Высокотемпературные электронные компоненты X-REL Semiconductor для нефтегазового оборудования.

Высокотемпературные электронные компоненты X-REL Semiconductor для нефтегазового оборудования.

В настоящее время одним из самых быстроразвивающихся сегментов рынка электронных компонентов является высокотемпературная электроника. Активные и пассивные изделия, способные надежно функционировать при максимальных рабочих температурах +150 °С и выше, получают все большее распространение. Интересную линейку приборов этого типа предлагает компания X-REL Semiconductor. В данной обзорной статье рассматриваются отличительные особенности высокотемпературных дискретных и интегральных устройств компании, позиционируемых для производителей высоконадежной аппаратуры, применяемой в нефте- и газодобывающей отраслях промышленности.

            Введение.

Потребность в электронных изделиях, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях окружающей среды, в частности при крайне высоких температурах, существует во многих отраслях промышленности. Среди типовых областей использования подобных приборов можно отметить оборудование атомного, авиационного, автомобильного или космического назначения. Наиболее крупной сферой применения устройств данного типа является нефтегазовая отрасль.

Электроника, используемая при бурении нефтегазовых скважин, как правило, отличается повышенной сложностью. В процессе бурения необходимо направлять оборудование по нужной траектории к точно заданной геологической цели, контролируя его работоспособность по сигналам с датчиков. После завершения бурения скважинные приборы должны обеспечить сбор данных для определения свойств окружающих геологических формаций, а именно литологического состава, пористости, проницаемости, нефтегазонасыщенности и т.д. Данная процедура называется каротажем. На производственной стадии добычи электронные схемы нужны для контроля давления, вибрации, температуры, а также для управления задвижками. Для реализации всех этих функций необходима законченная система из компонентов с высокими эксплуатационными параметрами. При этом крайне важна надежность системы, так как финансовые потери от простоев оборудования могут быть весьма велики. Большое влияние на надежность системы оказывает диапазон рабочих температур. Температура эксплуатации напрямую зависит от глубины скважины, в среднем по планете типичный геотермический градиент составляет 25 °C/км. В настоящее время в связи с сокращением запасов легкодоступных природных ресурсов и развитием технологий добычи все чаще производится бурение более глубоких скважин, при этом используемое оборудование подвергается воздействию температур свыше +200 °C. Повышенная температура, влияющая на все без исключения типы электронных компонентов, резко сокращает срок службы и повышает вероятность выхода из строя полупроводниковых приборов. Это объясняется тем, что все реакции имеют физико-химическую природу и при повышенных температурах протекают быстрее.

Традиционным способом снижения температуры функционирования полупроводниковых изделий является использование пассивного или активного охлаждения (специальных теплоотводов или охлаждающих вентиляторов). Но активное охлаждение практически нереализуемо в столь неблагоприятных условиях эксплуатации, а пассивные методы неэффективны в случае, когда зона нагрева не ограничена самой электроникой. Еще более рискованным и сложным вариантом является использование стандартных компонентов далеко за пределами их номинального диапазона температур. Некоторые интегральные устройства, рассчитанные на предельную рабочую температуру +125 °C, действительно функционируют при более высоких температурах. Но, так как работа за пределами паспортных условий эксплуатации не гарантирована, то инженерам для выявления потенциально подходящих изделий необходимо проводить дорогостоящие и длительные квалификационные испытания, требующие специального лабораторного оборудования. Кроме того, характеристики компонентов из разных партий могут отличаться, а любые изменения в технологических процессах производства могут приводить к неожиданным отказам при повышенных значениях температуры. Также стоит учитывать, что устройства в широко распространенных пластиковых корпусах выдерживают температуры примерно до +175 °C, а ассортимент электронных компонентов в керамическом корпусном исполнении достаточно скромен.

