Așa se poate dezvolta o sursă de alimentare eficientă All-Electronics
Figura 1: Schema unei surse de alimentare în două trepte Texas Instruments
Figura 2: Eficiența în funcție de tensiunea de intrare Texas Instruments
Figura 3: Diagrama circuitului simplificat a unui circuit activ de pornire Texas Instruments
Figura 4: Proiectare simplificată a unui circuit de impuls Texas Instruments
Figura 5: Diagrama circuitului simplificat a unui circuit ACF Texas Instruments
Date esentiale
Următorul articol descrie o metodă pentru proiectarea unei surse de alimentare eficiente cu un domeniu de tensiune de intrare extrem de larg și oferă, de asemenea, sfaturi valoroase despre cum să obțineți un design optimizat.
Ce ar fi posibil dacă s-ar putea proiecta o sursă de alimentare care să satisfacă nevoile de intrare și ieșire ale tuturor aplicațiilor. Cu toate acestea, realitatea este diferită, deoarece sursele de alimentare trebuie să fie întotdeauna proiectate pentru un anumit interval de tensiune din diverse motive.
Hotărâtoare pentru aceasta sunt, printre altele, restricțiile interne ale controlerelor. Tehnici precum comutarea în trecerea zero de tensiune, frecvențele de comutare variabile sau rectificarea sincronă fac posibilă reducerea pierderilor în diferitele părți ale etapei de putere, dar limitează și domeniul de tensiune de intrare și ieșire. Cu toate acestea, multe aplicații necesită o gamă mare de tensiune de intrare, ceea ce duce la cicluri de funcționare foarte mici sau ridicate și poate limita performanța sau poate provoca pierderi mari.
Frecvența de comutare variază
De exemplu, să presupunem că aveți nevoie de un convertor flyback de 75W pentru tensiuni de intrare de la 20 la 375V. Pentru puteri de până la 100 W, topologia flyback este o alegere bună, deoarece este cea mai rentabilă topologie izolată. Au trecut vremurile în care controlerele comutau cu o frecvență constantă, deoarece controlerele moderne modulează frecvența de comutare pentru a obține o eficiență ridicată. De regulă, frecvența de comutare variază în funcție de condițiile de intrare și ieșire. Cu toate acestea, proiectanții trebuie să ia în considerare anumite limite, cum ar fi timpul minim de pornire, factorul maxim de funcționare a impulsurilor și frecvența minimă și maximă de comutare. Aceste limitări fac dificilă pentru controler să facă față unei game largi de tensiuni de intrare.
Dacă este necesară o gamă extrem de largă de tensiune de intrare, de exemplu de la 20 la 375 V, este necesară o abordare diferită. O posibilitate este soluția în două etape prezentată în Figura 1.
Prima etapă este un circuit pre-boost care este activ doar la tensiuni de intrare sub 130 V. Acesta generează o tensiune de ieșire boost de aproximativ 130 V, astfel încât chiar și cu tensiuni de intrare de până la 20 V factorul de câștig este mai mic de șapte pentru a asigura o funcționare corectă. De îndată ce tensiunea de intrare este mai mare decât Vboost, bucla de control scoate automat circuitul din funcțiune, adică regulatorul de amplificare devine inactiv. Conexiunea galvanică dintre intrarea și ieșirea etapei de creștere asigură faptul că tensiunea de intrare este alimentată direct în a doua etapă.
A doua etapă constă dintr-un controler flyback modern (convertor flyback). Cea mai eficientă topologie a convertorului flyback folosește tehnologia de prindere activă, care regenerează energia rătăcită și asigură o comutare lină sau chiar o comutare în trecerea zero de tensiune. În legătură cu un redresor secundar, sunt posibile eficiențe de până la 84%.
