Ось як можна розробити ефективне джерело живлення All-Electronics

Рисунок 1: Схема двоступеневого джерела живлення Texas Instruments

Рисунок 2: Ефективність як функція вхідної напруги Texas Instruments

Рисунок 3: Спрощена схема активної схеми запуску Texas Instruments

Рисунок 4: Спрощена конструкція підсилювального контуру Texas Instruments

Рисунок 5: Спрощена електрична схема схеми ACF Texas Instruments

Ключові дані

Наступна стаття описує метод проектування ефективного джерела живлення з надзвичайно широким діапазоном вхідної напруги, а також дає цінні поради щодо досягнення оптимізованої конструкції.

Що було б можливо, якби можна було спроектувати блок живлення, який міг би задовольнити вхідні та вихідні потреби всіх додатків. Однак реальність полягає в іншому, оскільки джерела живлення завжди повинні бути розраховані на певний діапазон напруги з різних причин.

Вирішальним для цього є, серед іншого, внутрішні обмеження контролерів. Такі методи, як перемикання при перетині нуля напруги, змінні частоти перемикання або синхронне випрямлення, дозволяють зменшити втрати в різних частинах силового каскаду, але також обмежують діапазон вхідної та вихідної напруги. Однак для багатьох застосувань потрібен великий діапазон вхідної напруги, що призводить до дуже низьких або великих робочих циклів і може обмежити продуктивність або спричинити великі втрати.

Частота перемикання змінюється

Наприклад, припустимо, вам потрібен перетворювач зворотного ходу потужністю 75 Вт для вхідних напруг від 20 до 375 В. Для потужностей до 100 Вт топологія зворотного зв'язку є хорошим вибором, оскільки є найбільш економічно ефективною ізольованою топологією. Минули часи, коли контролери перемикалися з постійною частотою, оскільки сучасні контролери модулюють частоту перемикання для досягнення високої ефективності. Як правило, частота перемикання змінюється залежно від умов на вході та виході. Однак проектувальники повинні враховувати певні обмеження, такі як мінімальний час включення, максимальний робочий цикл та мінімальна та максимальна частота включення. Ці обмеження ускладнюють роботу контролера з широким діапазоном вхідних напруг.

Якщо потрібен надзвичайно широкий діапазон вхідної напруги, наприклад, від 20 до 375 В, тому необхідний інший підхід. Однією з можливостей є двоступеневе рішення, показано на рисунку 1.

Перший етап - це схема попереднього підсилення, яка активна лише при вхідних напругах нижче 130 В. Він генерує вихідну напругу наддуву близько 130 В, так що навіть при вхідних напругах до 20 В коефіцієнт підсилення становить менше семи для забезпечення належної роботи. Як тільки вхідна напруга перевищує Vboost, схема автоматично виводиться з режиму роботи контуром управління, тобто контролер підсилення стає неактивним. Гальванічний зв’язок між входом і виходом підсилювального каскаду забезпечує подачу вхідної напруги безпосередньо на другу ступінь.

Другий етап складається з сучасного контролера зворотного зв'язку (flyback converter). Найефективніша топологія перетворювача зворотного зв'язку використовує технологію активного затискання, яка відновлює енергію розбігу та забезпечує плавне перемикання або навіть перемикання при нульовій напрузі. У зв’язку з вторинним випрямлячем можлива ефективність до 84%.

Слід зазначити, що ефективність є добутком першого ступеня (попереднє підсилення) та другого ступеня (перетворювач зворотного зв'язку). Однак при вхідних напругах вище 130 В, як уже згадувалося, попередній наддув вимикається, так що лише другий ступінь визначає ефективність. Як результат, ефективність значно більше 90% можлива в широкому діапазоні вхідної напруги.

Довідковий дизайн як приклад

Еталонна конструкція "Високоефективний надширокий вхідний (від 20 до 375 В постійного струму) ізольований джерело живлення" від Texas Instruments (TI) охоплює діапазон вхідної напруги від 20 до 375 В і забезпечує вихідну напругу 24 В з максимальним вихідним струмом 3, 5 А. На рис. 2 показана ефективність як функція вхідної напруги.

Як видно з діаграми, при вхідних напругах від 25 до 375 В ККД становить понад 90%, а максимальний ККД - 94%. Як це можливо? Еталонна конструкція відповідає тій же концепції, що і схема, зображена на рисунку 1. В принципі, конструкція розділена на три секції: етап попереднього підсилення, етап ACF (активний зворотний затиск) і ланцюг запуску. Хоча етап попереднього підсилення містить контролер поточного режиму UCC28C42 від TI, контролер зворотного зв'язку UCC28780 від TI використовується на етапі ACF.

Поради щодо проектування схеми запуску

Коли ви починаєте розробляти принципову схему, існує певна думка, яка стосується схеми запуску, оскільки складно досягти широкого діапазону вхідної напруги. Нарешті, конденсатори VDD на етапі попереднього підсилення та активного затиску повинні бути заряджені, щоб ланцюг могла запуститися. Відомо, що резистивний метод запуску призводить до більших втрат, особливо в додатках з високою вхідною напругою. Джерела живлення дуже часто перебувають у режимі очікування, саме тому для зменшення втрат в режимі очікування часто потрібна активна схема запуску. Як правило, на такому пристрої, як MOSFET з виснаженням, може використовуватися в такій схемі. На малюнку 3 показана спрощена схема запуску.