Более надежным способом, обеспечивающим функционирование аппаратуры в данных условиях, является применение специализированных высокотемпературных изделий. При разработке устройств данного класса приходится решать ряд сложных задач, затрагивающих многие аспекты электронной системы, в том числе технологические процессы полупроводникового производства, корпусирование, методологию квалификационных испытаний и методики проектирования. Потребности рынка высокотемпературных изделий удовлетворяет ряд производителей, среди которых такие известные компании как Texas Instruments, Atmel (поглощенная Microchip Technology) и Cissoid, предлагающая АЦП, операционные усилители, драйверы ключей и т.д. Одно из ведущих мест занимает французская компания X-REL Semiconductor, являющаяся дочерней компанией EASII IC, ориентированной на проектирование, изготовление и коммерциализацию сверхнадежных высокотемпературных устройств, предназначенных для использования в оборудовании ответственного назначения [1].

            Линейка продукции компании X-REL Semiconductor.

В настоящее время номенклатура изделий X-REL Semiconductor включает в себя дискретные полупроводниковые компоненты, а также аналоговые и цифровые ИС различного функционального назначения. Общей объединяющей чертой всех изделий X-REL Semiconductor является превосходная температурная стойкость. Все они обеспечивают гарантированное соблюдение паспортных характеристик в широких диапазонах рабочих температур. Линейка продукции включает в себя два типа устройств. Компоненты, наименование которых начинается с “XER”, изготавливаются в пластиковых корпусах и предназначены для использования в диапазоне рабочих температур от -60 до +175 °С. Устройства, начинающиеся с обозначения “XTR” производятся в металлических либо керамических корпусах, их максимальная температура применения повышена до +230 °С. С учетом условий эксплуатации для оборудования нефтегазового назначения производителем рекомендована вторая группа. Стоит отметить, что для нестандартных высокотемпературных применений возможна разработка электронных устройств, адаптированных под требования заказчика. Согласно каталогу, компания X-REL Semiconductor предлагает следующие группы продукции:

• Дискретные полупроводниковые компоненты (диоды и диодные сборки, МОП транзисторы);
• Специализированные компоненты управления питанием (ШИМ-контроллеры, драйверы силовых ключей, модули, состоящие из мощных МОП транзисторов с драйверами управления, линейные стабилизаторы и источники опорного напряжения);
• ИС управления тактовыми сигналами (многофункциональные прецизионные таймеры, драйверы кварцовых генераторов);
• Конфигурируемые микросхемы логики;
• Интерфейсные ИС.

Основные типовые характеристики всех изделий представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Основные характеристики устройств X-REL Semiconductor. 

ИС управления питанием.

В категорию микросхем управления питанием входят ШИМ контроллеры, драйверы силовых ключей, модули, состоящие из мощных МОП транзисторов с драйверами управления, линейные стабилизаторы и регуляторы напряжения.

Серия XTR3001х объединяет 9 моделей ШИМ контроллеров, различающихся вариантами корпусного исполнения и функциональными возможностями. Компоненты доступны для заказа как в виде некорпусированных кристаллов (Bare die), так и в керамических корпусах для поверхностного и сквозного монтажа стандартных форм-факторов (DIP и SOIC) с количеством выводов от 8 до 24. Они могут успешно использоваться при построении понижающих, повышающих, обратноходовых и двухтактных DC/DC преобразователей, импульсных источников питания и POL регуляторов. Каждый контроллер содержит встроенный источник опорного напряжения, LDO регулятор и программируемый генератор импульсов с возможностью синхронизации от внешнего источника. Среди отличительных особенностей можно отметить наличие функций дистанционного отключения, контроля выходного напряжения, плавного запуска для ограничения пусковых токов, программирования максимального и минимального коэффициента заполнения для различных режимов работы, выбора полярности выходного сигнала, а также схем защиты от перегрузки по току и просадки входного напряжения. Максимальная рабочая частота ограничена 800 кГц, выходной ток достигает 50 мА, а для питания требуется источник с рабочим напряжением 6-35 В. Ток собственного потребления в активном режиме (на частоте 520 кГц, емкостной нагрузке, температуре 230 °C и напряжении питания 35 В) не превышает 3,2 мА, а в режиме ожидания (при логическом нуле на входе ENABLE) составляет не более 70 мкА. На рис. 1 представлена одна из типовых схем применения ШИМ контроллера серии XTR3001х. Двухтактный преобразователь напряжения выполнен на основе связки XTR30014 и двух устройств серии XTR2041x, представляющих собой драйверы со встроенными МОП транзисторами.

Рис. 1 – Типовая схема применения ШИМ контроллера серии XTR3001х.

