В процессе работы над любительскими проектами часто возникает необходимость управления одним или несколькими мощными МОП-транзисторами от микроконтроллера (МК) с напряжением питания 3,3 В. Сама по себе задача не сложная, и её решение приведено в самых разных публикациях [1-3], но, насколько я понял, все эти решения относятся к двум видам - использовать МОП-транзистор с так называемым "логическим уровнем управления" либо применять специальные драйверы, построенные как на отдельных элементах, так и на микросхемах, требующих дополнительного источника питания напряжением 10 В и выше. У меня же возникла проблема как раз с этим дополнительным источником - разместить его оказалось негде, мало того, ток потребления у него оказался выше, чем у МК. Иными словами, задача состояла в создании максимально простого узла управления обыкновенным мощным МОП-транзистором без применения дополнительного источника питания, использующего при этом малый объём и площадь на плате, с малым потреблением тока и изготовляемого из легко доступных элементов невысокой стоимости.
Обычно задача построения повышающего преобразователя напряжения требует применения задающего генератора, в данном случае таким генератором является сам МК. В большинстве мК есть таймеры, но даже если эти таймеры вдруг все заняты, то можно сделать его на основе команды while (1). Причём прерывания, если они достаточно короткие, не оказывают никакого действия на работу устройства. К этому генератору можно подключить повышающий трансформатор и выпрямитель на диоде Шоттки, и проблема решена. Но трансформатор меня не устроил, потому как найти подходящий в продаже мне не удалось, а кроме того, они все ещё и довольно громоздки, что естественно, ведь на магнитопровод намотаны как минимум две обмотки.
Можно применить и другой вариант - умножитель напряжения, который строится из лестницы конденсаторов и диодов. В отличие от первого варианта, такой метод не требует трансформатора, но звеньев в умножителе должно быть несколько, что требует большого числа элементов. Поэтому был избран другой путь - использование резонанса, точнее, резонанса напряжений. Резонанс этого типа происходит в последовательном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого совпадает с собственной частотой контура. При этом напряжения как на катушке, так и на конденсаторе оказываются равными и могут во много раз превысить общее напряжение на зажимах цепи, которое создаёт генератор. Что, собственно, и требуется.
Но у резонансного контура есть важная особенность - влияние на его работу цепей на входе и выходе. Иными словами, генератор, с которого подаётся на колебательный контур переменное напряжение, должен иметь небольшое внутреннее сопротивление. Проверка показала, что многие МК имеют выходы необходимой мощности для обеспечения резонанса в контуре. Если же у МК выход оказался недостаточно мощным, можно применить программно-аппаратное соединение нескольких выводов. Поскольку входное сопротивление цепи затвора у МОП-транзистора велико, оно практически не будет шунтировать выход повышающего преобразователя по выходу (только в моменты переключения). Собственно, именно тот факт и обеспечил преимущества использования последовательного колебательного контура - надобность в мощном источнике питания затвора отпала.
Вопрос с габаритными размерами и доступностью катушки индуктивности в случае использования колебательного контура решается в данном случае на редкость удачно. Подойдёт обычная катушка индуктивности 220 мкГн для поверхностного монтажа типоразмера 1812 (4,5х3,2х3,2 мм) фирмы BOURNS. Номиналы элементов контура указаны для частоты 300 кГц. Индуктивности катушки 220 мкГн оказалось достаточно для уменьшения частоты генератора до 40 кГц. При этом, конечно, пришлось пропорционально увеличить ёмкость контурного конденсатора. При меньшей частоте индуктивность катушки должна быть больше.
Характерной особенностью использования резонанса напряжений в данном случае является то, что нет надобности очень точно подбирать номиналы конденсатора, катушки индуктивности и стабильную частоту задающего генератора, можно использовать и внутренний тактовый генератор МК. Это объясняется тем, что превышение напряжения на катушке индуктивности настолько значительно, что позволяет использовать этот контур и вблизи резонансной частоты.
Рис. 1. Схема устройства
Это устройство, схема которого показана на рис. 1, сначала было смоделировано в PROTEUS, а затем на макетной плате. Были применены МК ATtiny13A в корпусе SOIC-8 и сдвоенная оптопара TLP504A. На выходе OC0A таймером МК генерируются импульсы частотой 300 кГц. Переменное напряжение на катушке L1 выпрямляет диод Шоттки VD1, а выпрямленное напряжение сглаживает конденсатор C4. Стабилитрон VD2 имеет защитную функцию, поскольку напряжение на конденсаторе C4 может превысить 20 В, которое является предельным для затвора многих мощных МОП-транзисторов. В некоторых случаях выпрямленное напряжение уже можно подавать на затвор транзистора VT1 напрямую (без использования оптопар). В этом случае открытие транзистора происходит командой запуска таймера, а отключение - его остановкой. Однако следует учесть, что в этом случае скорость нарастания напряжения на затворе сравнительно мала, т. е. время открывания транзистора определяется этой скоростью. К тому же и закрывание транзистора будет зависеть от времени разрядки конденсатора С4 через резистор R4, который в этом случае обязателен для установки.
Если такой режим переключения является нежелательным, что характерно для больших токов и напряжений, необходимо, чтобы фронты и спады импульсов на затворе были минимальной длительности. Эта задача может быть решена разными способами, но исходя из минимизации размеров, оказалось наиболее удобным применение сдвоенной оптопары U1, которая управляют напряжением на затворе транзистора по команде на выходе PB2 МК, в то время как таймер можно включать и выключать с помощью другой команды. Скорость переключения в этом случае определяется в значительной степени быстродействием оптопары. Например, для получения более быстрого переключения имеет смысл использовать оптопары HCPL4504. От одного такого преобразователя можно управлять несколькими полевыми транзисторами, это зависит, в первую очередь, от применённого МК.
Рис. 2. Фрагмент программы для тестирования устройства
Рис. 3. Осциллограммы напряжения на выводе 5 МК (вверху) и на аноде диода Шоттки VD2 (внизу)
Рис. 4. Осциллограмма сигнала на затворе VT1 при управлении с помощью оптопар
Фрагмент программы для тестирования устройства показан на рис. 2, код написан в Microchip Studio (ранее Atmel Studio). На рис. 3 показаны осциллограммы напряжения на выводе 5 МК (вверху) и на аноде диода Шоттки VD2 (внизу), на которых хорошо видно проявление эффекта резонанса в виде значительного превышения напряжения на катушке индуктивности напряжения с выхода МК. Кроме того, напряжение на катушке индуктивности имеет синусоидальную форму. При налаживании этот факт можно использовать для проверки соответствия выдаваемой МК частоты резонансной частоте контура. Чем точнее их совпадение, тем чище синусоида на аноде диода Шоттки VD2. Кстати, можно поменять местами катушку индуктивности L1 и конденсатор С3 контура, это почти не окажет влияния на работу. На рис. 4 показана осциллограмма сигнала на затворе VT1 при управлении с помощью оптопар.
Литература
1. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3. - URL: http:// easyelectronics. ru/upravlenie-moshhnoj-nagruzkoj-postoyannogo-toka-chast-3.html (05.02.21).
2. Современные драйверы IGBT и мощных полевых транзисторов. - URL:http:// www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/03_05/ stat_42.htm (05.02.21).
3. Драйвер полевого транзистора из дискретных компонентов. - URL: http://electrik. info/main/praktika/1511 -drayver-polevogo-tranzistora-iz-diskretnyh-komponentov.html (05.02.21).
Автор: Ю. Булычев, г. Омск