STCH03 - zaawansowany sterownik do zasilaczy małej mocy

Układ charakteryzuje się dużą funkcjonalnością i wysokim stopniem integracji. Zawiera wbudowany w strukturę wysokonapięciowy tranzystor MOSFET realizujący bezstratny układ startowy oraz sterownik PWM o zmiennej topologii pozwalającej na wybór najkorzystniejszych warunków konwersji energii elektrycznej w zależności od wielkości obciążenia.

Rys. 1. Schemat aplikacyjny STCH03

Kompletny układ zasilacza wymaga dołączenia tylko tranzystora przełączającego i kilku pasywnych elementów zewnętrznych. Atutem sterownika jest zdolność do pracy zasilacza jako źródło prądowe (CC), a więc np. do zasilania diod LED lub ładowania akumulatorów. Jest to osiągane z wykorzystaniem techniki sprzężenia zwrotnego bazującej na pomiarze prądu po stronie pierwotnej.

Dzięki temu nie ma potrzeby rozbudowy układu sprzężenia zwrotnego np. poprzez dodawanie szeregowych rezystorów bocznikowych do pomiaru prądu po stronie wtórnej ani korzystania z dodatkowych układów scalonych realizujących wzmacniacz napięcia błędu dla trybu CC. Obniża to koszty implementacji, które w tym obszarze aplikacyjnym są bardzo istotne.

Układ realizuje wszystkie wymagane funkcje zabezpieczeń, a więc ma UVLO - blokadę pracy przy zbyt niskim napięciu zasilającym, OVP - blokadę przy zbyt wysokim napięciu w sieci, zabezpieczenie termiczne, automatyczne wznowienie pracy (lub blokadę w wersji z sufiksem L), miękki start.

Pin ZCD

Poprzez wydzieloną końcówkę ZCD sterownik analizuje napięcie pojawiające się na pomocniczym uzwojeniu wtórnym transformatora impulsowego. Wartości pojawiających się tam napięć aktywują zabezpieczenia napięciowe, pozwalają na realizację trybu pracy z ograniczeniem prądu wyjściowego CC oraz realizują pracę quasi-rezonansową.

W czasie, gdy tranzystor kluczujący jest załączony, prąd płynący przez pin ZCD jest monitorowany po to, aby zapewnić pracę ze stałą wydajnością prądową, niezależną od wartości napięcia zasilającego. W czasie, gdy tranzystor nie przewodzi, napięcie na końcówce ZCD jest z kolei badane pod kątem aktywacji zabezpieczeń OVP i UVP, natomiast zbocze synchronizuje pracę sterownika dla zapewnienia pracy ZVS.

Prąd płynący przez tranzystor kluczujący jest kontrolowany za pomocą włączonego szeregowo ze źródłem rezystora bocznikowego. Pewność sterowania zapewnia układ wycinania oscylacji na zboczach (noise blanking).

3 topologie konwersji

Rys. 2. Moc obciążenia i trzy różne topologie konwersji mocy

Architektura STCH03 wykorzystuje trzy topologie konwersji energii w zależności od stopnia obciążenia wyjścia. Pozwala to w każdym zakresie osiągnąć najlepsze możliwe parametry, co jest nieosiągalne w przypadku większości innych rozwiązań. Z reguły wysoka sprawność przetwarzania dotyczy specyficznych warunków pracy, np. jest osiągalna przy wysokim napięciu zasilającym oraz dla obciążenia mocą znamionową.

W pozostałych przypadkach sprawność jest zauważalnie gorsza. Najbardziej widać to w zakresie mocy standby, a więc tej pobieranej bez obciążenia, która niekoniecznie jest mała i w przypadku zasilaczy małej mocy nierzadko stanowi nawet 30% mocy znamionowej.

W tym przypadku jest inaczej:

• Sterownik obciążony pracuje w topologii quasi-rezonansowej ZVS (przełączanie przy zerowym napięciu). W tym trybie załączanie MOSFET-a mocy jest synchronizowane z momentem rozmagnesowania rdzenia transformatora. Sterownik wykrywa opadające zbocze napięcia na wyjściu pomocniczym transformatora i po przejściu przez zero załącza tranzystor. Praca w tym obszarze odbywa się w trybie ciągłości (CCM) lub nieciągłości prądu (DCM) w indukcyjności uzwojenia pierwotnego transformatora. W rezultacie częstotliwość kluczowania jest zmienna w zależności od obciążenia, ale korzyścią są małe straty mocy oraz odporność na zwarcie wyjścia.
• Dla małych i średnich obciążeń sterownik przełącza się w tryb pracy z gubieniem impulsów sterujących. Im mniejsze obciążenie, tym więcej impulsów sterujących jest pomijanych, co pozwala utrzymać stabilną pracę przetwornicy, przy dużej sprawności i z ograniczeniem maksymalnej częstotliwości przełączania.
• Bez obciążenia lub dla bardzo małych obciążeń sterownik pracuje w trybie burst, a więc takim, gdzie konwersja jest cyklicznie załączana i wyłączana przy utrzymaniu stałego maksymalnego prądu klucza. Im mniejsze obciążenie, tym częstotliwość kluczowania jest niższa, nawet do setek herców, dzięki czemu minimalizowane są straty związane z komutacją. Ponieważ szczytowa wartość prądu w tym trybie jest małą (bo nie ma obciążenia), nie ma też problemu z dokuczliwym brzęczeniem rdzenia.

Maksymalna częstotliwość przełączania jest ograniczona do 167 kHz. Przy średnich obciążeniach jest ona obniżana, niemniej na tyle, aby cały czas praca była blisko rezonansu. Aby ułatwić spełnienie wymagań zawiązanych z kompatybilnością elektromagnetyczną, do zegara taktującego wprowadzany jest kontrolowany jitter o niewielkiej wartości (5%), zapewniający efekt rozproszenia widma.

W połączeniu z bezstratnym układem startowym pobór mocy (jest aktywny tylko w momencie włączania zasilania) bez obciążenia udaje się ograniczyć do wartości mniejszej niż 10 mW dla 230 V_AC, a więc w zakresie wymaganym przez regulację CoC Tier 2.

Zestaw ewaluacyjny

STCH03 umieszczono w obudowie SO-8. Kosztuje 0,54 dol. przy zamówieniu 1000 sztuk. STMicroelectronics przygotował dla konstruktora zestaw demonstracyjny STEVAL-SMACH15V1 bazujący na STCH03, realizujący układ adaptera wtyczkowego 5 V/3 A współpracującego z siecią 90-264 V_AC. Bez obciążenia pobór mocy nie przekracza 15 mW.