Для контроля выходного напряжения преобразователя используется вывод PGood. Появление на нем высокого логического уровня свидетельствует о том, что напряжение находится в заданных пределах, а также об отсутствии перегрузки по току. В нормальном режиме измеряемое напряжение, подаваемое на вход FB, должно находиться в диапазоне 90-120% от номинала встроенного ИОН (1,2 В). Длительность “плавного старта” зависит от номинала резистора, подключенного к выводу SS/TR. Частота генератора прямоугольных импульсов по умолчанию определяется номиналами встроенной RC цепочки. Для ее изменения необходимо использовать внешний контур, подключаемый между выводами RT/SYNC и CKOUT.

Устройства серии XTR3002х представляют собой частный случай рассмотренной выше комбинации контроллеров XTR3001х и драйверов XTR2041x. Отличие заключается в том, что данные элементы объединены в одном корпусе для реализации понижающей топологии. Полученный в результате понижающий преобразователь напряжения постоянного тока обладает аналогичным набором вспомогательных и защитных функций и доступен для заказа в керамическом корпусе для планарного монтажа LJCC-52.

Любая микросхема из серий XTR2041х и XTR2081х содержит оптимизированные для совместной работы драйвер управления и силовой N-канальный МОП транзистор. Использование данного подхода в импульсных преобразователях напряжения позволяет минимизировать габариты готового устройства. Интегрированные транзисторы характеризуются низким сопротивлением сток-исток во включенном состоянии (R_DS(on)), не превышающим 330-1130 мОм для серии XTR2041x и 780-1700 мОм для XTR2081x. Они подходят для работы в диапазоне частот до сотен кГц, хорошие динамические характеристики обеспечиваются малым временем включения/выключения (в пределах от 39 до 285 нс для разных моделей и различных рабочих температур). Максимальное напряжение сток-исток составляет 45 В у XTR2041x и 80 В у XTR2081x. Постоянный ток стока, измеренный при максимальной температуре эксплуатации, достигает величины 2,5 А, его импульсное значение не превышает 8,3 А. Входная логика реализована на КМОП транзисторах с триггером Шмитта и имеет ESD защиту.

Компоненты серии XTR2041х  могут использоваться в качестве ключей верхнего или нижнего плеча, а также нижнего плеча со сдвигом уровня (в этом случае исток подключается к отрицательному напряжению до -30 В). Серия состоит из шести моделей, для заказа доступно два варианта исполнения. Устройства, имеющие в конце обозначения литеру “А”, например XTR20411A, содержат встроенный бутстрепный диод, благодаря чему отпадает потребность в этом относительно громоздком по сравнению с самой микросхемой внешнем компоненте. Устройства с литерой “B” (XTR20411B или XTR20412B) допускают работу с напряжениями исток-сток от -30 до +35 В. Микросхемы XTR2081х, в отличие от серии XTR2041х, предназначаются для использования только в нижнем плече. Устройства данной серии обладают минимальными временами включения и выключения. Например, для драйвера XTR20812 они составляют 39-81 и 46-100 нс соответственно.

На рис. 2а показан типовой вариант использования устройств серии XTR2041х. В нижнем плече исток силового транзистора подключается к общему проводу через токоизмерительный резистор. Цепи питания VDD и PVDD закорочены, но могут быть соединены через фильтр нижних частот для ограничения импульсных помех на шине VDD. В верхнем плече дополнительный бутстрепный источник питания образуется при помощи конденсатора C_BT и внутреннего диода. Все изделия доступны в керамических корпусах типа DIP и DFP с 8 контактами либо в 6-выводных корпусах TO-257 (рис. 2б).

Рис. 2 – Типовой вариант применения микросхем серии XTR2041х (а) и их внешний вид (б).

Универсальные драйверы серии XTR2501х рекомендованы для управления силовыми JFET, MOSFET, BJT, SJT и MESFET транзисторами, изготавливаемыми на основе кремния, нитрида галлия (GaN) или карбида кремния (SiC). Благодаря диапазону рабочих температур от -60 до +230 °С они могут располагаться в непосредственной близости от силовых ключей, что приводит к минимизации паразитных индуктивностей и ёмкостей между ними и управляемыми транзисторами. К основным сферам применения данных микросхем относятся DC/DC преобразователи и импульсные источники питания, интеллектуальные силовые модули, инверторы и электроприводы. Компоненты серии выпускается в виде полупроводниковых кристаллов либо в высоконадёжных герметичных корпусах для поверхностного монтажа (LJCC-52).

