Pomocniczy zasilacz do konwertera dużej mocy o zakresie napięć wejściowych 5-140 V

Nawet jeśli systemy konwersji mocy (zasilaczy impulsowych) nie będą w stanie zapewnić pełnej mocy odbiornikom przy najmniejszych poziomach napięcia wejściowego, wiele z nich musi nadal działać stabilnie i być niewrażliwe na takie zdarzenia. Na przykład, szeroko stosowane konwertery i przetwornice wykorzystują wysokonapięciowe tranzystory MOSFET o standardowych poziomach napięcia progowego bramki. Przy zaniku sygnału wejściowego napięcie sterujące tymi tranzystorami powinno pozostać powyżej 10 V, aby zapewnić poprawne działanie układów sterowników bramek i utrzymanie stanu nasycenia lub odcięcia. Inaczej może dojść do przeciążenia tranzystorów i uszkodzenia stopnia mocy. Stąd krytyczne cyfrowe systemy sterowania i informacji powinny mieć pomocnicze źródła zasilania (bias) lub zdolność funkcjonowania niezależnie od wartości spadków napięć wejściowych.

W tym artykule opisano rozwiązania układowe wymagane do podtrzymania napięcia polaryzacji sterowników stopnia mocy w układach konwerterów energii elektrycznej działających w szerokim zakresie napięć źródłowych, od 5 V do 140 V.

Charakterystyka układu

Jeśli oczekuje się, że napięcie wejściowe może spaść poniżej pożądanego poziomu wymaganego do zapewnienia prawidłowej polaryzacji bramek tranzystorów kluczujących, a w projekcie jest przewidziany zewnętrzny zasilacz pomocniczy, można go zrealizować jako prosty konwerter buck (obniżający napięcie).

 

Rys. 1. Schemat obwodu zasilania sterownika z szyny wysokiego napięcia z konwerterem buck (inne nazwy dla buck to obniżający lub step down), gdzie V_IN wynosi 12,5 V do 140 V, a V_OUT 12 V przy prądzie obciążenia do 0,2 A

Podejście to jest zilustrowane na rysunku 1. Rozwiązanie to zawiera wysokonapięciowy konwerter obniżający LTC7138 ze zintegrowanymi tranzystorami przełączającymi. Układ konwersji zawiera również cewkę indukcyjną L1, diodę D1 oraz kondensatory wyjściowe C2 i C3. Aby zminimalizować wysokość układu na płytce, do mniej niż 3 mm, na wejściu zastosowano wyłącznie kondensatory ceramiczne, ale można również zastosować opcjonalny kondensator elektrolityczny (np. ekonomiczny 22 μF 200 V). Niemniej znacznie zwiększa to wysokość całości układu na PCB.

Układ ten został zweryfikowany i przetestowany w działaniu, a przebiegi ilustrujące jego funkcjonalność przedstawiono na rysunku 2. Jak widzimy z rysunku początkowe napięcia wejściowe 100 V spada aż do 12 V, ale mimo to wyjście konwertera dostarcza do obciążenia stabilnego napięcia 12 V przy prądzie wyjściowym 0,2 A.

 

Rys. 2. Przebiegi napięć na wejściu i wyjściu konwertera dla rozdzielczości VIN 20 V/dz i V_OUT 5 V/dz przy podstawie czasu 50 ms/dz

Jeśli wymagania co do odporności na spadki napięcia są jeszcze większe, użycie samej przetwornicy obniżającej nie wystarczy, ponieważ jej napięcie wyjściowe podąża za wejściowym, gdy VIN spada poniżej pożądanej wartości wyjściowej. Rysunek 3 ilustruje rozwiązanie tego problemu przy użyciu dwustopniowego zasilacza. Pierwszy, główny stopień to konwerter obniżający, podobny do pokazanego na rysunku 1. Jego wyjście jest połączone z konwerterem podwyższającym LT8330 ze zintegrowanym tranzystorem mocy. Stopień mocy zawiera ponadto cewkę indukcyjną L2, diodę D2 i filtr wyjściowy. Dzięki rozbiciu przekształtnika na dwa obwody (buck-boost), narażenia napięciowe na komponentach są znacznie mniejsze w porównaniu z tym, gdyby był tylko jeden stopień obniżający, co pozwala na wybór stosunkowo niedrogich elementów do takiego obwodu i zmniejsza całkowity koszt realizacji.

