Zaawansowane kontrolery zasilaczy impulsowych do funkcjonalnych i energooszczędnych zasilaczy AC/DC
| TechnikaZasilacze AC/DC o mocy nieprzekraczającej 10 W są szeroko stosowane w sprzęcie domowym, układach automatyki, urządzeniach AGD, Internecie Rzeczy (IoT), a nawet w sterownikach przemysłowych. Wiele z takich jednostek przez większość czasu jest praktycznie nieobciążonych, gdyż zasilane przez nie urządzenie pozostaje w stanie gotowości i zużywa jedynie minimalną ilość energii.
Mimo małej mocy i wymaganej podstawowej funkcjonalności takie zasilacze muszą spełniać wiele wymagań związanych z bezpieczeństwem użytkowania, minimalną sprawnością, maksymalną mocą pobieraną z sieci przy braku obciążenia i kompatybilnością elektromagnetyczną. Do tego dochodzą zagadnienia związane z niezawodnością, wymiarami, kosztem, certyfikacją, zabezpieczeniami i podobnymi kryteriami, które determinują jakość tych jednostek.
Muszą one zapewniać podstawową funkcję dostarczania stabilnego napięcia wyjściowego DC i spełniać wiele rygorystycznych wymogów regulacyjnych dotyczących bezpieczeństwa użytkownika, wydajności pod obciążeniem i sprawności w trybie gotowości. Ponadto istnieją kwestie fizycznej realizacji, liczby komponentów pomocniczych, niezawodności, oceny wydajności, certyfikacji i pakowania, które projektanci muszą wziąć pod uwagę, ponieważ pracują również nad zminimalizowaniem powierzchni i kosztów, jednocześnie spełniając wymogi krótkiego czasu wprowadzania na rynek.
W tym artykule przedstawiono rodzinę zintegrowanych układów scalonych kontrolerów takich zasilaczy firmy Power Integrations i pokazano, jak można ich użyć do rozwiązania tych wyzwań.
Kontroler ze zintegrowanym MOSFET-em
Rodzina układów LinkSwitch-TNZ firmy Power Integrations składa się z ośmiu układów scalonych realizujących funkcję kontrolera zasilacza impulsowego typu offline. Chipy te zawierają przełącznik mocy MOSFET o napięciu roboczym 725 V i są zamykane w obudowie SO-8C. Każdy z nich zapewnia doskonałą odporność na przepięcia w sieci, ma wbudowany oscylator z jitterem dla zmniejszenia EMI, źródło prądowe zapewniające zasilanie obwodów wewnętrznych, szybko działające obwody zabezpieczeń i ograniczenia prądowego, wyłącznik termiczny z histerezą oraz obwody zabezpieczające przed przepięciami wyjściowymi i wejściowymi.
Te kontrolery mogą stanowić centralną część nieizolowanego układu konwertera obniżającego napięcie (rys. 1), gdzie użyto LNK3306D-TL o prądzie wyjściowym 225 mA lub 360 mA, w zależności od wybranego trybu pracy (z ciągłym prądem w indukcyjności lub z nieciągłym). Mogą być również użyte w nieizolowanych zasilaczach obniżająco-podwyższających napięcie (buck-boost), gdzie są w stanie dostarczyć do 575 mA prądu do obciążenia.
Część z wymienionego sprzętu elektronicznego nie wymaga zasilacza zapewniającego separację napięcia sieci od strony wtórnej. Tak jest, gdy zasilane obwody są zamknięte w obudowie i nie mają kontaktu z obsługą. Wówczas transformator o dwóch uzwojeniach zapewniający separację nie jest wymagany i lepszym wyborem staje się LinkSwitch-TNZ, który pracuje z napięciem sieci o dowolnej wartości (obsługuje tzw. uniwersalne wejście) w topologii przetwornicy zaporowej (flyback), a maksymalna moc wyjściowa sięga 12 W. W tabeli 1 pokazano wydajności przykładowych układów LinkSwitch-TNZ.