Для перевода транзисторов во включенное состояние драйвер XTR2501x содержит два независимых канала (PU_DR1 и PU_DR2) с пиковым выходным током 4 A на каждый канал. Для их выключения используются два канала подтяжки затворов “вниз” с максимальным рабочим током 3 A (PD_DR и PD_MC). Канал PD_MC, необходимый для активного подавления эффекта Миллера, имеет цепь плавного отключения силовой нагрузки в аварийном режиме. Высокие уровни выходных токов и малое выходное сопротивление каналов практически снимают ограничения на величину затворных емкостей используемых транзисторов. Интегрированный “зарядовый насос” позволяет использовать ШИМ сигналы с коэффициентом заполнения до 100%. Также следует отметить наличие независимого контроля выводов затвора, стока и истока для мониторинга возможных неисправностей.

Универсальные драйверы XTR2541х предназначены для управления внешними МОП транзисторами P- и N- типов, применяемыми в качестве верхнего и нижнего ключей полумостового каскада. Способные работать в схемах как с положительной, так и отрицательной полярностями они преобразуют входной логический сигнал с амплитудой от 3,5 до 5 В в необходимый для управления уровень и обеспечивают смещение вход-выход в диапазоне от -30 до +35 В, максимальный нагрузочный ток составляет 1 А. Выпускаются в виде некорпусированных кристаллов либо в прочных керамических корпусах для сквозного монтажа (DIP-16). Для выбора режима работы служит специальный вывод N_/P, при “подтяжке” его к питанию можно управлять транзисторами P типа, по умолчанию драйвер настроен на работу с N-канальными транзисторами. Также из отличительных особенностей можно отметить наличие защит от короткого замыкания, недостаточного напряжения на выходе, детектирование уменьшения насыщения внешнего силового ключа, функции плавного отключения и генерации сигнала ошибки на специальном выводе ERR.

Драйверы семейств XTR2502x и XTR2602x представляют собой усовершенствованные за счет добавления периферийных блоков и схем защиты версии устройств серии XTR2501x. Помимо усилителей мощности, каскада сдвига уровня управляющих сигналов и “зарядового насоса” они включают в себя вспомогательную логику, цепи для формирования “мёртвого” времени, источник опорного напряжения и LDO регулятор для питания внутренних логических схем. К основным сферам применения данных ИС являются устройства управления электроприводом, инверторы, корректоры коэффициента мощности и высоковольтные коммутирующие устройства. Конструктивно все компоненты представляют собой бескорпусные полупроводниковые кристаллы либо высоконадёжные керамические корпуса LJCC-28, имеющие дополнительную теплоотводящую площадку. Кристалл драйвера напрямую соединяется с этой площадкой, что позволяет улучшить теплоотвод и увеличить предельные значения выходных токов. Для питания микросхем требуется источник постоянного тока с напряжением в диапазоне от 4,5 до 40 В. Все входные логические цепи выполнены с применением триггеров Шмитта.

Для включения транзисторов драйверы XTR2502x используют один канал (PU_DR) с выходным пиковым током 3 A, перевод силовых транзисторов в выключенное состояние осуществляется при помощи двух каналов подтяжки затворов “вниз” (PD_DR и PD_MC), также обладающих максимальным рабочим током 3 A. Микросхемы серии XTR2602х имеют повышенный до 4 А пиковый ток канала PU_DR. На рис. 3 представлена типовая схема применения драйверов XTR25021, управляющих транзисторами полумоста. Взаимодействие между драйверами выполняется при помощи выводов XCOND_IN и XCOND_OUT, а гальваническая развязка обеспечивается двумя изолированными трансиверами из серии XTR4001x. Конфигурирование микросхем производится при помощи специального входа HS_LSB. При логическом нуле на данном выводе они выступают в качестве драйверов нижнего плеча (режим master), а при HS_LSB=1 управляют транзисторами верхнего плеча (режим slave). Затворные резисторы R_PU и R_PD определяют скорость переключения силовых транзисторов.

