|
Проектирование новых драйверов для передатчиков
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Фев-26, 20:00 | Сообщение # 1 |
 мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Занимаясь с оптодрайверами, некоторые из которых могут работать на мегагерцовых частотах, мне всё никак не давала покоя одна мысль. Раньше мы делали драйверы или на ТО-220-5 IXDD609 микросхеме, или на ТО-220 мосфетах, комплементарной паре. И все они ощутимо грелись, причём так, что иногда требовался радиатор.
Оптодрайвер же в маленьком, DIP8 корпусе грелся совсем немного, при тех же условиях. Как, почему так? Стал более глубоко и детально изучать вопрос и выяснил интересную деталь. Оказывается, я неправильно выбирал транзисторы и микросхемы для драйвера.
В связи с этим, открываю новую тему, где буду разбираться с этим вопросом. Если кому интересно, то в этой теме, на 9-й странице, начиная со 134 сообщения проведены тесты самых популярных драйверов: https://radiorubka.at.ua/forum/8-170-9
Итак, в чём же причина низкого или высокого нагрева драйверов? Раньше подбор делал по минимальному сопротивлению канала транзистора и по минимальной входной ёмкости. Это неправильно.
Подбор нужно делать, в порядке приоритета:
- по минимальному заряду затвора (total gate charge, nС)
- по минимальному времени нарастания и спада Trise / Tfall, ns
- по минимальному сопротивлению канала Rds, мОм.
У транзистора есть 3 заряда затвора:
- заряд затвор-исток
- заряд затвор-сток
- общий (тотал) заряд
Это значение отображается в наноКулонах, nC и пишется в даташитах. Если в даташите нет этого значения, откажитесь от покупки данного транзистора. На что это значение влияет на практике?
- на ток, который будет протекать через драйвер
- на нагрев, который будет выделять транзистор даже без подачи питания на сток-исток!
Вот, пример, 4 транзистора. Частота 3.3МГц, напряжение 15В амплитуды. Силовое питание на сток-исток не подано!
IRF540 будет выделять 3.13Вт тепла, корпус ТО-220
IRF520 будет выделять 0.4Вт тепла, корпус ТО-220
SCT2080 (это аналог карбида с сопротивлением канала 80мОм) будет выделять 2.91Вт тепла, корпус ТО-247
IRLML6346 будет выделять 0.17Вт тепла, корпус SOT-23
Как сильно будет греться транзистор без радиатора при таком выделении тепла, можете посмотреть ниже.
Мощность 1Вт:
ТО-220 греется до 75 градусов
ТО-247 до 45
То есть, 1Вт выделения в тепло для ТО-220 транзисторов это предел, выше без радиатора нельзя, быстро сгорят.
Чем же отличаются 4 транзистора? В первую очередь, как раз зарядом затвора. Чем выше суммарный заряд затвора, тем сильнее транзистор будет нагреваться и выше будет ток через драйвер. И наоборот. Именно поэтому, при подборе транзисторов для драйвера передатчика нужно смотреть в первую очередь на минимальный заряд затвора.
В связи с этим, подобрал несколько пар P-N транзисторов, а так же микросхем в мелких, SOIC-8 корпусах. Некоторые микросхемы - готовая сборка P-N транзисторов, другие микросхемы - это отдельные мосфеты, и последние микросхемы - готовые драйверы. Так же разработал одну общую плату для тестирования всех типов драйверов.
Всё отправлено на завод. Как приедет плата, как приедут детали, буду проводить исследования. Самому интересно, что получится). Особенно интересно будет проверить драйвер на миллиметровой "мелочи", транзисторах SOT-23 (левый нижиний драйвер на плате).
|
| |
| |
| rw6bw73 | Дата: Среда, 2025-Мар-05, 19:32 | Сообщение # 2 |
 знающий
Группа: Пользователи
Сообщений: 154
Статус: Offline
| день добрый!
