VIPerPlus w zasilaczu beztransformatorowym

Rys. 1. Typowy zasilacz sieciowy beztransformatorowy

Wraz z nadejściem ery IoT, ze wzrostem wymagań w zakresie sprawności energetycznej jednostek zasilających, a także potrzebą większej miniaturyzacji, to tradycyjne rozwiązanie zasilacza beztransformatorowego (rys. 1) staje się coraz mniej wygodne. Kondensator, na którego reaktancji obniżane jest napięcie sieci, jest duży, a sam układ nie daje możliwości rozbudowy funkcjonalności w kierunku np. dodania zabezpieczeń, miękkiego rozruchu, blokady działania w czasie uśpienia aplikacji.

Sama stabilizacja napięcia w układzie zasilacza bezkondensatorowego też jest trudna do realizacji, bo w praktyce wymaga dodania stabilizatora liniowego. On dodatkowo pogarsza sprawność układu i zwiększa zajmowane miejsce na płytce.

Rodzina układów VIPerPlus

Rys. 2. Rodzina układów VIPerPlus

W ofercie firmy ST Microelectronics pojawił się nowy układ ze znanej rodziny VIPerPlus przeznaczony do budowy zasilaczy beztransformatorowych o małej mocy z zamysłem zastąpienia nim układu z kondensatorem. Rodzina VIPerPlus to już druga generacja układów zasilających, które wykonywane są w opracowanej przez ST Microelectronics technologii BCD (Bipolar-CMOS-DMOS).

Pozwala ona na jednej strukturze scalonej łączyć sterownik PWM, obwody logiczne i zabezpieczające z wysokonapięciowym tranzystorem MOSFET. Jest też układ zabezpieczenia termicznego, miękkiego startu, automatycznego restartu po przeciążeniu, są zabezpieczenia przed przeciążeniem i zwarciem.

Dodatkowo konstrukcja tego tranzystora została zoptymalizowana pod kątem minimalizacji przebicia lawinowego struktury, dzięki czemu znacznie poprawiła się niezawodność działania i odporność na przepięcia w sieci zasilającej.

W ramach rodziny układów (rys. 2) dostępnych jest kilka serii o różnych właściwościach funkcjonalnych. Wszystkie są zasilane z napięcia sieci 230 V_AC:

• VIPer0P - to grupa układów pobierających minimalną (bliską zera) moc bez obciążenia i przeznaczonych do budowy zasilaczy o mocy do 7 W,
• VIPerPlus01 - to układy uniwersalne zawierające kompletne rozwiązanie układowe pozwalające na budowę zasilaczy o niskim napięciu wyjściowym, prostej konstrukcji i wysokiej sprawności, w tym rozwiązania beztransformatorowe,
• VIPerPlus05 - to sterowniki zasilaczy pracujących w technologii quasi-rezonansowej o wysokiej sprawności,
• VIPerPlus06 - to rozwiązanie zoptymalizowane pod kątem małej liczby dołączanych do układu elementów zewnętrznych,
• VIPerPlus06 - to kontrolery z rozbudowanymi obwodami zabezpieczeń przepięciowych i odporne na chwilowe zaniki napięcia zasilającego,
• VIPerPlus08 - to jednostki sterujące do zasilaczy pozwalające na chwilowe przeciążanie przez 1-2 s, co poprawia stabilność napięcia zasilającego.

Konwertery charakteryzują się bardzo niskim poborem mocy bez obciążenia. Dla wybranych układów jest on niższy niż 4 mW przy zasilaniu 230 V_AC. To rekordowe osiągniecie pozwalające na zasilanie aplikacji IoT i innych rozwiązań bazujących na mikrokontrolerach i komunikacji bezprzewodowej.

Konstruktorzy niechętnie sięgają po impulsowe zasilacze w takich aplikacjach z uwagi na spore kłopoty z zakłóceniami. Zasilacz impulsowy zasilany wysokim napięciem sieciowym umieszczony bardzo blisko nadajnika radiowego w aplikacji IoT emituje wiele zaburzeń EM i może ograniczać czułość i tym samym zasięg komunikacji. Z tych przyczyn na razie świat aplikacji IoT zasilany jest domyślnie z baterii.

ST Microelectronics w rodzinie VIPerPlus próbuje zaradzić tym problemom, bo konwertery mają wbudowane obwody rozpraszania widma (nie pracują na stałej częstotliwości kluczowania). Nie wymagają też obwodów gasikowych, które są źródłem nie tylko strat mocy, ale także zaburzeń elektromagnetycznych.

VIPer01

Rys. 3. Schemat ideowy zasilacza beztransformatorowego z VIPer01

Do zasilaczy beztransformatorowych, a więc nieizolowanych galwanicznie od sieci energetycznej, przeznaczony jest układ VIPer01. Pozwala on zbudować prosty zasilacz o napięciu wyjściowym stabilizowanym 5 V i bardzo małym poborze mocy. Domyślnym obszarem aplikacyjnym są układy IoT, które muszą być stale połączone z siecią komunikacyjną.

VIPer01 spełnia najnowsze wymagania światowych norm w zakresie efektywności energetycznej, takich jak amerykańskiej Energy Star i europejskich regulacji EuP Lot 6 tier 2 w zakresie ekoproduktów. Osiągnięto to za pomocą elastycznego schematu modulacji, w którym sterownik automatycznie przełącza się z modulacji PWM (szerokości impulsu) na modulację częstotliwości impulsu przy małym obciążeniu. Przy całkowitym braku obciążenia, modulator przełącza się w tryb gubienia impulsów, aby ograniczyć pobór mocy ze źródła do ok. 4 mW.

VIPer01 ma zintegrowany układ startowy, 800-woltowy tranzystor kluczujący, wzmacniacz napięcia błędu z pętlą sprzężenia zwrotnego pracującą w trybie prądowym i źródłem napięcia odniesienia 1,2 V, oscylator z wbudowanym układem jitteru i inne niezbędne bloki zabezpieczające, jak ogranicznik maksymalnego prądu drenu, soft start, automatyczny restart, zabezpieczenia nadnapięciowe na wejściu i wyjściu itd.

Dostępne są 3 wersje o różnej częstotliwości kluczowania: 30 kHz (X), 60 kHz (L) i 120 kHz (H). Układ jitteru rozprasza widmo o ±7%, dzięki czemu o wiele łatwiej jest walczyć z zakłóceniami.

Sterownik ma uniwersalną konstrukcję i poza wspomnianą wcześniej pracą w topologii obniżania napięcia wejściowego bez izolacji galwanicznej (buck) może być wykorzystany także do realizacji przetwornicy zaporowej z klasycznym transformatorem impulsowym.

Układ sterownika może być zasilany napięciem od 4,5 do 30 V i ma wbudowany stabilizator wewnętrzny dostarczający wewnętrznego napięcia dla wszystkich bloków. Podczas pracy sterownik jest zasilany z wyjścia zasilacza lub z pomocniczego uzwojenia transformatora, na czas startu energię zapewnia kondensator filtrujący współpracujący z wewnętrznym układem.

Cena producenta VIPer01 została ustalona na 0,36 USD dla 1000 sztuk.