Рис. 3 – Упрощенная схема применения драйверов серии XTR2502x.

Основное отличие драйверов XTR2602х от устройств серии XTR2502х состоит в наличии интегрированного изолированного четырехканального приемопередатчика (2 канала TX и 2 RX), обеспечивающего обмен данными между двумя драйверами и связь с внешним управляющим ШИМ контроллером. Данная особенность позволяет отказаться от применения дополнительных трансиверов серии XTR4001x (рис. 4). 

Рис. 4 – Внутренняя структура драйверов серии XTR2602x.

Выводы BST_N и BST_P предназначены для подключения бутстрепного конденсатора (бутстрепный диод встроенный). Вывод MRDY предназначен для индикации аварийного состояния, низкий логический уровень на нем сигнализирует о срабатывании одной из защитных схем. Защитные цепи включают в себя схему ограничения тока через транзисторы (OCP) и схему блокировки при пониженном напряжении питания источников VCC и VDD (UVLO). Измерение тока через транзисторы осуществляется при помощи токочувствительного резистора, подключаемого между выводами SNS_S_N и SNS_S_P. Дифференциальное напряжение с резистора сравнивается с внутренним опорным напряжением 100 мВ схемы OCP, детектируя случаи наступления короткого замыкания. По умолчанию для возврата в нормальный режим работы и очистки флага MRDY необходим сброс питания. Если же к выводу CLR_FLT подсоединить конденсатор, то драйвер будет перезапускаться автоматически через промежуток времени, определяемый из выражения: t_{CLR_FLT} = 30 кОм * C_CLR.

Линейные стабилизаторы с малым падением напряжения вход/выход (LDO) представлены сериями XTR7001х и XTR7002х. Серия XTR7001х рассчитана на входные напряжения от 2,8 до 5,5 В и обеспечивает величину выходного тока до 1,5 А. Падение напряжения вход/выход не превышает 1 В. Малый ток собственного потребления (до 1,3 мА в активном режиме и менее 20 мкА в режиме ожидания) позволяет использовать их в качестве источников питания микропроцессоров, памяти и датчиков. Фиксированные значения выходных напряжений определяются на основе комбинации логических сигналов на вспомогательных входах BG0, BG1 и потенциалов на контактах 0.5V-2.9V, задающих величину опорного напряжения (V_REF). Например, соединение вывода 2.1V с общим проводом устанавливает опору, равной 2,1 В, а каждый из четырех возможных вариантов на входах BG0 и BG1 добавляет по 100 мВ. По умолчанию опорное напряжение составляет 3,3 В. В итоге всего доступно 32 различных номинала в пределах от 0,5 до 3,6 В с шагом 0,1 В. Дополнительная регулировка возможна при подключении резистивного делителя к выводу VOUTSNS. Нестабильность выходного напряжения по сети и по нагрузке составляет 0,25 %/В и 2,6 %/A соответственно, а температурный коэффициент – 20 ppm/°C. Наличие тех или иных функциональных возможностей зависит от варианта корпусного исполнения. Стабилизаторы серии XTR7001х доступны в виде бескорпусного кристалла, в керамическом корпусе DFP-10 или в корпусе стандартного форм-фактора DIP-8.

Высокотемпературные компоненты серии XTR7002х выгодно отличаются широким диапазоном входных напряжений (от 3 до 30 В) и превосходными точностными характеристиками. Нестабильность выходного напряжения по сети и по нагрузке составляет 0,015 %/В и 0,15 %/A соответственно, температурный коэффициент – 40 ppm/°C, а уровень шума не более 550 мкВ для Vout, равного 15 В, и 75 мкВ для Vout=0,9 В. Выходное напряжение регулируется в пределах от 0,9 до 30 В путем использования внешних резисторов и различных значений V_REF, устанавливаемых пользователем. На рис. 5 показана зависимость падения напряжения вход-выход от воздействия рабочей температуры для нескольких значений выходного тока.

Рис. 5 – Типовая зависимость падения напряжения вход-выход от температуры для стабилизатора серии XTR7002х.