Виснаження MOSFET Q1 заряджає конденсатор VDD, поки контролер не працює. Як тільки напруга VDD перевищує поріг спрацьовування блокування низької напруги, контролер починає працювати. Допоміжна обмотка постачає контролер через діоди D2 і Q1 і може бути відключена (через допоміжну обмотку, D1 і Q2). У схемі еталонного проекту для ізольованого джерела живлення ця схема запуску, заснована на виснаженні MOSFET, показана дещо докладніше. Допоміжна обмотка трансформатора зворотного зв'язку ACF використовується для кількох завдань, а саме для вимкнення MOSFET з виснаженням та для подачі каскаду підсилення та контролера ACF.

Поради щодо проектування схеми попереднього підсилення

Схема попереднього підсилення призначена для безперервної роботи. Коли діод вимкнено, високий зворотний струм відновлення кремній діода призведе до великих втрат. Тому рекомендується використовувати MOSFET з швидким перемиканням та діод Шотткі з карбіду кремнію (SiC). Це різко зменшує втрати, особливо тому, що з діодом SiC майже не тече струм зворотної затримки. До речі, за допомогою обхідного діода можна уникнути високих імпульсних струмів у діоді SiC (Dboost).

Як вже зазначалося, вихідна напруга регулюється до 130 В. Таким чином, петля зворотного зв'язку перериває роботу регулятора наддуву, якщо вхідна напруга перевищує 130 В. Тим не менше, всі компоненти повинні бути розраховані на максимальну вхідну напругу 375 В (плюс запас міцності) і витримувати максимальну силу струму.

За допомогою інструменту, доступного як безкоштовна програма від Texas Instruments (Power Stage Designer), можна відображати напруги та струми всіх типових топологій. Це полегшує вибір тих компонентів, які витримують максимальні пікові та середньоквадратичні значення напруг і струмів.

Поради щодо проектування схеми ACF

Другий етап - це схема ACF. Звичайний зворотний перетворювач з пасивним затисканням, що працює при переривчастій роботі, розсіює розсіяну енергію трансформатора в пасивному снубер-ланцюзі. З іншого боку, в ланцюзі ACF ця енергія відновлюється, і перемикання відбувається в широкому діапазоні робочих станів з перетином нуля напруги. Спрощена принципова схема представлена на малюнку 5.

Схема ACF працює в перехідному режимі і модулює піковий струм на первинній стороні та частоту комутації. Q_HS допомагає відновити та накопичувати блукаючу енергію в приглушеному конденсаторі. Крім того, схема ACF використовує струм намагнічування трансформатора для розрядки ємності комутаційного вузла (Csw) та зменшення напруги на комутаційному вузлі до 0 В до ввімкнення Q_LS. Це дає змогу перемикатися при перетині нуля напруги і дозволяє уникнути втрат при перемиканні.

Щоб вся система функціонувала правильно, особливу увагу потрібно приділити трансформатору. Крім усього іншого, індуктивність первинної сторони та коефіцієнт витків визначають режим роботи, в якому схема працює протягом усього діапазону навантаження. Тому рекомендується дотримуватися правил, наведених у технічному паспорті, і ретельно вказувати мінімальний час включення, діапазон частоти перемикання та максимальний піковий струм первинної сторони трансформатора. За допомогою Power Stage Designer вказати трансформатор також набагато простіше.

Нарешті, доцільно використовувати спеціальну техніку намотування, оскільки потрібне ідеальне зчеплення обмоток. Наприклад, первинна обмотка повинна бути розділена, щоб вкласти вторинний шар та шар упередження між обома половинами. Для подальшого підвищення ефективності слід також розглянути можливість заміни вихідного діода на синхронний випрямляч. Контролер ACF UCC28780 працює з синхронним випрямлячем, таким як UCC24612, із зондуванням джерела стоку (VDS). VDS-зондування використовує падіння напруги на RDS (увімкненому) MOSFET і діоді корпусу для ввімкнення та вимкнення синхронного випрямляча MOSFET. Синхронний випрямляч може бути розміщений як на позитивній, так і на негативній стороні вихідної обмотки. Якщо він знаходиться в позитивному тракті, електромагнітні перешкоди в загальному режимі нижчі, але в цьому випадку контролер не може живити вихідною напругою. Натомість для живлення синхронного контролера випрямляча потрібна додаткова обмотка або резистор-конденсатор-діодна схема.

Резюме

Довідковий проект Texas Instruments для ізольованого джерела живлення показує хороший спосіб досягти дуже широкого діапазону вхідної напруги. Завдяки такій концепції, як двоступеневий блок живлення, можна досягти ефективності понад 90% у поєднанні з високою продуктивністю. Технічні контрольні проекти Texas Instruments пропонують рішення для багатьох випадків використання. Використовуйте це у своїх проектах розвитку. Часто ви зустрічаєте дизайн зі схожими технічними характеристиками, який є хорошою відправною точкою і може пришвидшити процес проектування.