Zasilacze AC/DC muszą spełniać wysokie wymagania norm międzynarodowych

Wprowadzone w roku 2007 przez Departament Energii USA normy sprawności zasilaczy AC/DC wiążą niski pobór prądu przy zerowym obciążeniu z wysoką sprawnością w granicach od 25% do 100% obciążenia znamionowego. Podobne normy wprowadzono również w Unii Europejskiej i innych krajach na świecie, ale wymagania norm EN są najostrzejsze. Zaktualizowana norma dla zasilaczy off-line, zaostrzająca wymagania sprawności i poboru mocy przy braku obciążenia, została wprowadzona przez EN w lutym 2014 roku.

Ograniczając pobór mocy zasilaczy przy zerowym obciążeniu, norma równocześnie zmusza producentów do zapewnienia im szybkiego wzrostu natężenia prądu od zerowego do maksymalnego w reakcji na pojawienie się obciążenia, przy zachowaniu stabilności napięcia. Parametry te są oczekiwane dla powszechnych konsumenckich urządzeń elektronicznych.

Reakcja na szybkie zmiany obciążenia

Czas reakcji na szybkie zmiany obciążenia ma bezpośredni wpływ na jakość napięcia zasilacza. Im czas ten jest krótszy, tym odchylenie od nominalnego napięcia stabilizowanego jest mniejsze, nawet przy niewielkiej pojemności kondensatora wyjściowego. Niski pobór mocy pobieranej przez sterownik zasilacza wiąże się zwykle z wydłużonym czasem jego reakcji. Czas reakcji na zmiany obciążenia jest w istocie miarą szybkości działania pętli sterujących tak przy dużych, jak i małych zmianach sygnałów. Jeśli szybkość narastania napięcia w obwodach, a także pasmo przenoszenia są małe, napięcie wyjściowe na zmiany obciążenia reaguje powoli.

Na przykład wzmacniacze operacyjne czy komparatory, pobierające bardzo mały prąd zasilający, cechują się dłuższym czasem narastania i czasem propagacji w porównaniu z bardziej prądożernymi. W specyficznym przypadku przetwornic AC/DC na działanie sterowników mają także wpływ impedancja transformatora i jego indukcyjność pasożytnicza. Koncentrując się na działaniu sterownika, niezależnie od komponentów biernych, można zmaksymalizować parametry zasilacza przy zachowaniu minimalnych prądów zasilania.

Analiza reakcji na szybkie zmiany obciążenia

Rys. 1. Obraz przebiegu nieustalonego

Wiele czynników wpływa na szybkość i dokładność reakcji napięcia zasilacza na zmiany prądu obciążenia. Traktując zasilacz jak czarną skrzynkę, nieidealne źródło prądu, można śledzić, od których czynników zależy czas jego reakcji. Na rysunku 1 przedstawiono typowy skok obciążenia i sposób, w jaki obwód wyjściowy na niego reaguje.

Przyjęto, że obwód ten zawiera równoległy kondensator wyjściowy C o szeregowej rezystancji RS i szeregowej indukcyjności IS. Początkowa zmiana natężenia prądu wywołuje ostry spadek napięcia wyjściowego, narzucony czasem narastania prądu wyjściowego w rezystancji RS, a następujący po nim skok jest wywołany indukcyjnością IS.

Poprawny dobór kondensatora wyjściowego o małych R i L może zredukować ten impuls niemal do zera. Gdy kondensator zaczyna dostarczać prądu do wyjścia, napięcie zmienia się zgodnie z równaniem

dU = I/C ⋅ dt

Obniżenie się napięcia wyjściowego jest uzależnione w pełni od szybkości reakcji zasilacza na pobudzenie. Od tego momentu zasilacz zaczyna dostarczać prądu do kondensatora i obciążenia. Kondensator zostaje wtedy naładowany do napięcia nominalnego z niewielkim uchybem, zależnym od stabilizacji napięcia wyjściowego i od wzmocnienia w pętli sterowania. Im to wzmocnienie jest wyższe, tym lepsza stabilizacja napięcia wyjściowego zasilacza względem obciążenia.