а кто -нибудь пробовал в делах наших использовать совмещенный драйвер с полумостом, используемые в системах питания ноутбуков и видеокарт?
там уже системы питания на мегагерцах работают( и другие параметры весьма вкусны, питания вплоть до 30-35в), качая десятки ампер.
к примеру fdmf5823 - обеспечивает ток до 55ампер при штатных 1.5мгц(не предел для подобных драйверфетов)
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Четверг, 2025-Мар-06, 09:38 | Сообщение # 3 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Главный и весьма существенный минус таких микросхем - сложность пайки. У них же ножек, выводов совсем нет. Это "чёрный квадратик", 3х3мм или 5х5мм, который нужно припаивать паяльным феном + ИК нижним подогревом. Это довольно сложно.
Наверняка самые современные драйверы обладают более лучшими параметрами, чем те, что мы приеменяем. Но, я их не беру в тест именно по причине сложности припаивания.
p.s. Хотя, когда-то слышал, что завод JLCPCB не только платы делает, но и может сразу припаять на плату нужные микросхемы и детали. Не знаю, сколько это будет стоить, но, в теории, наверное можно попробовать когда-нибудь.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Мар-19, 19:52 | Сообщение # 4 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Приехала отладочная плата и все детали. Начинаю тесты.
Драйвер 1.
Изначально планировал во всех драйверах применить микросхему UCC27517DBVR в SOT-23-5 корпусе в качестве входного усилителя. То есть, чтобы на драйвер можно было подавать или слабый синус с ГПД, или слабый меандр с синтезатора типа Si. А после UCC уже подключать разные микросхемы, транзисторы, сборки и т.д. Но, поскольку UCC27517 уже сама по себе является драйвером, то, решил ради интереса подключить карбид прямо на выход этой микросхемы.
Фото
Схема:
То есть:
- лм-ку не ставил, P-N пару транзисторов не ставил, чисто одну UCC
- R4 и R5 3Вт 10Ом с медными ногами, в сумме затворный резистор получается 5Ом.
- нагрузочный карбид SUPSiC GC2M0160120D с сопротивлением канала 160мОм и ёмкостью затвора около 1200-1400пф. Во всех последующих тестах буду ставить только его.
Результаты теста.
UCC27517DBVR 50/50 запускается от 4.3В питания и стабильно запускается от 4.4В питания. Это - отлично! Микросхема подойдёт для GaN транзисторов, которым нужно 5В на затвор.
Микросхема работает от 1В амплитуды меандра на входе и от 2.5В амплитуды (или 5В пик-пик) синуса на входе. Точнее, она работает и от 1В синуса на входе, но, скважность сигнала на выходе около 20%. 50% скважность, если синус 5В пик-пик или 2.5В амплитуды. То есть, вход у микросхемы логический. Можно двумя резисторами подать смещение U/2 на вход и спокойно подавать хоть меандр, хоть синус небольшой величины. Это - тоже отлично!
Сигнал 3.3МГц, питание 5В, потребляемый ток 32мА
Нагрев при 5В питании 33 градуса
В следующем сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Мар-19, 19:58 | Сообщение # 5 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Сигнал снимается с затвора карбида во всех тестах.
3.3МГц, 12В, потребляемый ток 89мА
Нагрев 52 градуса
3.3МГц, 15В, потребляемый ток 111мА
Нагрев 63 градуса
3.3МГц, 18В, потребляемый ток 136мА
В следующем сообщении продолжу
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Мар-19, 20:10 | Сообщение # 6 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| 3.3МГц, 18В, потребляемый ток 136мА, нагрев 77 градусов
6.7МГц, 15В, потребляемый ток 218мА
Нагрев 97 градусов
Ну, что можно сказать)).
