 5 Вт на 18-30 кОм.

На борту 2161 присутствует функция мягкого старта (софтстарт). Работает примерно так: сразу же после запуска, частота внутреннего тактового генератора микросхемы составляет около 125 кГц, что значительно выше рабочей частоты выходного контура С13С14Тr1 (около 36 кГц), в результате напряжение на вторичной обмотке Т1 будет мало. Внутренний генератор микросхемы управляется напряжением, его частота обратно пропорциональна напряжению на конденсаторе С7. Сразу же после включения, С7 начинает заряжаться от внутреннего источника тока микросхемы. Пропорционально росту напряжения на нем будет уменьшаться частота генератора микросхемы. При достижении 5В (около 1сек.) частота уменьшится до рабочего значения, около 36кГц, а напряжение на выходе схемы соответственно достигнет номинального значения. Таким образом и реализован мягкий старт, после его завершения IC1 переходит в рабочий режим.

Вывод CS (выв.4) IC1 является входом внутреннего усилителя ошибки и используется для контроля тока нагрузки и напряжения на выходе полумоста. В случае резкого увеличения тока нагрузки, например, при коротком замыкании, падение напряжения на токоизмерительном резисторе R7 превысит 0,56В, а следовательно и на выв.4 IC1, внутренний компаратор переключится и остановит тактовый генератор. . В апнот и даташит присутствуют расчеты резсистора-токового датчика R7. Вывод можно сделать сразу 0,33 Ом – 100Вт, 0,22 Ом – 200Вт 0,1 Ом-300Вт, не испытывал, но можно попробовать 2 резистора параллельно по 0,1 Ом – тогда максимальная нагрузка составит 400Вт. Испытание защиты от КЗ я показал а видео. Более подробно режимы работы микросхемы IR2161 рассмотрены в даташит.
Конденсатор C3 емкостью не менее 1мкФ на 1Вт выходной мощности. С таким конденсатором обязательно применение термистора NTC1, например от компьютерного блока питания.

Можно производить расчеты трансформатора, можно взять готовый, но я решил намотать на неизвестном ферритовом кольце 29 мм. Я отказался от расчетов, т.к. это полумост и другом конце моста стоят конденсаторы С13С14, — можно ошибиться на 200%. Первичку намотал проводом диаметр 0,5 мм. полностью заполнил кольцо примерно 80 витков, вторичка литц в 4 провода 0,5 мм на глазок, двуполярно на 24В, 2 по 12В. Примеры расчетов трансформатора присутствуют в апнот и даташит.
Видео состоит из 3х частей, в них рассмотрены теория, сборка и испытание ИИП на 2161.

Видео состоит из 3х частей, в них рассмотрены теория, сборка и испытание ИИП на 2161

International Rectifier IR2161 IR2161S IR2161STR

Технология адаптивного управления интервалом ‘deadtime’ формирует новый стандарт

25 мая, 2004г. — Фирма International Rectifier, IR® представила вниманию потребителей IR2161 , первую в мире ИС интеллектуального управления , специально разработанную для применения в электронных трансформаторах, питающих низковольтные галогеновые лампы . Все необходимые функциональные узлы интегрированы в одном 8-выводном корпусе DIP- или SOIC-типа, что способствует уменьшению числа компонентов, упрощает схемотехнику и повышает надежность.

Новая управляющая ИС IR2161 способна адаптивно реагировать на изменения питающего напряжения, колебаний частоты и условий работы ламп, обеспечивая высоконадежную работу трансформаторов галогеновых устройств и рационализируя их разработку и производство.

Обладая характеристиками изделий, выполненных по разработанной фирмой IR технологии производства высоковольтных микросхем, предлагаемое вниманию малогабаритное 8-выводное устройство содержит в своем составе 600-вольтовый полумостовой драйвер, усовершенствованную схему защиты от перегрузок и коротких замыканий, блок адаптивного управления, а также систему отключения при превышении температуры и представляет надежное альтернативное решение при традиционном подходе, основанном на полумостовой схеме с биполярными транзисторами и саморезонансным принципом действия. Для IR2161 имеется также возможность работы в режиме диммера с внешним управлением (в симисторной системе со стандартным фазовым регулированием). По сравнению с аналогичными схемами, в которых применяются дискретные компоненты, использование IR2161 может уменьшить число деталей на 20%.

