Магия 3-х компонентов: что делают резистор/конденсатор/диод в обвязке усилительного каскада SimpleDriver

SimpleTesla
Буквально на днях был задан порос на форумчике: "почему если используются P и N-канальные транзисторы – просто не соединить выход UCC37324 с базами FDD8424?". Это хороший вопрос!



Схемка из резистора/конденсатора/диода, или R/C/D — это офигенски хитроумная штука, я бы сам не догадался что так можно, не придумай её кто-нибудь до меня. Если вы тоже всегда задумывались что делают эти 3 комопнента – добро пожаловать под кат, там настоящая магия. :)

И так, на вполне конкретный вопрос можно сразу дать конкретный ответ:
Она позволяет рулить пуш-пулом, который находится под более высоким напряжением, нежели сигнал которым он управляется.

На данный момент усилительный каскад из полевых пуш-пуллов используется в двух устройствах – ST3 и SD, причём как видно на картинке ниже – ST3 успешно справляется со своей работой без R/C/D цепей на затворах IRF7105. Сигнал действительно идёт напрямую от UCC'шки и к соединённым затворам P-N канальных транзисторов(если опустить наличие формирователей dead-time):


Такой вариант работает в ST3 т.к. и на UCC'шках, и на шуп-пулах IRF7105 одинаковое напряжение – они запитаны от 9 вольт. В то же время усилительный каскад SD запитан от 12В на UCC'шках, и от 18-24В на FDD'шках 8424 – здесь уже не обойтись без волшебной схемки.

И так, почему не работает полевой пуш-пулл будучи запитанным от большего напряжения?
Дело в том, что P-канальный MOSFET не просто откликается инвертированно на проложенное к затвору напряжение(т.е. 0 вольт — открыто, 12В — закрыто), он откликается нормально, и «смотрит» управляющее напряжение тоже от затвора и до истока, но вот только исток на схеме у P-канальников сверху. :D

Т.е. когда пуш-пулл включён как на схемке SimpleDriver(запитан от 18В, а с UCC'шки приходит 12В) — для открытия/закрытия верхнего P-канальника у того на затворе должно быть 18-6 вольт относительно земли схемы(при 18 вольт транзистор открыт, при 6 вольт он закрыт). Так потому, что если смотреть наоборот от питания пуш-пула – при 6В относительно земли на затворе будет как раз 12В относительно истока P-канальника.

Что произойдёт если при 18В на питании подать на оба затвора по 12В, без R/C/D — относительно питания на P-канальнике будет всего 6В, он будет полуоткрытым, пуская сквозняк через оба транзистора когда открыт нижний N-канальник.

Как работает схемка R/C/D:
На самом деле хитро — в начале конденсатор C21 заряжается через резистор R22 от питания пуш-пула, это же напряжение оказывается на затворе P-канальника и держит его закрытым.


Хитрость в том, что конденсатор C21 нижним концом висит не на земле, а на затворе N-канальника, куда напрямую подключен выход драйвера UCC с его 12В.
Реально конденсатор сам относительно себя заряжается чисто на разницу между питанием драйвера и пуш-пула, в нашем случае 6 вольт. Когда с драйвера выходят 12В — на верхнем конце конденсатора, и собственно затворе P-канальника оказываются 18 вольт, но когда с драйвера выходит 0 вольт — конденсатор оказывается посаженным на землю через транзистор в UCC'шке, и на затворе P-канальника становятся те самые, нужные нам 6 вольт, которые относительно истока P-канала 12 вольт.

Для наглядности — реальная осциллограмма с затворов P-канальника и N-канальника FDD'шки на SimpleDriver:



Да, если вам кажется что что-то неправильно с заполнением у P-канальника — это так надо. :)
Из-за инвертированной природы P-каналов — большее заполнение это на самом деле меньшее заполнение, и обеспечивается оно специально RD-цепочками для обеспечения dead-тайма дабы пуш-пулл не сквозил.

Зачем нужен диод:
Ах да. Он нужен затем, что когда UCC'шка подтягивает конденсатор к земле — тот по прежнему продолжает заряжаться от питания пуш-пула через резистор.
Когда UCC'шка обратно подаёт 12В на нижний конец конденсатора — его напряжение на верхнем конце становится напругой пуш-пула + то насколько он успел зарядиться.
Т.е. напряжение затвора P-канальника на короткий момент выше выше чем питание всего пуш-пула. Диод в данном случае подтягивает затвор P-канальника к питанию, и излишек сжирается стабилизатором на 18 вольт. Без диода напруга на P-канальном затворе медленно бы выросла до 24-х вольт(18В + 6В разница с напряжением UCC'шки).

Ограничения схемы:
На последок, каким бы суперским не казалось решение — стоит упомянуть о его ограничениях.
Дело в том, что любая резисторно-конденсаторная цепочка будет иметь некую временную RC характеристику, что в данном случае выльется:

1. Схема имеет нижний предел по частоте, т.к. уже упоминалось — конденсатор по прежнему заряжается когда с UCC'шки выходит 0.
Она не умеет усиливать постоянный сигнал, только периодически изменяющийся. При подаче постоянной 0 с UCC'шки – открытый P-канальник сам по себе закроется через время т.к. посаженный на землю конденсатор C21 медленно зарядится до 18В;
2. При первом старте конденсатор ещё не заряжен, и ему потребуется время дабы зарядится через резистор до разницы между питанием UCC'шек и FDD'шек.
Пока это время не наступило — пуш-пулл будет работать со сквозняками. Оптимальный выбор R и C обычно сокращает это время до первых нескольких периодов переключения.
Но если резистор будет слишком большим — это может затянуться на долгое время, во время которого FDD'шка будет греться.

Уверен, можно вывести формулы и алгоритм просчёта R/C/D цепочки под рабочую частоту/напряжения/параметры усилительного каскада, но я обычно строил схемку в симуляторе и игрался со значениями пока не выводились относительно оптимальные. Если кто захочет разработать формулы и алгоритм – я буду рад добавить их в статейку. :)

Ну, примите мои поздравления – теперь вы точно знаете зачем нужны те 3 волшебные детальки на входе пуш-пулла, и сможете применять это решение в своих усиленных драйверах затворов. :)
*звук party blower*

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.