SRK1001 – idealna dioda do zasilacza flyback
| TechnikaOd zasilaczy impulsowych wymaga się coraz większej sprawności konwersji energii elektrycznej. Takie oczekiwania mają nie tylko klienci, którzy zawsze są zainteresowani tym, aby zasilacz był mały, nie grzał się nadmiernie i miał dużą moc wyjściową. Wymagania w zakresie wysokiej sprawności nakładają na zasilacz także przepisy prawne, a przykładem mogą być najnowsze regulacje w zakresie tzw. ekoproduktu, które obowiązują od 1 kwietnia tego roku. Spełnienie tych wymagań ułatwiają liczne innowacje w zakresie tranzystorów mocy, sterowników i materiałów magnetycznych.
Stałe dążenie do poprawy sprawności konwersji coraz częściej prowadzi do eliminacji diod prostowniczych w obwodzie wtórnym zasilaczy. Są one zastępowane przez tranzystory MOSFET, które zapewniają wielokrotnie mniejsze straty na przewodzenie. Istotę takiego działania najprościej zilustrować przykładem. Weźmy pod uwagę prosty zasilacz impulsowy w postaci przetwornicy zaporowej o napięciu wyjściowym 5 V i prądzie wyjściowym 3 A (15 watów). W rozwiązaniu tradycyjnym z diodą krzemową straty mocy można oszacować wstępnie na ok. 2,5 wata (3 A×0,8–0,9 V), czyli aż 16% mocy znamionowej. Przy użyciu diody Schottky’ego straty można trochę ograniczyć do ok. 1,5 W (3A×0,4–0,5 V), ale nadal są one bardzo duże z punktu widzenia zapewnienia sprawności, gdyż taka dioda nie pozwoli przebić pułapu 90% sprawności zasilacza.
Zastąpienie diody tranzystorem MOSFET pozwala straty związane z przewodzeniem prądu radykalnie obniżyć. Gdy tranzystor ma RDS(ON) rzędu 25 mΩ, przy 3 A da to jedynie 0,22 wata strat związanych z przewodzeniem.
Im niższe napięcie wyjściowe i większy prąd znamionowy, tym zysk z zastąpienia diody na wyjściu zasilacza przez tranzystor jest większy. Praktycznie wszystkie zasilacze adapterowe będące na rynku o napięciu wyjściowym poniżej 6 V korzystają z tranzystorowych prostowników, ale tendencja jest wyraźnie zarysowana – dioda jest elementem przeznaczonym do eliminacji. Zastąpienie diody prostowniczej na wyjściu zasilacza impulsowego, najczęściej w topologii przetwornicy zaporowej (flyback) z uwagi na największą popularność, wymaga użycia specjalistycznego sterownika. Jego zadaniem jest obserwacja i analiza przebiegów napięć i prądów w zasilaczu impulsowym i na ich podstawie otwieranie i zamykanie tego tranzystora w odpowiednich momentach tak, aby zapewnić komutację analogiczną dla diody i wymaganą dla zachowania poprawnego kierunku przepływu energii elektrycznej do wyjścia.
Tranzystor ze sterownikiem pełni funkcję określaną terminem "dioda idealna", co dobrze oddaje odgrywaną w układzie rolę. Warto zauważyć, że nie jest to pomysł nowy, bo koncepcja diody idealnej jest znana od wielu lat. Nowością jest to, że rozwiązanie to jest dostępne obecnie jako zintegrowany układ scalony zawierający tranzystor i sterownik w jednym chipie. Wraz z kolejnymi generacjami rośnie funkcjonalność takich diod idealnych, zwiększa się liczba obwodów zabezpieczających oraz rośnie funkcjonalność, np. przez możliwość obsługi nie tylko najprostszych rozwiązań bazujących na przetwornicach zaporowych, ale także wersji rezonansowych ze zmienną częstotliwością kluczowania, modyfikowaną topologią itd.