Адаптивное управление паузой ‘deadtime’
Адаптивное управление интервалом времени ‘deadtime’ является важнейшей функциональной характеристикой IR2161, повышающей надежность работы трансформаторов с помощью непрерывной поддержки "мягкого" режима коммутации. В микросхеме имеется каскад активного управления интервалом ‘deadtime’, определяющий момент полного спада до 0 В постоянного напряжения на шине полумоста и устанавливающий "высокий" уровень на выходе L0 нижнего (по схеме) драйвера. Внутренняя система ‘выборки и хранения’ позволяет сформировать примерно такой же интервал задержки и использовать его для перевода выхода верхнего драйвера (H0) в "высокое" состояние после отключения нижнего плеча. Адаптивная система управления интервалом ‘deadtime’ влияет на формирование циклических колебаний и подстраивает период паузы по мере необходимости поддержания ‘мягкого’ режима коммутации вне зависимости от внешних условий.

Технология HVJI, внедряемая фирмой IR
Производство IR2161 фирмой International Rectifier базируется на технологии изготовления ИС HVJI (high-voltage junction-isolation — изоляция полупроводниковых переходов в изделиях высоковольтного применения). Данный патентованный метод позволяет разделить высоковольтные и низковольтные цепи таким образом, что как силовые, так и управляющие драйверные функции могут быть реализованы на одном, компактном кристалле, обеспечивая выполнение управления при разнообразных топологиях импульсных преобразователей. Так как для работы галогеновых осветительных систем требуются и силовые, и управляющие каскады, в подобной ситуации в высшей степени применимыми оказываются компоненты, изготовленные фирмой IR по HVJI-технологии. Среди основных характеристик IR2161: выходная нагрузочная способность драйвера 250/400 мА, стабилизация Vcc с помощью диода Зенера (стабилитрона) на 15.6 В, микромощное потребление — менее 300 мкА (при запуске), а также встроенный генератор с рабочей частотой от 30 кГц до 125 кГц.

Помощь в разаботке
Щелкните кнопкой мыши, направив ее на какое-либо наименование изделия из приведенных ниже, чтобы получить доступ к документации на IR2161. В дополнение к этому, целый комплект статей по применению (AppNot’s), сводных таблиц с техническими данными, программ для конструкторов и руководств по разаботке имеется по адресу: IR Lighting website.

Доступность приобретения и стоимость
Микросхема преобразователя IR2161 доступна к приобретению непосредственно в настоящий момент времени в вариантах: 8-выв DIP, 8-выв SOIC и 8-выв SOIC на ленте и катушке. Начальная стоимость IR2161 — US $0.73 за 1 шт. (IR2161S) в количествах от 100.000 шт.

Данная статья посвящена серии импульсных источников питания 2161 Second Edition (SE) на основе контроллера IR2161.

С момента публикации первой статьи о импульсном источнике питания (ИИП) на основе IR2161 прошло совсем не много времени, тем не менее за этот короткий промежуток времени мной была проделана большая работа по исследованию контроллера IR2161 и усовершенствованию ИИП на его основе. Работа все еще ведется, но на данный момент достигнута определенная логическая точка на которой я решил пока остановиться.

Здесь будет рассказано о трех законченных ИИП на основе IR2161, каждый из которых будет лучше предыдущего, будут приведены их схемы, печатные платы и описаны некоторые важные моменты.

Но прежде чем начать рассказ непосредственно о самих блоках питания, хочется остановится на самой IR2161 и подробно описать принцип и особенности ее работы. Как показало время, даже те кто собирают свои собственные импульсные блоки на 2161, плохо представляют как эта микросхема работает (китай+, привет). Именно по этой причине, можно встретить очень много элементарных вопросов на которые без труда можно было бы найти ответы в даташите, но видимо не все сами способны понять изложенный там материал, а многие попросту ленятся вникать.

IR2161 — это специализированная интеллектуальная интегральная схема полумостового преобразователя для галогенновых ламп (электронный трансформатор). Помните электронные трансформаторы "Тошибра"? Именно для подобных "электронных трансформаторов" и разработан данный контроллер, но только не для тех дешевых китайских подделок вроде "Тошибры", а для хороших и качественных электронных трансформаторов которые не имеют ничего общего с изображенной "Тошиброй".

Контроллер IR2161 включает в себя все необходимые защиты, а также позволяет приспосабливать преобразователь для диммирования стандартным димером фазового регулирования (возможность диммирования для наших целей не имеет никакого значения). Имеется также компенсация выходного напряжения в зависимости от мощности потребляемой нагрузкой. IR2161 имеет адаптивное мертвое время что улучшает стабильность работы и частотную модуляцию "dither" для снижения электромагнитного излучения (ЭМИ). Все это интегрировано в маленький 8-контактный DIP или SOIC-корпус, позволяющий сделать размеры ИИП как можно меньше.

