Микросхем управления

1.4.1. Структура микросхем семейства FLEX................................................................61

Блоки ввода/вывода, показанные на примере микросхем семейства Spartan фирмы Xilinx ( 1.12), обеспечивают интерфейс между выводами корпуса FPGA и ее внутренними логическими схемами. Каждому выводу корпуса придается блок ввода/вывода БВВ, который может быть конфигурирован как вход, выход или двунаправленный вывод.

1.4. ПЛИС с комбинированной архитектурой 1.4.1. Структура микросхем семейства FLEX

По мере роста уровня интеграции ПЛИС их архитектуры усложнялись, появились архитектуры в той или иной мере сочетающие достоинства CPLD и FPGA. К числу появившихся микросхем с такой архитектурой в первую очередь можно отнести семейство FLEX (Flexible Logic Element matriX) фирмы Altera. Комбинированные архитектуры затем нашли применение в многочисленных БИС/СБИС, в том числе типа "система на кристалле". Микросхемы высшей сложности строят по все более оригинальным архитектурам, не только сочетающим черты CPLD и FPGA, но и обладающим новыми особенностями. На 1.14 приведена структура микросхем семейства FLEX.

В схеме на 1.14 показан включенный в середине строк встроенный щок памяти (у большинства микросхем семейства FLEX10K его емкость равна 2048 бит). Такой блок может конфигурироваться как ЗУ С'организацией 256x8, или 512x4, или 1024x2, или 2048x1 и использоваться не только для хранения данных, но и как табличный ФП для реализации сложных функций с числом аргументов 8—10 (в частности, на блоках ЕАВ строятся быстродействующие арифметико-логические устройства АЛУ, перемножители 4x4 и т. д.).

1.14. Структура микросхем семейства FLEX

Логические элементы микросхем семейства FLEX ( 1.15) имеют в своей основе 4-входовые ФП табличного типа (LUT). Особенностью схем, которые могут быть построены из этих логических элементов, является наличие специальных трактов переноса, образуемых цепочками схем переноса СП, и трактов каскадирования, образуемых схемами каскадирования СК с непосредственными и быстродействующими связями между логическими элементами по указанным трактам.

1.15. Схема логического элемента микросхем семейства FLEX

1.18. Общий план кристалла микросхем семейства АРЕХ20К/КЕ

Типичный диапазон числа эквивалентных вентилей для микросхем семейства АРЕХ20К/КЕ от 60 тыс. до 1,5 млн., емкость встроенной памяти составляет от 32 768 до 442 368 бит, число пользовательских выводов от 204 до 808,

Для микросхем семейства АРЕХ20К/КЕ разработано soft-ядро процессора Nios — RISC-процессора с изменяемой архитектурой, конфигурируемым файлом регистров, 16-разрядными командами и шиной данных на 16 или 32 разряда по выбору проектировщика. Производительность процессора может достигать 50 MIPS. Микросхемы семейства АРЕХ20КЕ имеют настолько высокий уровень интеграции, что процессор Nios занимает небольшую долю их логической емкости. Например, для микросхемы ЕР20К200Е ядро процессора Nios занимает 12% логических ресурсов кристалла. При стоимости кристалла около 80 долларов (в единичных поставках) на ядро процессора приходится приблизительно 10 долларов, а при массовых поставках стоимость снижается приблизительно в два раза. Для микросхемы ЕР20К1500Е с 1,5 млн. вентилей доля расхода ресурсов на процессор Nios снижается до 1,5%. Изменяемая архитектура ядра Nios, как и других разработанных soft-ядер, придает SOPC высокую степень гибкости. Однако быстродействие soft-ядер не достигает максимальных значений и в сравнении с быстродействием аппаратных ядер остается умеренным.

Конструкция ИВЭП должна обеспечивать хороший теплоотвод от нагревающихся элементов: транзисторов, диодов, трансформаторов, — и не допускать нагрев других элементов от нагревающихся элементов. Например, нельзя допускать нагрев микросхем управления от силовых транзисторов.

Двухтактные преобразователи обычно используются при выходной мощности от 200 Вт до 1 кВТ. Среди двухтактных преобразователей наибольшее распространение получили: двухфазные (Push-Pull), полумостовые (Half-Bridge) и мостовые (Full-Bridge). Для всех этих групп преобразователей выпускается достаточно много различных микросхем управления различной степени сложности, имеющих различные виды защиты и высокую надежность.

Для управления однотактными преобразователями разработано и выпускается большое количество различных микросхем управления. Основные характеристики микросхем управления однотактными инверторами приведены в табл. 33.3. Все микросхемы управления однотактными преобразователями можно разделить на следующие группы:

Описанная выше процедура коррекции коэффициента мощности и стабилизации выходного напряжения используется в микросхемах управления, разработанных фирмой Motorola. Этой фирмой выпускаются несколько микросхем управления, реализующих аналогичный процесс регулирования, но с различной степенью сложности. По существу, все разработанные фирмой микросхемы поддерживают в схеме повышающего стабилизатора граничный режим между непрерывным и прерывистым током в индуктивности L.