Trebuie remarcat faptul că eficiența este produsul primei etape (pre-boost) și a celei de-a doua etape (flyback converter). Cu toate acestea, la tensiuni de intrare de peste 130 V, etapa pre-boost este dezactivată, așa cum s-a menționat, astfel încât doar a doua etapă determină eficiența. Ca urmare, este posibilă o eficiență semnificativ mai mare de 90% pe o gamă largă de tensiune de intrare.
Un exemplu de referință
Proiectul de referință „Proiectare de referință izolată a sursei de alimentare izolate de înaltă eficiență (20 la 375 VDC)” de la Texas Instruments (TI) acoperă un interval de tensiune de intrare de la 20 la 375 V și furnizează o tensiune de ieșire de 24 V cu un curent de ieșire maxim de 3, 5 A. Figura 2 arată eficiența în funcție de tensiunea de intrare.
După cum se poate vedea din diagramă, la tensiuni de intrare cuprinse între 25 și 375 V, randamentul este de peste 90%, iar randamentul maxim este de 94%. Cum este posibil? Proiectarea de referință urmează același concept ca circuitul din Figura 1. În principiu, proiectarea este împărțită în trei secțiuni: o etapă pre-boost, o etapă ACF (Active Clamp Flyback) și un circuit de pornire. În timp ce etapa de pre-boost conține controlerul de mod curent UCC28C42 de la TI, controlerul flyback UCC28780 de la TI este utilizat în etapa ACF.
Sfaturi pentru proiectarea unui circuit de pornire
Când începeți proiectarea schemei de circuite, există câteva gânduri care trebuie luate în considerare pentru circuitul de pornire, deoarece este dificil să atingeți o gamă largă de tensiune de intrare. În cele din urmă, condensatoarele VDD ale etapei pre-boost și clamp activ trebuie încărcate, astfel încât circuitul să poată porni. Se știe că o metodă de pornire rezistivă duce la pierderi mai mari, în special în aplicații cu tensiuni de intrare ridicate. Sursele de alimentare sunt foarte des în modul de așteptare, motiv pentru care este adesea necesar un circuit de pornire activ pentru a reduce pierderile de așteptare. Un dispozitiv normal, cum ar fi un MOSFET de epuizare, poate fi utilizat într-un astfel de circuit. Figura 3 prezintă un circuit de pornire simplificat.
MOSFET Q1 de epuizare încarcă condensatorul VDD în timp ce controlerul nu funcționează. De îndată ce tensiunea VDD a depășit pragul de răspuns al blocării subtensiunii, regulatorul începe să funcționeze. Înfășurarea auxiliară furnizează regulatorul prin dioda D2 și Q1 poate fi oprită (prin înfășurarea auxiliară, D1 și Q2). În schema proiectării de referință pentru o sursă de alimentare izolată, acest circuit de pornire bazat pe un MOSFET de epuizare este prezentat într-o oarecare măsură mai detaliat. Înfășurarea auxiliară a transformatorului ACF flyback este utilizată pentru mai multe sarcini, și anume pentru a opri MOSFET-ul de epuizare și pentru a furniza etapa de amplificare și controlerul ACF.
Sfaturi pentru proiectarea unui circuit pre-boost
Circuitul pre-boost este destinat funcționării non-discontinue. În timp ce dioda este oprită, curentul mare de recuperare inversă a unei diode de siliciu ar duce la pierderi mari. Prin urmare, se recomandă utilizarea unui MOSFET cu comutare rapidă și a unei diode Schottky (SiC) din carbură de siliciu. Acest lucru reduce drastic pierderile, mai ales că nu circulă curent de întârziere inversă cu o diodă SiC. De altfel, cu ajutorul unei diode de bypass, pot fi evitați curenți mari de supratensiune în dioda SiC (Dboost).
După cum sa menționat deja, tensiunea de ieșire este reglată la 130 V. Prin urmare, bucla de feedback întrerupe funcționarea regulatorului de creștere dacă tensiunea de intrare este mai mare de 130 V. Cu toate acestea, toate componentele trebuie să fie proiectate pentru o tensiune maximă de intrare de 375 V (plus o marjă de siguranță) și să reziste la puterea maximă de curent.