Кратко перечислю возможности IR2161 перечисленные в даташите:

• Защита от короткого замыкания и перегрузки;
• Автосброс защиты от короткого замыкания;
• Частотная модуляция "dither" (для снижения ЭМИ);
• Микротоковый запуск (для первоначального запуска контроллера достаточно тока не более 300мкА);
• Возможность диммирования (но нам это не интересно);
• Компенсация выходного напряжения (своеобразная стабилизация напряжения);
• Софт-старт;
• Адаптивное мертвое время ADT;
• Компактный корпус;
• Производится по бессвинцовой технологии (Leed-Free).

Приведу некоторые важные для нас технические характеристики:

— Максимальный втекающий/вытекающий ток: +/-500мА
Достаточно больший ток позволяет управлять мощными ключами и строить на основе данного контроллера довольно мощные импульсные блоки питания без использования дополнительных драйверов;

— Максимальный потребляемый контроллером ток: 10мА
Ориентируясь на это значения проектируются цепи питания микросхемы;

— Минимальное рабочее напряжение питания контроллера: 10,5В
При меньшем значении напряжения питания контроллер переходит в UVLO режим и осцилляция прекращается;

— Рекомендуемое рабочее напряжение питания контроллера: не менее 12,7В
Напряжение питания при котором контроллер будет уверенно работать;

— Минимальное напряжение стабилизации встроенного в контроллер стабилитрона: 14,5В
Внешний стабилитрон должен иметь напряжение стабилизации не выше этого значения чтобы избежать повреждения микросхемы из-за шунтирования избыточного тока на вывод COM;

— Напряжение на выводе CS для срабатывания защиты от перегрузки: 0,5В
Минимальное напряжение на выводе CS при котором происходит срабатывание защиты от перегрузки;

— Напряжение на выводе CS для срабатывания защиты от короткого замыкания: 1В
Минимальное напряжение на выводе CS при котором происходит срабатывание защиты от короткого замыкания;

— Рабочий диапазон частот: 34 — 70кГц
Рабочая частота напрямую не задается и зависит только от потребляемой нагрузкой мощности;

— Мертвое время по умолчанию: 1мкС
Используется в случае невозможности работать в режиме адаптивного мертвого времени (ADT), а так же при отсутствии нагрузки;

— Частота работы в режиме софт-старта: 130кГц
Частота на которой работает контроллер в режиме софт-старта;

Для понимания далее излагаемого материала вам потребуется типовая схема включения IR2161, поэтому я просто оставлю ее здесь, а вы по мере повествования поглядывайте в нее.

Далее вашему вниманию представляется блок-схема показывающую режимы работы контроллера и порядок их работы:

Основное внимание сейчас следует уделить на то, какие существуют режимы работы микросхемы и в какой последовательности они расположены друг относительно друга. Основное внимание я уделю описанию принципа работы каждого из блоков схемы, а последовательность их работы и условиях перехода из одного режима в другой опишу более кратко. Начну с описания каждого из блоков схемы:

Under-voltage Lock-Out Mode (UVLO), режим блокировки при пониженном напряжении — режим в котором контроллер находится когда напряжение его питания ниже минимального порогового значения (примерно 10,5В).

Soft Start Mode, режим мягкого старта — режим работы, при котором осциллятор контроллера, короткое время работает на повышенной частоте. Когда осциллятор включается, частота его работы изначально очень высока (около 130 кГц). Это приводит к тому, что выходное напряжение преобразователя будет ниже, поскольку трансформатор блока питания имеет фиксированную индуктивность, которая будет иметь более высокий импеданс на более высокой частоте и, таким образом, уменьшается напряжение на первичной обмотке. Уменьшенное напряжение, естественно, приведет к уменьшенному току в нагрузке. По мере заряда конденсатора CSD от 0 до 5В, частота осцилляции будет плавно снижается со 130 кГц до рабочей частоты. От величины емкости конденсатора CSD будет зависеть длительность развертки софт-старта. Однако, так как конденсатор CSD также задает время задержки отключения и участвует в работе узла компенсации напряжения, его емкость должна быть строго 100нФ.

Проблема софт-старта. Хочется быть полностью честным и упомянуть тот факт, что при наличии на выходе блока питания фильтрующих конденсаторов большой емкости, софт-старт чаще всего не срабатывает и ИИП запускается сразу на рабочей частоте минуя режим софт-старта. Происходит этого по причине того, что в момент старта, разряженные конденсаторы во вторичной цепи имеют очень низкое собственное сопротивление и для их зарядки требуется очень высокий ток. Этот ток вызывает кратковременное срабатывание защиты от короткого замыкания, после чего контроллер сразу же перезапускается и переходит в режим RUN, минуя режим софт-старта. Бороться с этим можно увеличением индуктивности дросселей во вторичной цепи, стоящих сразу после выпрямителя. Дроссели с большой индуктивностью растягивают процесс заряда выходных фильтрующих конденсаторов, другими словами, конденсаторы заряжаются меньшим по величине током, но дольше по времени. Меньший зарядный ток не вызывает срабатывания защиты при старте и позволяет софт-старту нормально выполнять свои функции. На всякий случай, по поводу этого вопроса я обратился в техническую поддержку производителя, на что получил ответ:

"Типичный галогеновый преобразователь имеет выход переменного тока без выпрямительных или выходных конденсаторов. Мягкий пуск работает, уменьшая частоту. Для обеспечения плавного пуска необходимо, чтобы трансформатор имел значительную утечку. Однако это должно быть возможно в вашем случае. Попробуйте поместить индуктор на вторичной стороне от мостовых диодов к конденсатору.