Rys. 2. Sterownik analogowy

W przetwornicach zaporowych są stosowane sterowniki analogowe lub cyfrowe. Obie techniki mają to samo zadanie, ale jest ono wykonywane całkowicie innymi metodami. W sterownikach analogowych w pętli sprzężenia zwrotnego stosuje się wzmacniacze analogowe, które sterowane sygnałem błędu powstającego z porównania napięcia wzorcowego z napięciem wyjściowym zapewniają jego stabilizację.

W sterownikach cyfrowych analogowy sygnał sprzężenia zwrotnego zostaje zamieniony w cyfrowe słowo, które po porównaniu z ustalonym wzorcem cyfrowym, przez cyfrowy filtr proporcjonalno-całkowo-różniczkujący (PID), stabilizuje napięcie wyjściowe. Jako czarna skrzynka działa analogicznie do układu analogowego, ale w zupełnie inny sposób.

Sterowniki analogowe

Analogowe sterowniki zasilaczy napięcia są używane od wielu dekad. Zalety i wady tej techniki są dobrze znane. Centralnym elementem sterownika analogowego (rys. 2) jest wzmacniacz błędu. Uzyskanie dobrych jego parametrów przy bardzo małym prądzie zasilania jest możliwe, ale za cenę rozmiarów montażu. Proste układy działają wolniej, pogarszając jakość napięcia wyjściowego.

Sterowniki cyfrowe

Rys. 3. Sterownik cyfrowy

Sterownik cyfrowy spełnia te same funkcje co analogowy, ale w całkiem inny sposób. Typowy cyfrowy sterownik zasilacza napięcia (rys. 3) zawiera filtr PID, cyfrowy wzorzec, cyfrowy generator z modulacją szerokości impulsów (PWM) i sterownik wyjściowy. Napięcie sygnału sprzężenia zwrotnego jest konwertowane do postaci cyfrowej, porównywane z wzorcem cyfrowym i przez filtr PID kierowane do cyfrowego obwodu PWM, sterującego układem zasilania.

Jeśli nie zastosowano bardzo szybkiego przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) w połączeniu z bardzo szybkim rdzeniem cyfrowym, cyfrowy sterownik PID reaguje stosunkowo powoli. W aplikacjach wysokoprądowych, w których obciążenie jest nieustannie aktywne, takie rozwiązanie jest wykonalne, a czas jego reakcji jest krótki. Ale w przypadku małych obciążeń parametry prostych sterowników cyfrowych są gorsze, podobnie jak w sterownikach analogowych.

Bezpośrednie porównanie sterowników cyfrowych z analogowymi nie wykazuje wielkich różnic w parametrach. Ale w przypadku zaawansowanych układów cyfrowych, o większej liczbie stopni swobody, ich przewaga staje się wyraźna. Do głównego bloku sterującego z PID można bowiem dodawać obwody analogowe lub cyfrowe, zwiększające ich możliwości bez pogorszenia podstawowych parametrów.

Natomiast w układach analogowych dodatkowe obwody źle wpływają na kompensację częstotliwościową. Jedna pętla sterowania wystarcza w układzie analogowym, ale kilka równoległych do osiągnięcia stabilności wymaga niezwykle skomplikowanej kompensacji ograniczającej pasmo. Porównanie powyższe dotyczy zarówno przetwornic DC/DC, jak i AC/DC, tak ważnych w zasilaczach off-line.

Reakcja na szybkie zmiany obciążenia

Tabela 1. Specyfikacja ładowania akumulatorów przez USB Rev. 1.2

Zasilacze o szybkiej reakcji na zmiany obciążenia zapewniają wysoką jakość napięcia dla aplikacji końcowych, zajmując równocześnie niewielką objętość dzięki zredukowanemu zapotrzebowaniu na dużą pojemność podtrzymujących napięcie kondensatorów wyjściowych (a więc i kosztu). Typowe aplikacje, wymagające wysokiej jakości i niskich kosztów, spełniające międzynarodowe normy sprawności energetycznej, to naścienne zasilacze o uniwersalnym wejściu z wyjściem USB, służące do ładowania akumulatorów smartfonów.