Od koncepcji do wdrożenia
Dzięki dużej funkcjonalności i integracji kontrolery LinkSwitch-TNZ ułatwiają budowę systemu zasilania, w szczególności pomagają sprostać takim zagadnieniom, jak spełnienie wymagań prawnych dotyczących minimalnej sprawności i stopnia bezpieczeństwa. Urządzenie będące w stanie gotowości zawsze pobiera jakąś minimalną moc, co pogarsza sprawność całości systemu i nie sprzyja zapewnieniu zgodności z przepisami, tj. wymogu ograniczenia minimalnej mocy pobieranej z sieci.
Układy LinkSwitch-TNZ zapewniają najlepszą w swojej klasie sprawność konwersji energii przy małym obciążeniu, umożliwiając zasilanie większej liczby funkcji systemu przy jednoczesnym spełnieniu przepisów dotyczących poboru mocy w trybie gotowości, takie jak rozporządzenie Komisji Europejskiej (WE) dla urządzeń gospodarstwa domowego (1275), która wymaga, aby pobierały one nie więcej niż 0,5 W w trybie gotowości lub wyłączenia. Drugą regulacją prawną jest Energy Star w wersji 1.1, która nakłada ograniczenia dla inteligentnych systemów zarządzania energią w domu (SHEMS), do 0,5 W. Pod uwagę trzeba też wziąć chińską normę GB24849, która ogranicza zużycie energii w trybie wyłączenia w kuchenkach mikrofalowych do 0,5 W.
Opisywane kontrolery zmniejszają również wymaganą do realizacji zasilania liczbę komponentów o 40% lub nawet więcej w porównaniu z typowymi projektami na elementach dyskretnych. Zapewniają stabilizację napięcia wyjściowego w funkcji napięcia sieci oraz przy zmianach stopnia obciążenia na poziomie ±3%, a pobór mocy bez obciążenia jest mniejszy niż 30 mW. Sam układ kontrolera pobiera prąd mniejszy niż 100 μA.
Zasilacz wykonany z użyciem LinkSwitch-TNZ nie wymaga uziemienia ani połączenia trzecim przewodem z przewodem ochronnym PE. Wiele sprzętu elektronicznego nie jest uziemione ani nie ma wyjścia połączonego z przewodem neutralnym sieci N, więc istnieje ryzyko wystawienia użytkownika na potencjalnie niebezpieczny prąd upływu. Norma bezpieczeństwa definiuje maksymalny prąd upływu na ok. 0,25 mA, ale LinkSwitch-TNZ ma ten parametr poniżej 150 μA i bez problemu mieści się w limicie, lokując się daleko poniżej narzuconego maksimum.
Istotne jest też nieprzekraczanie limitów emisji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Aby osiągnąć ten cel, oscylator LinkSwitch-TNZ wykorzystuje technikę rozpraszania widma, która losowo zmienia nominalną częstotliwość przełączania wynoszącą 66 kHz z odchyłką w paśmie 4 kHz (rys. 2). Szybkość modulacji tej częstotliwości jest ustawiona na 1 kHz, aby zoptymalizować redukcję EMI zarówno dla wartości średnich, jak i quasi-szczytowych.
Układ kontrolera realizuje ponadto wykrywanie przejścia przez zero napięcia sieci AC przy minimalnej dodatkowej złożoności oraz zużyciu energii. Taka funkcja jest potrzebna w ściemniaczach oświetlenia, czujnikach i regulatorach mocy, które wykorzystują sterowanie grupowe za pomocą przekaźnika lub triaka. Sygnał przejścia przez zero jest także używany przez urządzenia automatyki domowej i budynkowej do minimalizacji prądu rozruchowego. Określenie momentu przejścia przez zero napięcia sieci jest też istotne w napędach silników i regulatorach obrotów. Zwykle taki sygnał jest doprowadzany do mikrokontrolera po to, aby zapewnić synchronizację sterowania, komunikacji i wyświetlania.
Aby to osiągnąć, zwykle w aplikacji pojawia się oddzielny układ detektora złożony z elementów dyskretnych. Nie tylko zwiększa on koszt realizacji aplikacji, ale także zwiększa moc pobieraną z sieci w stanie gotowości. Niekiedy nawet połowa mocy standby przypada na obwody detektora przejścia przez zero.
Układy LinkSwitch-TNZ mają taki obwód wbudowany do wewnątrz struktury i zużywa mniej niż 5 mW, co pozwala zmniejszyć straty mocy w trybie gotowości w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami.