Мои предположения оказались верны. Чтобы драйвер, хоть на отдельной микросхеме, хоть на P-N паре транзисторов имел максимальный КПД и меньше всего грелся, нужно подбирать детали с минимальным временем нарастания и спада. Trise, Tfall. Подбирать транзисторы можно с помощью этой программы: https://radiorubka.at.ua/forum/17-318-1
Как видим, даже SOT-23-5 драйвер, размером меньше спичечной головки не сильно греется при 15В на 3.3МГц. Потому, что у него время нарастания и спада по 7-8нс.
Цена UCC27517DBVR
- Чип и Дип, 21руб за штуку https://www.chipdip.ru/product/ucc27517dbvr
- LCSC (где брал) 1.27$ за 5шт https://www.lcsc.com/product....95.html Заказывал через этого продавца https://aliexpress.ru/store/1103009080
Теперь даже не знаю, имеет ли смысл все остальные драйвера пробовать 
Сообщение отредактировал kotrad78 - Среда, 2025-Мар-19, 20:19 |
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Мар-19, 22:09 | Сообщение # 7 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Драйвер 2. На комплементарной P-N паре в корпусах SOT-23
В принице, увидев тесты микросхемы в корпусе SOT-23, уже можно было этот тест не делать. Но, ради научного интереса сделал. Кратко - мелкие сот-23 транзисторы могут работать до 6.7МГц. Главное, чтобы очень быстрые были.
P транзистор IRLML5203 от MSKSEMI - 10шт 0.64$ https://www.lcsc.com/product....06.html
N транзистор BSS316NH6327 от IR - 5шт 0.51$ https://www.lcsc.com/product....93.html
Выбрал их, потому, что они самые быстродействующие, что были в наличии на сайте LCSC в корпусах SOT-23.
Схема:
Фото:
Сигнал на затворе карбида. 6.7МГц, 15В, потребляемый ток всей схемы 297мА
Нагрев P (верхнего) транзистора 94 градуса
В следующем сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Среда, 2025-Мар-19, 22:32 | Сообщение # 8 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Сигнал на затворе 3.3МГц, 15В, потребляемый ток всей схемы 162мА
Нагрев P (верхнего) транзистора 65 градусов
Нагрев предварительного драйвера UCC 47 градуса
Нагрев N (нижнего) транзистора 50 градусов
И снова нагрев P (верхнего) транзистора, когда убрал 10В лм-ку и подал на UCC предварительный драйвер 15В.
Ток со 162мА вырос до 181мА, нагрев вырос с 65 до 89 градусов
Итоги.
1. Когда в схеме стоит 10В лм-ка, то, на затворы транзисторов поступает сигнал, положительной амплитудой 5В и отрицательной амплитудой 5В, в сумме пик-пик 10В. Этого напряжения достаточно для полного открытия транзисторов.
2. Когда на предварительный драйвер подаём не 10, а 15В, то, на затворах, соотвественно напряжение вырастает до +7.5В и -7.5В. Казалось бы, должно быть лучше? Транзисторы должны октрываться сильнее? Но, нет! Транзисторы открываются точно так же, сигнал на затворе карбида вообще никак не меняется. НО!! Очень существенно увеличивается нагрев области затвор-исток P-N транизсторов.
Это очень наглядный пример, который показывает, что не стоит стараться подавать на затворы любых транзисторов максимальное напряжение. Нужно подавать такое, чтобы он хорошо открывался. Если же подать слишком много, то, транзистор просто начинает существенно сильнее греться.
3. "Самопальный" драйвер из P и N транзистора, конечно же не сравнится с заводским, где оба транзистора максимально точно подобраны. Поэтому, у такого драйвера КПД всегда будет ниже, чем у готового драйвера на одной микросхеме. Но, эксперимент показал, что в качестве драйвера может работать даже такая мелочь, как SOT-23. То есть, не обязательно ставить ТО-220 мосфеты.