Specyfikacja USB BC 1.2 dla ładowarek akumulatorów z gniazdem USB precyzuje zakres dostarczanego stabilizowanego napięcia stałego i zakres zasilającego napięcia zmiennego dla wszystkich smartfonów przystosowanych do ładowarek USB BC 1.2. Specyfikacja ta podaje również maksymalny czas odzyskiwania nominalnego poziomu napięcia po krótkim spadku w reakcji na gwałtowny wzrost obciążenia.

Tabela 1 pokazuje wymagania kompatybilności napięcia zasilacza ze specyfikacją USB BC 1.2. Wymagania co do czasu reakcji i stabilności napięcia są łatwe do spełnienia dla przetwornic DC/DC, ale dla zasilaczy AC/DC, które muszą spełniać wymagania EN, jest to trudniejsze.

Układ iW1760 Dialog's Power Conversion Business Group (dawniej iWatt) jest kompatybilny ze specyfikacją USB BC 1.2 i spełnia równocześnie wymagania najnowszej normy EN z lutego 2014, jak również najostrzejszych norm sprawności elektrycznej UE, Code of Conduct Version 5, Tier 2. Rysunek 4 przedstawia czas reakcji iW1760 ładowarki 10 W USB. Przy 2 A skokach prądu w ciągu 6 ms napięcie wyjściowe utrzymuje się z pewnym marginesem w granicach wymaganych przez USB BC 1.2 AC.

Rys. 4. Wykres przebiegu obciążenia iW1760 w funkcji czasu

Nieco szybszy układ iW1786 spełnia normy energetyczne i zapewnia krótszy czas reakcji przy mniejszej pojemności wyjściowej. Układ ten jest sterownikiem cyfrowym, współpracującym z dodatkowym komponentem iW671, pomocniczym układem scalonym wykrywającym zmiany napięcia wyjściowego.

W natychmiastowej reakcji wysyła on do układu głównego sygnał sprzężenia zwrotnego, przyspieszający powrót napięcia wyjściowego do nominalnego poziomu, wspomagając sprzężenie zwrotne układu głównego. Krótszy czas reakcji i mniejsze obniżenie napięcia zasilacza dają projektantowi dodatkowy margines, umożliwiający zmniejszenie pojemności kondensatora wyjściowego.

Dodatkowy układ scalony ma jeszcze tę zaletę, że zawiera obwód synchronicznego prostownika strony wtórnej, który poprawia sprawność nawet bez dwóch diod Schottky'ego. Skrócony czas reakcji umożliwia zmniejszenie pojemności wyjściowej, zwiększenie sprawności zmniejsza wymagania odprowadzania ciepła, a redukcja liczby komponentów strony wtórnej oszczędza powierzchnię.

Rysunek 5 pokazuje znaczne skrócenie czasu reakcji napięcia wyjściowego zespołu iW1786 + iW671 w porównaniu z iW1786, pozostawiając wystarczający margines dla spełnienia wymagań specyfikacji USB BC 1.2.

Rys. 5. Wykres przebiegu obciążenia iW1786+iW671 w funkcji czasu

Pokazany na rysunku 5 minimalny poziom odchyleń napięcia wyjściowego wynosi 4,8 V, co oznacza 200 mV poniżej napięcia nominalnego, podczas gdy rysunek 4 pokazuje 700 mV tego odchylenia. Czas reakcji wynosi 3 ms, około dwukrotnie mniej niż na rysunek 4.

Układ iW1786 jest zbudowany wokół firmowego rdzenia cyfrowego o wielu pętlach sterowania. Zastosowane w nim nowoczesne cyfrowe pętle sterujące przy małych zewnętrznych komponentach zapewniają bardzo krótki czas reakcji i utrzymują kompensację bez elementów zewnętrznych. Układy analogowe mogą osiągać podobne rezultaty, ale większym kosztem i rozmiarami oraz skomplikowaniem.

Technika cyfrowa wprowadza nowe elastyczne metody projektowania zasilaczy, łatwiejsze dla projektantów. Dzięki postępowi w cyfrowym operowaniu zasilaniem osiąga się krótki czas reakcji, co pozwala zasilaczom konsumenckich urządzeń elektronicznych spełniać międzynarodowe wymagania bez pogorszenia parametrów. (KKP)