Kondensator X
Aby ograniczyć emisję przewodzoną zasilacza, tj. poziom zaburzeń elektromagnetycznych wprowadzanych do sieci, w zasilaczach używa się filtru sieciowego, który zawiera tzw. kondensatory X i Y. Kondensator X to taki, który jest włączony między przewody fazowy i neutralny (rys. 3).
Przepisy bezpieczeństwa wymagają, aby kondensator X w filtrach EMC był rozładowywany po odłączeniu linii AC, by zapewnić, że zmagazynowany ładunek nie porazi użytkownika. Maksymalny dopuszczalny czas rozładowania jest regulowany przez normy takie jak IEC62368 i IEC60065.
Tradycyjnie rozładowanie realizuje się za pomocą rezystorów dołączonych równolegle do kondensatora X, jednak takie podejście wiąże się ze stratami energii. Lepszym rozwiązaniem jest rozładowywanie kondensatora X w tempie ustawianym przez użytkownika za pomocą obwodu aktywnego, który nie pobiera prądu do momentu zadziałania. Układy takie jak LNK3312D-TL mają taką funkcjonalność i dzięki temu wymagany obszar PCB jest mniejszy, tak samo jak koszt realizacji.
Warto też dodać, że wszystkie zasilacze i konwertery energii elektrycznej wymagają realizacji wielu funkcji zabezpieczających. Z uwagi na to wszystkie układy z rodziny LinkSwitch-TNZ zawierają obwody realizujące:
- miękki start w celu ograniczenia obciążenia podzespołów zasilacza podczas rozruchu,
- automatyczne ponowne uruchomienie w przypadku zwarcia wyjścia i awarii pętli sprzężenia zwrotnego,
- zabezpieczenie przed przepięciami na wejściu i wyjściu,
- blokadę termiczną z histerezą.
Od kontrolera do kompletnego projektu
Kontroler PWM zasilacza, bez względu na realizowaną funkcjonalność, nie jest kompletnym i gotowym do użycia konwerterem AC/DC, ponieważ wiele komponentów nie może zostać zintegrowanych w chipie. Należą do nich kondensatory filtrujące i pomocnicze, cewki indukcyjne, transformatory i komponenty ochronne. Liczba wymaganych podzespołów zewnętrznych została pokazana na przykładzie uniwersalnego nieizolowanego zasilacza o napięciu 6 V, 80 mA z detektorem przejścia przez zero opartym na LNK3302D-TL (rys. 4).
W przypadku zasilaczy z separacją galwaniczną wymagane jest spełnienie wymagań związanych z odstępami izolacyjnymi (creepage i clearance). Potrzebne są też elementy indukcyjne, m.in. transformator. Do pracy z LinkSwitch-TNZ można użyć standardowych rozwiązań dostępnych w handlu, bo częstotliwość przełączania wynosi tylko 66 kHz. Ponadto Power Integrations dostarcza projekty referencyjne, np. RDK-877 (rys. 5), 6-watowy, izolowany zasilacz flyback z detekcją przejścia przez zero na bazie LNK3306D-TL.
Zasilacz ten działa w zakresie napięć wejściowych od 90 do 305 VAC, na wyjściu daje 12 V przy 500 mA, a pobór mocy bez obciążenia mniejszy niż 30 mW w całym zakresie napięć linii AC. W trybie czuwania dostępne jest ponad 350 mW mocy, podczas gdy sprawność w trybie aktywnym spełnia wymagania DOE6 i EC CoC (v5) z ponad 80% sprawnością przy pełnym obciążeniu przy obciążeniu znamionowym. Projekt spełnia również wymagania EN550022 i CISPR-22 klasy B dotyczące zaburzeń przewodzonych EMI.
Podsumowanie
Zaprojektowanie i wdrożenie zasilacza AC/DC o niskim poborze mocy może wydawać się trywialne. Jednak realia w postaci konieczności spełnienia celów wydajnościowych i efektywności, wymogów bezpieczeństwa i norm, a także kosztów, powierzchni i czasu wprowadzania na rynek sprawiają, że w rzeczywistości jest to trudne zadanie. Układy scalone przełączające, takie jak te z rodziny Power Integrations LinkSwitch-TNZ, składającej się z kontrolera i MOSFET-a, znacznie ułatwiają to zadanie.
DigiKey
www.digikey.pl