Для приложений, требующих заранее известного определенного номинала выхода, рекомендуются стабилизаторы XTR70022x, выпускаемые в трехвыводных корпусах TO-254. При заказе вместо x в наименование подставляются буквы английского алфавита от A до R, каждой из которой соответствует одно из 18 предустановленных на заводе-изготовителе значений выходного напряжения.

Для обеспечения длительной и бесперебойной эксплуатации в жестких условиях окружающей среды у LDO стабилизаторов имеется стандартный набор настраиваемых защитных схем (от перегрузки по току, от пониженного входного напряжения и от превышения допустимой температуры).

Маломощные регуляторы положительного (серия XTR7501х) и отрицательного (XTR7503х) напряжения обладают широким диапазоном входных напряжений (2,8..35 и -2,8..-35 В соответственно) и максимальным выходным током до 50 мА. Компоненты обладают хорошей устойчивостью к воздействию высоких температур, их температурный дрейф не превышает 40 ppm/°C (при 230 °C). Нестабильность выхода при изменении питающего напряжения составляет не более 0,75%, а малый ток собственного потребления (до 380 мкА) позволяет использовать эти устройства в приборах с батарейным питанием. Фиксированные значения выходных напряжений принадлежат стандартному ряду и задаются путем соединения одноименных выводов с общим проводом, кроме того возможна подстройка в пределах ±2% при использовании внешнего делителя, подключенного к выводу TRIM. Количество доступных номиналов выхода зависит от типа корпусного исполнения. Например, для серии XTR7503х наиболее полнофункциональным устройством с десятью выходными напряжениями является ИС XTR75031, изготавливаемая в керамических корпусах DIP-16 или SOIC-16 (таблица 2).

 Таблица 2 – Доступные выходные напряжения стабилизаторов серии XTR7503х. 

Серия XTR431-xx является сверхнадежной высокотемпературной версией широко известных регуляторов семейства “431”. Данные устройства рекомендованы производителем в качестве замены стабилитронов во многих применениях, например, в импульсных и регулируемых источниках питания, преобразователях напряжения, источниках тока и схемах контроля напряжения. Они обеспечивают широкий диапазон выходных токов (от 500 мкА до 50 мА) и способны надежно функционировать с емкостной нагрузкой. Уровень выходного напряжения может быть установлен в пределах от 2,5 до 35 В при помощи внешнего резистивного делителя.

ИС управления тактовыми сигналами.

Данная группа включает в себя многофункциональные прецизионные таймеры и драйверы кварцевых генераторов. Универсальные высокостабильные таймеры серии XTR65х являются высокотемпературной, полностью совместимой по выводам заменой распространенных микросхем 555 серии. Компоненты, ориентированные на применение в прецизионных линиях задержки, генераторах пилообразного напряжения, в ШИМ или ФИМ устройствах, обладают входным напряжением от 2,8 до 5,5 В и способны генерировать импульсы с периодом от сотен наносекунд и коэффициентом заполнения практически от 0 до 100%. Максимальная величина тока комплементарных выходов составляет 50 мА. Конструктивно выпускаются в виде бескорпусных кристаллов (XTR650), а также в прочных керамических корпусах стандартного типа: DIP-14 (XTR651) или DIP-8 (XTR655). Для сокращения количества внешних элементов микросхемы содержат встроенные времязадающие конденсаторы с емкостью 200 пФ и датчики температуры. Для примера на рис. 6 приведены типовые схемы применения таймера XTR651. Дополнительные выходы транзисторов с открытым стоком (Charge и Discharge) могут использоваться для контроля состояния микросхемы.

Рис. 6 – Типовые схемы применения таймера XTR651 в режиме мультивибратора (а) и одновибратора (б).