SRK1001
SRK1001 to nowy sterownik synchronicznego prostownika dla zasilaczy impulsowych przeznaczony do pracy po stronie wtórnej w przetwornicach zaporowych. Sterownik współpracuje z zewnętrznym MOSFET-em N-kanałowym i zawiera driver typu totem pole umożliwiający jego bezpośrednie sterowanie. Zasada działania polega na tym, że MOSFET jest włączany, gdy tylko prąd zacznie płynąć przez wewnętrzną diodę równoległą zintegrowaną z tym elementem, a następnie wyłączany, gdy prąd ten zbliża się do zera. Szybkie włączanie przy minimalnym opóźnieniu i innowacyjna adaptacyjna logika wyłączania pozwalają na maksymalizację czasu przewodzenia MOSFET-a i eliminują wpływ pasożytniczych indukcyjności w obwodzie. Sterownik wspiera wszystkie tryby pracy: DCM ze stałą częstotliwością kluczowania, CCM ze zmienną częstotliwością i tryby quasi-rezonansowe.
W trybach DCM i CCM (z ciągłością i nieciągłością prądu w transformatorze) przełączenie tranzystora MOSFET jest realizowane z wykorzystaniem pinu DVS dołączonego do jego drenu. W trybach rezonansowych układ wymaga synchronizacji ze sterownikiem, którą realizuje się np. za pomocą transformatora sygnałowego (rys. 1).
Układ przechodzi w tryb niskiego zużycia energii, gdy wykrywa wejście konkontrolera zasilacza w tryb burst lub gdy czas przewodzenia MOSFET-a spadnie poniżej zaprogramowanej minimalnej wartości TON. Poprawia to sprawność zasilacza przy niewielkim obciążeniu, gdzie synchroniczne prostowanie nie jest już korzystne. Oszczędzanie to polega na kontrolowanym, adaptacyjnym przełączeniu tranzystora z pracy synchronicznej na asynchroniczną. Może ono następować automatycznie, ale może także zostać wymuszone przez podanie sygnału na pin DIS. Możliwa jest też synchronizacja zewnętrzna przełączania.
Metoda adaptacyjnego wyłączania ma pewne zalety w porównaniu ze standardowym podejściem opartym na wykorzystaniu komparatora ze stałym progiem detekcji. Pierwszą zaletą jest to, że metoda adaptacyjna automatycznie kompensuje zakłócenia w poziomach detekcji wynikające z oscylacji na pasożytniczych indukcyjnościach szeregowych w obwodzie MOSFET-a. Drugim aspektem jest to, że standardowy komparator ze stałym progiem wyłącza się na ustalonym poziomie prądu odcięcia mierzonym przez spadek napięcia na tranzystorze, a więc zależnym od wybranego MOSFET-a i jego RDS(ON).
Co więcej, adaptacyjna metoda wyłączania tranzystora lepiej się sprawdza w ładowarkach i zasilaczach LED-owych, a więc w trybie pracy CC.
Sterownik zapewnia dużą uniwersalność aplikacyjną. Może być zasilany napięciem od 3,7 do 32 V, dzięki czemu może pracować praktycznie w każdym zasilaczu będącym na rynku (wyjątkiem są jednostki 48-woltowe). Nadaje się też do bazujących na przetwornicach zaporowych ładowarek i zasilaczy do LED o stałym prądzie wyjściowym (CC), przy czym minimalne napięcie wyjściowe zasilacza w trybie CC może wynieść 2 V, a więc bardzo niewiele. Częstotliwość pracy może wynosić nawet 300 kHz. Wydajność drivera sterującego MOSFET-em wynosi 0,6 A (source) i 1 A (sink).
Prąd pobierany przez sterownik w trybie aktywnym to jedynie 600 μA (100 kHz), ulega on obniżeniu do 170 μA w trybie oszczędnościowym, dzięki czemu SRK1001 może być z powodzeniem używany także w zasilaczach o małej mocy wyjściowej i nie wpływa istotnie na możliwość spełnienia przez nie wymagań nakładanych przez regulacje ekoproduktu.
ST Microelectronics
www.st.com