4. На 3.3МГц верхний транзистор P грелся до 65, нижний N до 50 градусов. Почему? Открываем даташиты:
P транзистор, Rise time/Fall time 8.7/3.7ns
N транзистор, Rise time/Fall time 2.3/1ns
Это ещё одно наглядное подтверждение, как сильно скорость переключения транзистора влияет на его КПД и нагрев.
|
| |
| |
| shwonder | Дата: Четверг, 2025-Мар-20, 12:52 | Сообщение # 9 |
 просветленный
Группа: Модераторы
Сообщений: 3331
Статус: Offline
| Спасибо за труд.
Результат неожиданный , но интересный.
У этой мс есть недостаток- сильно она маленькая, была бы по больше то и не так нагревалась.
Я вот смотрю на похожую -UCC27524, она есть и в корпусе ДИП8 - UCC27524P, там два канала по 5А. Допускается паралельная работа каналов, думаю, что ток при этом удвояется.
Есть еще интересная UCC27321, UCC27322, UCC37321, UCC37322
Ну и стоимость в пределах разумного.
Есть над чем задуматься.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Четверг, 2025-Мар-20, 14:29 | Сообщение # 10 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Цитата shwonder (  ) Я вот смотрю на похожую -UCC27524, она есть и в корпусе ДИП8 - UCC27524P, там два канала по 5А. Допускается паралельная работа каналов, думаю, что ток при этом удвояется
Я тоже на неё смотрел, только в корпусе SOIC-8, поэтому купил для теста 
Драйвер 3.1. В корпусе SOIC(SOP)-8. UCC27524DR от Texas Instruments
- цена в ЧиД 44руб за 1шт https://www.chipdip.ru/product/ucc27524dr-ti
- цена в LCSC (где брал) 1.54$ за 5шт (минимальная партия) https://www.lcsc.com/product....29.html заказывал так же, через этого продавца https://aliexpress.ru/store/1103009080
Фото 1
Фото 2
На все эти мелкие транзисторы и микросхемы не прикрепишь дополнительный радиатор, поэтому пришлось так заморачиваться с земляными полигонами и тепловыми, переходными отверстиями через стеклотекстолит. Но, это принесло хороший результат. Под 3Вт затворными резисторами сделал вырез в плате, так резисторы и лучше охлаждаются и меньше нагревают саму микросхему.
Схема
Изначально хотел купить 4 микросхемы на тест, но, продавец сказал, что две из них в единичном остатке и прислать не сможет, поэтому, перед отсутствующими микросхемами поставил -. А жалко, они должны были быть самыми скоростными..
Тестирование.
Всё как в прошлый раз. Нагрузка тот же 160мОм карбид. Сначала тестировал при естественном, пассивном охлаждении, потом включил рядом небольшой кулер и направил на плату. Микросхема двухканальная, оба канала соединены параллельно. Выводы 1 и 8 именно для данной UCC - это управление, вкл/выкл. Если на массе - выкл, если на + или оставить в воздухе - вкл. Оставил в воздухе.
Микросхема устойчиво стартует от 4.4В, а вход так же, логический. Если сделать U/2 делитель, можно подавать слабый синус или меандр. Низкое питающее напряжение позволит работать с GaN транзисторами.
Сигнал на затворе карбида, 3.3МГц, 5В, ток 34мА.
В следующем сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Четверг, 2025-Мар-20, 14:34 | Сообщение # 11 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| 3.3МГц, 5В, ток 34мА, нагрев 35 градусов.
3.3МГц, 12В, ток 92мА
3.3МГц, 12В, ток 92мА, нагрев 46 градусов
3.3МГц, 15В, ток 115мА
3.3МГц, 15В, ток 115мА, нагрев 55 градусов
В следующем сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Четверг, 2025-Мар-20, 14:39 | Сообщение # 12 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| 3.3МГц, 18В, ток 140мА. Чуть чуть видно раздвоение сигнала, это, видимо из-за параллельного включения двух каналов. Но, думаю на реальной работе это никак не скажется.