 

Rys. 3. Dwustopniowy zasilacz pomocniczy do sterownika stopnia mocy w konwerterze energii elektrycznej pozwalającego na zasilanie V_IN napięciem od 5 V do 140 V, przy V_OUT 10,5 V i maksymalnym prądzie obciążenia 0,1–0,15 A

Na wyjściu przetwornicy obniżającej w pierwszym stopniu ustawione jest napięcie wyjściowe 12,5 V. Z kolei wyjście konwertera przetwornicy podwyższającej jest ustawione na niższe napięcie, tj. 10,5 V, wystarczające do prawidłowego działania obciążenia. Dodatkową zaletą tego rozwiązania jest to, że w czasie normalnej pracy działa tylko jeden stopień.

W normalnych warunkach pracy (tj. dla V_IN>12,5 V), dla napięć wejściowych 12,5–100 V, aktywny jest tylko konwerter obniżający, który dostarcza do obciążenia napięcie 12,5 V. Prąd płynie do pinu V_OUT przez cewkę indukcyjną i diodę konwertera podwyższającego (drugi stopień). Ponieważ prąd wyjściowy jest stosunkowo mały, straty mocy też są minimalne.

 

Rys. 4. Napięcia charakterystyczne dla wysokonapięciowego, dwustopniowego
zasilacza pomocniczego dla sterownika tranzystorów w stopniu mocy przekształtnika energii elektrycznej. Prąd obciążenia wynosi 0,15 A, a podstawa czasu 50 ms/dz

 

Rys. 5. Napięcia charakterystyczne dla omawianego zasilacza przy prądzie obciążenia 0,1 A

 

Rys. 6. Przebieg napięć V_RAIL i V_OUT przy wzroście napięcia wejściowego dla prądu obciążenia 0,1 A

Dopóki V_IN > 12,5 V, napięcie na wyjściu przetwornicy boost wynosi 12,5 V, a więc przekracza nieco ustawioną wartość 10,5 V, dlatego przetwornica podwyższająca nie działa – tylko pierwszy człon jest aktywny (obniżający).

Natomiast gdy napięcie wejściowe zmniejsza się do 12,5 V lub jeszcze niższego poziomu, konwerter obniżający przestaje działać, ale utrzymuje wewnętrzny p-kanałowy MOSFET w stanie włączenia, bo ma on zdolność pracy ze 100-procentowym współczynnikiem wypełnienia. Dzięki temu napięcie wejściowe jest podawane do przetwornicy podwyższającej.

 

Rys. 7. Prototypowy układ złożony z dwóch płytek ewaluacyjnych

Jeżeli napięcie wejściowe spadnie poniżej 12,5 V, to oba napięcia, tj. szyna V_RAIL i V_OUT, obniżą się do poziomu V_IN. W zakresie napięć szyny pośredniej 10,5 V < V_RAIL < 12,5 V oba stopnie przetwornicy nie przełączają, ale jeśli napięcie wejściowe nadal będzie się obniżać, czyli poziom spada, a poziom V_RAIL będzie poniżej 10,5 V, przetwornica podwyższająca zacznie działać i podtrzyma V_OUT na poziomie 10,5 V.

Przebiegi ilustrujące działanie tego mechanizmu przedstawiono na rysunku 4. Minimalne napięcie wejściowe wynosi 5,5 V przy prądzie obciążenia 0,15 A, a dla 0,1 A nawet 5,0 V, jak pokazano na rysunku 5. Zachowanie przetwornicy przy wzroście napięcia wejściowego z 5 do 100 V ilustruje rysunek 6, natomiast zdjęcie konwertera pokazano na rysunku 7.

Zasady doboru komponentów

Maksymalne napięcie wejściowe i prądy obciążenia określają minimalne robocze napięcie wejściowe części podwyższającej napięcie i odpowiednio minimalne napięcie wejściowe całego zasilacza.

Współczynnik wypełnienia jednostki podwyższającej:

Prąd wejściowy dla konwertera boost:

Dla danych V_O, I_MAX i IO minimalne napięcie przetwornicy podwyższającej to:

Gdy znane są V_O, V_INMIN i I_MAX, maksymalny prąd wyjściowy IO wynosi:

Podsumowanie

Zdolność pracy urządzeń elektronicznych w szerokim zakresie napięcia wejściowego staje się coraz bardziej istotna, gdyż decyduje o niezawodności i jakości. Przedstawione w artykule rozwiązanie układowe zapewnia stabilny poziom napięcia pomocniczego przy napięciach wejściowych od 5 do 140 V. Proponowane rozwiązanie wykorzystuje zintegrowane konwertery, dzięki czemu liczba wymaganych komponentów i całkowity koszt są niewielkie.

Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com