Cu un instrument disponibil ca freeware de la Texas Instruments (Power Stage Designer), pot fi afișate tensiunile și curenții tuturor topologiilor comune. Acest lucru face ușoară selectarea acelor componente care pot rezista la valorile maxime maxime și RMS ale tensiunilor și curenților.
Sfaturi pentru proiectarea unui circuit ACF
A doua etapă este un circuit ACF. Un convertor flyback normal cu prindere pasivă, care funcționează în funcționare intermitentă, disipă energia rătăcită a transformatorului într-un circuit pasiv de snubber. Pe de altă parte, într-un circuit ACF, această energie este recuperată și comutarea are loc într-o gamă largă de stări de funcționare cu o trecere de tensiune zero. O diagramă simplificată a circuitului poate fi văzută în Figura 5.
Circuitul ACF funcționează în modul de tranziție și modulează curentul de vârf pe partea primară și frecvența de comutare. Q_HS ajută la recuperarea și stocarea energiei rătăcite într-un condensator de snubber. În plus, circuitul ACF folosește curentul de magnetizare al transformatorului pentru a descărca capacitatea nodului de comutare (Csw) și pentru a reduce tensiunea la nodul de comutare la 0 V înainte ca Q_LS să pornească. Acest lucru permite comutarea în trecerea zero de tensiune și evită pierderile de comutare.
Pentru ca întregul sistem să funcționeze corect, trebuie acordată o atenție specială transformatorului. Printre altele, inductanța din partea primară și raportul de rotații determină modul de funcționare în care circuitul funcționează pe întreaga gamă de sarcină. Prin urmare, se recomandă să respectați regulile date în fișa tehnică și să specificați cu atenție timpul minim de pornire, intervalul de frecvență de comutare și curentul maxim de vârf pe partea primară a transformatorului. Cu Power Stage Designer, specificarea transformatorului este, de asemenea, mult mai ușoară.
În cele din urmă, se recomandă utilizarea unei tehnici speciale de înfășurare, deoarece înfășurările trebuie să fie cuplate corespunzător. De exemplu, înfășurarea primară ar trebui să fie împărțită pentru a încorpora straturile secundare și de polarizare între ambele jumătăți. Pentru a crește în continuare eficiența, ar trebui luată în considerare și posibilitatea înlocuirii diodei de ieșire cu un redresor sincron. Controlerul ACF UCC28780 funcționează cu un redresor sincron, cum ar fi UCC24612 cu senzor de sursă de scurgere (VDS). Detectarea VDS folosește căderea de tensiune la RDS (pornită) a MOSFET și a diodei corpului pentru a porni și opri rectificatorul sincron MOSFET. Redresorul sincron poate fi plasat fie pe partea pozitivă, fie pe cea negativă a înfășurării de ieșire. Dacă se află pe calea pozitivă, interferența electromagnetică în modul comun este mai mică, dar în acest caz controlerul nu poate fi alimentat de tensiunea de ieșire. În schimb, este necesară o înfășurare suplimentară sau un circuit rezistor-condensator-diodă pentru a furniza controlerul redresor sincron.
rezumat
Designul de referință al Texas Instruments pentru o sursă de alimentare izolată arată o modalitate bună de a atinge un interval de tensiune de intrare foarte larg. Cu un concept precum sursa de alimentare în două trepte, se poate obține o eficiență de peste 90% în combinație cu performanțe ridicate. Modelele de referință ale puterii Texas Instruments oferă soluții pentru o gamă largă de cazuri de utilizare. Folosiți-l în proiectele dvs. de dezvoltare. De multe ori veți găsi un design cu specificații similare, care este un bun punct de plecare și care vă poate accelera procesul de proiectare.