3.3МГц, 18В, ток 140мА, нагрев 67 градуса
1.7МГц, 15В, ток 63мА
1.7МГц, 15В, ток 63мА, нагрев 44 градуса
6.7МГц, 15В, ток 230мА
В следующем сообщении продолжу.
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Четверг, 2025-Мар-20, 14:47 | Сообщение # 13 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| 6.7МГц, 15В, ток 230мА, нагрев 83 градуса
10.4МГц, 15В, ток 320мА
10.4МГц, 15В, ток 320мА, нагрев 104 градуса
Сводный нагрев при пассивном охлаждении:
1.7МГц - 44град.
3.3МГц - 55град.
6.7МГц - 83град.
10.4МГц - 104град.
Сводный нагрев, если рядом поставить небольшой вентилятор:
1.7МГц - 38град.
3.3МГц - 45град.
6.7МГц - 62град.
10.4МГц - 76град.
Итог.
У нас появился новый лидер среди драйверов, по соотношению многофункциональность, цена, качество, простота запайки и охлаждения. 
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Четверг, 2025-Мар-20, 15:37 | Сообщение # 14 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Цитата shwonder ( ) Есть еще интересная UCC27321, UCC27322, UCC37321, UCC37322
К сожалению нет, она будет хуже и существенно сильнее греться. Как писал ранее, нагрев драйвера (или транзистора) зависит не от максимального тока, на который он рассчитан, а от минимального времени райз/фалл, нарастания, спада.
Внутри микросхемы стоит логика, она очень скоростная, единицы или даже меньше наносекунд. А вот выходные транзисторы внутри микросхемы довольно медленные, и весь нагрев драйвера будет упираться именно в них.
Смотрите, время нарастания и спада для UCC27524 при нагрузке 1.8нф составляет около 7.8 / 7.2 наносекунды
А теперь время нарастания и спада для UCC27321, такая же ёмкость нагрузки. Около 4 / 38 наносекуды
Да, время нарастания в 2 раза быстрее, но, время спада аж в 5 раз медленнее. В итоге, микросхема будет гораздо сильнее греться, и, скорее всего, что даже на 5-6МГц не сможет работать даже с кулером, перегреется выше 140 градусов и сгорит.
То есть, если на будущее подбирать какую-то новую микросхему на тест, нужно смотреть, чтобы при ёмкости нагрузки в 1.5-1.8нф, время нарастания и спада было быстрее 7нс. На ток вимание можно не обращать особо.
К примеру, JT0505M0D-C1 в корпусе SOIC-8 https://www.lcsc.com/product....05.html
Время нарастания и спада аж 2.5 / 3.5нс!!!
Но, как писал выше, их нет в наличие 
|
| |
| |
| kotrad78 | Дата: Четверг, 2025-Мар-20, 16:05 | Сообщение # 15 |
|
мастер
Группа: Пользователи
Сообщений: 1001
Статус: Offline
| Цитата kotrad78 ( ) нужно смотреть, чтобы при ёмкости нагрузки в 1.5-1.8нф, время нарастания и спада было быстрее 7нс.
Нашёл! Хм, странно, что раньше её пропустил. Texas Instruments UCC27614DR https://www.lcsc.com/product....75.html
Может быть из-за цены? 1.5$ за 1шт.. Хотя, вряд-ли, не так уж и дорого.
Время нарастания и спада 4нс!!
И корпус SOIC-8, удобно паять. У неё вот только выводы не подходят ни к одному посадочному месту на монтажной плате... Ладно, в общем, как все уже купленные микросхемы и транзисторы протестирую, разработаю монтажную плату под неё и закажу на пробу. Но, это не скоро будет)). В любом случае, могу предположить, что греться она будет градусов на 7-8 меньше, чем UCC27524.
p.s. Надо будет тогда ещё и под P версию 27524 монтажку разработать https://www.lcsc.com/product....44.html и положить под её брюхо медную рельсу))). Опыт есть)).
|
| |
| |
|