Серия драйверов кварцевых резонаторов XTR6001х с расширенными функциональными возможностями предназначена для использования в точных времязадающих цепях и в генераторах развертки. Микросхемы с входным напряжением от 2,8 до 5,5 В могут работать совместно с кварцевыми резонаторами с частотой от 32 кГц до 50 МГц и включают в себя предварительный делитель частоты, программируемый частотный делитель, амплитудный детектор и блок восстановления сигнала, выходной буфер и времязадающие конденсаторы. ИС выгодно отличают цепи автоматической адаптации к типу используемого кварцевого кристалла, наличие режимов пониженного энергопотребления, отдельное питание излучателя и буфера для уменьшения уровня шумов и использование высокопрочных корпусов для сквозного монтажа. Все цифровые входа построены с применением триггеров Шмитта и внутренне подтянуты к напряжению питания. Предделитель, вносящий дополнительный коэффициент деления частоты (1/128), запускается низким логическим уровнем на входе /PrsSelect. Программируемый частотный делитель задает значение основного коэффициента деления (1, 2, 4 или 8) путем использование входных сигналов на контактах /DIV_0 и /DIV_1 (таблица 3). В совокупности они позволяют получить коэффициент деления частоты от 1 до 1024. Режим энергосбережения выбирается установкой нулевого напряжения на входе /LPMode, максимальная частота при этом не превышает 10 МГц, а драйвер кварца работает с постоянным усилением. Низкий уровень на /StdBy устанавливает режим ожидания, в котором запрещается работа генератора, а на выходе устанавливается высокоимпедансное состояние.

Таблица 3 – Таблица истинности драйверов серии XTR6001х. 

Дискретные компоненты.

Данная группа включает в себя высокотемпературные диоды, диодные сборки и транзисторы, выпускаемые как на основе кремния, так и с применением карбида кремния. Любой компонент серий XTR1N04хх и XTR1N08хх объединяет в одном корпусе два или четыре независимых диода с аналогичными электрическими характеристиками, каждый из которых может быть использован по отдельности, либо объединен в мостовую или полумостовую конфигурацию. Между собой семейства XTR1N04хх и XTR1N08хх различаются, прежде всего, максимально допустимым значением обратного напряжения, которое составляет 55 и 90 В соответственно. Предлагаемые устройства рекомендованы для использования в высоконадежных источниках питания, умножителях напряжения и генераторах подкачки заряда, типовые применения включают в себя задачи выпрямления, демодуляции и ограничения напряжения. Изготавливаются они в прочных керамических корпусах форм-факторов DIP-8, DFP-8 и TO-18, также для заказчиков доступны полупроводниковые кристаллы в бескорпусном исполнении.

Диод Шоттки XTR1K1210 с максимальным обратным напряжением 1200 В и рабочим током 10 А, изготавливаемый на основе карбида кремния, гарантирует стабильность рабочих характеристик в широком диапазоне рабочих температур от -60 до +230 °C, температура p-n перехода при этом может достигать 250 °C. Данный диод обладает практически нулевым зарядом обратного восстановления, что делает его идеальными для применения в высокочастотных и высокоэффективных силовых устройствах, не требующих дополнительного охлаждения. Малые по сравнению с Si диодами размеры кристаллов карбида кремния позволяют снизить габариты выпускаемых изделий, XTR1K1210 изготавливается в компактном корпусе TO-257. К основным сферам применения относятся инверторы, импульсные источники питания, схемы управления электродвигателями и корректоры коэффициента мощности.

Высокотемпературные МОП транзисторы производства X-REL Semiconductor разработаны с применением SOI технологии (кремний на изоляторе), характеризуются малыми токами утечки и низким значением сопротивления Rds(on). Они могут успешно использоваться в линейных и импульсных преобразователях напряжения, системах управления питанием, преобразователях уровней, интерфейсах датчиков и в других высоконадежных схемах, работающих в условиях воздействия экстремальных температур. Все устройства данного типа выпускаются в герметичных керамических корпусах (TO-18, DIP-8, TO-257), а также в виде протестированных бескорпусных кристаллов.

Мощные P-канальные транзисторы разделены на две группы в зависимости от величины рабочего напряжения. Компоненты XTR2N0325 и XTR2N0350 предназначены для использования при максимальном напряжении сток-исток 30 В, в то время как XTR2N0525 и XTR2N0550 рассчитаны на напряжения до 40 В. Каждое подсемейство представлено двумя транзисторами, имеющими в обозначении суффиксы “25” и “50” и различающимися максимальными токами стока. Все вышесказанное относится и к транзисторам N-типа с максимальным рабочим напряжением 55 и 90 В, которые образуют серии XTR2N04хх и XTR2N08хх. Малосигнальные транзисторы XTR2N0307 и XTR2N0807 с напряжением исток-сток 30 и 90 В и сопротивлением канала в открытом состоянии 6,7 и 9,5 Ом имеют максимально допустимый постоянный ток стока 1 и 0,6 А соответственно.