С наилучшими пожеланиями.
Infineon Technologies
Steve Rhyme, Support Engineer"

Мои предположения по поводу причины неуверенной работы софт-старт оказались верны и более того, даже способ борьбы с этой проблемой мне предложили такой же. И снова, чтобы быть до конца честным, следует добавить что применение катушек с повышенной индуктивностью, относительно обычно применяемых на выходе ИИП, ситуацию улучшает, но полностью проблему не устраняет. Тем не менее, с этой проблемой можно мириться учитывая что по входу ИИП присутствует термистор, ограничивающий пусковой ток.

Run Mode, рабочий режим. Когда мягкий пуск завершен, система переходит в рабочий режим с компенсацией напряжения. Эта функция обеспечивает некоторую стабилизацию выходного напряжения преобразователя. Компенсация напряжения происходит благодаря изменению рабочей частоты преобразователя (увеличение частоты — уменьшает выходное напряжение), хотя точность такого типа "стабилизации" не высока, она нелинейна и зависит от многих параметров и, следовательно, нелегко предсказуема. IR2161 контролирует ток нагрузки через резистор тока (RCS). Пиковый ток детектируется и усиливается в контроллере, а затем воздействует на вывод CSD. Напряжение на конденсаторе CSD, в рабочем режиме (режиме компенсации напряжения), будет варьироваться от 0 (при минимальной нагрузке) до 5В (при максимальной нагрузке). При этом частота генератора будет варьироваться от 34 кГц (Vcsd = 5В), до 70 кГц (Vcsd = 0В).

Существует так же возможность приладить к IR2161 обратную связь, которая позволит организовать почти полноценную стабилизацию выходного напряжения и позволит значительно более точно отслеживать и поддерживать на выходе необходимое напряжение:

Подробно рассматривать эту схему в рамках данной статьи мы не будем.

Shut Down Mode, режим отключения. IR2161 содержит двухпозиционную систему автоматического отключения которая определяет как короткое замыкание, так и состояние перегрузки преобразователя. Напряжения на выводе CS используется для определения этих условий. Если выход преобразователя будет закорочен, через ключи будет протекать очень большой ток и система должна отключиться в течение нескольких периодов времени в сети, иначе транзисторы будут быстро уничтожены из-за теплового пробоя перехода. Вывод CS имеет задержку отключения для предотвращения ложного срабатывания, либо из-за пускового тока при включении, либо при переходных токах. Более низкий порог (когда Vcs > 0,5 0,5В), IR2161 быстро заряжает CSD до 5В. Когда напряжение на выводе CS больше чем 0,5В и когда порог короткого замыкания 1В превышен, CSD будет заряжаться от 5В до напряжения питания контроллера (10-15В) за 50 мсек. Когда пороговое напряжение перегрузки Vcs более 0,5В, но менее 1В, CSD заряжается от 5В до напряжения питания приблизительно за 0,5 сек. Следует помнить и учитывать тот факт, что на выводе CS появляются высокочастотные импульсы с 50% рабочим циклом и синусоидальной огибающей — это означает, что только на пике напряжения сети конденсатор CSD будет заряжаться поэтапно, в каждом полупериоде. Когда напряжение на конденсаторе CSD достигнет величины напряжения питания, CSD разряжается до 2,4В и преобразователь снова запускается. Если неисправность все еще присутствует, CSD снова начинает заряжаться. Если неисправность исчезнет, то CSD разрядится до 2,4В, а затем система автоматически вернется в рабочий режим компенсации напряжения.

STANDBY mode, режим ожидания — режим в котором контроллер находится в случае недостаточного по величине напряжения питания, при этом он потребляет не более 300мкА. Осциллятор при этом, естественно, выключен и ИИП не работает, на его выходе напряжение отсутствует.

Блоки Fault Timing Mode, Delay и Fault Mode, хотя и показаны на блок-схеме, но по сути режимами работы контроллера не являются, скорее их можно отнести к переходным стадиям (Delay и Fault Mode) или условиям перехода из одного режима в другой (Fault Timing Mode).