Номенклатура микросхем управления чопперными стабилизаторами, выпускаемых в мире, весьма широка. При необходимости профессиональный разработчик или радиолюбитель сможет без труда выбрать подходящую микросборку по таким параметрам, как напряжение стабилизации, мощность, габаритные размеры, стоимость и т.д. В справочной документации на эти микросхемы всегда приводится типовая схема включения со всеми номиналами и типами дополнительных элементов, таких, как резисторы, конденсаторы, индуктивности. К сожалению, производители микросхем редко объясняют, почему на типовой схеме они указали именно такие номиналы, а не какие-либо другие. В то же время у разработчика импульсного блока питания может просто не оказаться под рукой идеально подходящего элемента, но есть другие, похожие. Подойдут ли они? Трудности могут возникнуть у радиолюбителя при самостоятельном изготовлении индуктивного элемента. Какой магнитопровод или сердечник взять? Сколько витков намотать? Каким проводом? Поэтому и профессионалам, и любителям нелишне познакомиться с методикой определения параметров элементов чопперной схемы.

Выпускаемая мировой промышленностью номенклатура микросхем управления инвертирующими стабилизаторами очень широка.

Источники силового электропитания с дополнительной разрядной обмоткой встречаются на практике редко, поэтому в нашей книге мы не будем рассматривать их подробно, а уж тем более предлагать изготовить экспериментальную конструкцию. Гораздо более интересны с практической точки зрения обратноходовые фли-бак преобразователи. Подавляющее большинство современных телевизоров и видеомагнитофонов оснащено такими преобразователями сетевого напряжения. Разработано множество микросхем управления фли-бак кон-

RC-цепочка, изображенная на 13.13, может быть использована для защиты от индуктивных выбросов, однако прямое ее назначение несколько иное. Это так называемый снаббер, который не позволяет силовому транзистору переключаться слишком быстро. Ограничение скорости переключения в некоторых случаях приходится вводить потому, что подавляющее большинство схем управления, построенных на полевых комплементарных транзисторных структурах, обладают существенным недостатком — при определенных условиях они могут защелкиваться. О защелкивании микросхем управления, как и о способах устранения этого эффекта, мы поговорим позже. В большинстве случаев защелкивание можно предотвратить, выбирая соответствующий резистор в цепи затвора. Эксперименты, проведенные автором, показали, что при аккуратной разводке печатной платы и установке резистора в цепь затвора защелкивание выходных каскадов микросхем управления фли-бак преобразователями не происходит. Соответственно в таких схемах от снаббера можно отказаться.

В данном случае мы определяем коэффициент заполнения для одного плеча двухтактной схемы. Автор обращает внимание читателей на это обстоятельство, поскольку разработчики определяют у по-разному, тем не менее, пользуясь одинаковой терминологией. В некоторых изданиях коэффициент заполнения суммируют по обоим каналам схемы, не оговаривая, что это — суммарный коэффициент. Производители микросхем управления также нормируют этот параметр

Совсем недавно появилось второе поколение микросхем управления электронными балластами, обладающее многими сервисными и защитными функциями. К сожалению, отечественные разработки микросхем управления электронными балластами находятся в зачаточном состоянии, поэтому автор вынужден рассказывать лишь о том, как преуспели на этом рынке зарубежные фирмы-производители силовой электроники. Фирма International Rectifier производит микросхемы IR215(х), требующие внешних силовых транзисторов, и микросхемы IR51H(xx) с интегрированными силовыми ключами. Фирма SGS-Thomson производит микросхемы L6569, L6571, L6574. Фирма Motorola — MC2151, MC33157DW. Фирма Unitrode (Texas Instrunents) — UC3871, UC3872. Микросхемы имеют бутстрепную цепь управления затвором верхнего ключевого транзистора, защиту от сквозных токов (защитная пауза 1,2 мкс), узлы стабилизации внутреннего питания и защиту от пониженного напряжения сети. Кроме того, новое поколение микросхем IR2157 и IR2159 реализуют:

Итак, рассмотрим внутреннее устройство выходных каскадов микросхем управления.

Причина номер два, приводящая к защелкиванию, — это неблагоприятное влияние емкости Миллера Сзс. При достаточно быстром изменении напряжения между электродами силового транзистора VT (при его открытии или закрытии) ток i3c «затекает» в драйвер через управляющий вывод и может открыть транзистор защелки. Величина этого тока определяется скоростью переключения транзистора — чем она больше, тем больше и ток. Максимальное значение «затекающего» тока, при котором драйвер устойчиво работает, для разных микросхем управления может быть разным. Для микросхем серии IR215(x) этот ток не превышает 0,5 А.