Микросхемы логики.

Многофункциональные логические микросхемы серии XTR54000-xx позиционируются в качестве прямой замены стандартных устройств семейства 54HC. Универсальный набор функций позволяет конфигурировать их для реализации любой комбинаторной логики, выбор необходимой логической функции (И-НЕ, ИЛИ-НЕ, НЕ, исключающее ИЛИ) у каждой микросхемы осуществляется при помощи специальных выводов SET_1 и SET_0. Все входные цепи для повышения помехозащищенности снабжены триггерами Шмитта. Предлагаемые ИС работают с напряжениями питания 2,8…5,5 В и изготавливаются в 16-выводных корпусах типа DIP или SOIC.

Двунаправленные преобразователи уровней XTR5001х используются для организации взаимодействия между узлами, работающими при разных напряжениях питания (от 2,5 до 5,5 В). В рамках серии доступно несколько модификаций с максимальным количеством каналов 6 и скоростью передачи данных не более 60 Мбит/с. Выбор направления передачи производится либо автоматически (XTR50011), либо задается при помощи специального вывода DIR (XTR50014). На рис. 7 приведена упрощенная схема применения ИС XTR50011. Низкий логический уровень на входе разрешения OE переводит информационные выводы A1-A6 и B1-B6 в высокоимпедансное состояние. 

Рис. 7 – Типовая схема применения ИС XTR50011.

Также для заказа доступны D-триггеры. Серия XTR5417х включает в себя компоненты, каждый из которых конструктивно состоит их четырех аналогичных триггеров. Объединенные в одном 16-выводном корпусе они имеют общее питание (2,8-5,5 В), общий вход синхронизации CK и одновременного сброса MR. Два выхода (прямой и инверсный) обеспечивают ток нагрузки не более 8 мА. Информационные входа D для повышения помехоустойчивости снабжены триггерами Шмитта. Устройства серии XTR541G7x представляют собой одиночные D-триггеры, отличающиеся наличием входов S и R. Они выпускаются в малогабаритных 8-выводных корпусах и рекомендуются для построения делителей частоты.

Интерфейсные микросхемы.

Серия полнодуплексных двухканальных изолированных трансиверов XTR4001х предназначена для использования в интеллектуальных силовых модулях, схемах управления электроприводами, инверторах, высоковольтных DC/DC преобразователях и источниках питания. Микросхемы содержат по два передающих и приемных канала, обмен данными осуществляется с применением амплитудной манипуляции. Гальваническая развязка выполняется при помощи внешних малогабаритных импульсных трансформаторов с коэффициентом трансформации 1:1, обеспечивающих устойчивость работы даже при высоких значениях dV/dt. Готовое решение не требует множества внешних компонентов и отличается хорошей помехозащищенностью. Приёмопередатчик обеспечивает скорости обмена данными до 4,2 Мбит/с на каждый канал и имеет низкие значения задержки распространения (< 120 нс) и уровня джиттера сигнала. Для выполнения повышенных требований по ЭМС восемь значений несущей рабочей частоты могут быть установлены пользователем при помощи 3-битного слова на выводах TRIM1-3. Также конфигурируется полярность сигналов Tx и Rx. Напряжение питания составляет 3,3-5,5 В. Пример использования трансиверов XTR4001х был приведен выше на рис. 3.

Заключение.

Высокотемпературная продукция компании X-REL Semiconductor, представленная как дискретными устройствами, так и интегральными схемами с диапазоном рабочих температур от -60 до +230 °С, рассчитана на эксплуатацию в жестких условиях окружающей среды и может успешно применяться в электронном оборудовании буровых установок, геотермальных электростанций и геолого-разведочной аппаратуре. Определиться с выбором подходящего изделия поможет отличная техническая поддержка компании, включающая в себя консультации специалистов, руководства по применению и схемотехнические рекомендации.

Список используемой литературы.

1. Официльный сайт компании X-REL Semiconductor. https://easii-ic.com/en/x-rel