Takto možno vyvinúť efektívny zdroj napájania All-Electronics

možno

Obrázok 1: Schéma dvojstupňového napájacieho zdroja Texas Instruments

Obrázok 2: Účinnosť ako funkcia vstupného napätia Texas Instruments

Obrázok 3: Zjednodušená schéma aktívneho spúšťacieho obvodu Texas Instruments

Obrázok 4: Zjednodušený návrh zosilňovacieho obvodu spoločnosti Texas Instruments

Obrázok 5: Zjednodušená schéma zapojenia ACF obvodu Texas Instruments

Kľúčové údaje

Nasledujúci článok popisuje spôsob návrhu efektívneho zdroja napájania s extrémne širokým rozsahom vstupného napätia a tiež poskytuje cenné tipy, ako dosiahnuť optimalizovaný návrh.

Čo by bolo možné, keby sme mohli navrhnúť napájací zdroj, ktorý by vyhovoval vstupným a výstupným potrebám všetkých aplikácií. Realita je však iná, pretože napájacie zdroje musia byť z rôznych dôvodov vždy skonštruované pre určitý rozsah napätia.

Rozhodujúce sú pre to vnútorné obmedzenia regulátorov. Techniky, ako je prepínanie pri prechode nulou, variabilné spínacie frekvencie alebo synchrónne usmerňovanie, umožňujú znížiť straty v rôznych častiach výkonového stupňa, obmedzujú však tiež rozsah vstupného a výstupného napätia. Mnoho aplikácií však vyžaduje veľký rozsah vstupného napätia, čo vedie k veľmi nízkym alebo vysokým pracovným cyklom a môže obmedziť výkon alebo spôsobiť veľké straty.

Spínacia frekvencia sa líši

Napríklad povedzme, že potrebujete 75W flyback prevodník pre vstupné napätie od 20 do 375V. Pre napájanie do 100 W je topológia flybacku dobrou voľbou, pretože ide o cenovo najefektívnejšiu izolovanú topológiu. Časy, keď regulátory spínali s konštantnou frekvenciou, sú preč, pretože moderné regulátory spínaciu frekvenciu modulujú s cieľom dosiahnuť vysokú účinnosť. Spínacia frekvencia sa spravidla líši podľa podmienok na vstupe a výstupe. Dizajnéri však musia brať do úvahy určité limity, napríklad minimálny čas zapnutia, maximálny pracovný cyklus a minimálnu a maximálnu frekvenciu spínania. Tieto obmedzenia sťažujú ovládaču zvládnutie širokého rozsahu vstupných napätí.

Ak je potrebný extrémne široký rozsah vstupného napätia, napríklad od 20 do 375 V, je potrebný iný prístup. Jednou z možností je dvojstupňové riešenie zobrazené na obrázku 1.

Prvý stupeň je obvod s predbežným zosilnením, ktorý je aktívny iba pri vstupnom napätí nižšom ako 130 V. Generuje zosilňovacie výstupné napätie okolo 130 V, takže aj pri vstupnom napätí do 20 V je faktor zosilnenia menší ako sedem, aby sa zabezpečila správna prevádzka. Akonáhle je vstupné napätie väčšie ako Vboost, obvod je automaticky vyradený z činnosti riadiacou slučkou, t. J. Zosilňovač riadenia je neaktívny. Galvanické spojenie medzi vstupom a výstupom zosilňovacieho stupňa zaisťuje, že sa vstupné napätie privádza priamo do druhého stupňa.

Druhý stupeň pozostáva z moderného flyback radiča (flyback converter). Najefektívnejšia topológia spätného vedenia prevodníka využíva aktívnu technológiu upínania, ktorá regeneruje túlavú energiu a zaisťuje plynulé prepínanie alebo dokonca prepínanie pri prechode nulou. V spojení so sekundárnym usmerňovačom je možná účinnosť až 84%.

Je potrebné poznamenať, že účinnosť je výsledkom prvého stupňa (predbežné zvýšenie výkonu) a druhého stupňa (spätného prevodu). Pri vstupných napätiach nad 130 V sa však stupeň predbežného zosilnenia deaktivuje, ako bolo uvedené, takže účinnosť určuje iba druhý stupeň. Vďaka tomu je v širokom rozsahu vstupného napätia možná účinnosť podstatne viac ako 90%.

Referenčný dizajn ako príklad

Referenčný dizajn „Vysokoúčinný, ultraširoký vstup (20 až 375 VDC) izolovaný referenčný zdroj napájania“ od spoločnosti Texas Instruments (TI) pokrýva rozsah vstupného napätia od 20 do 375 V a dodáva výstupné napätie 24 V s maximálnym výstupným prúdom 3, 5 A. Obrázok 2 zobrazuje účinnosť ako funkciu vstupného napätia.

Ako je zrejmé z diagramu, pri vstupnom napätí medzi 25 a 375 V je účinnosť vyššia ako 90% a maximálna účinnosť 94%. Ako je to možné? Referenčný dizajn sa riadi rovnakou koncepciou ako obvod z obrázka 1. V zásade je návrh rozdelený do troch častí: stupeň pred zosilnením, stupeň ACF (Active Clamp Flyback) a obvod spustenia. Zatiaľ čo stupeň predzosilnenia obsahuje regulátor prúdového režimu UCC28C42 od TI, v stupni ACF sa používa spätný chod UCC28780 od TI.

Tipy na návrh spúšťacieho obvodu

Keď začnete navrhovať schému, treba si myslieť, že by sa mal uviesť do úvahy obvod pri štarte, pretože je náročné dosiahnuť široký rozsah vstupného napätia. Nakoniec musia byť nabité kondenzátory VDD stupňov pred zosilnením a aktívnym zapojením, aby sa obvod mohol spustiť. Je známe, že metóda odporového štartovania vedie k vyšším stratám, najmä v aplikáciách s vysokým vstupným napätím. Napájacie zdroje sú veľmi často v pohotovostnom režime, a preto je často potrebný aktívny štartovací obvod, aby sa znížili straty v pohotovostnom režime. V takomto obvode sa môže použiť normálne zariadenie, ako napríklad vyčerpaný MOSFET. Obrázok 3 zobrazuje zjednodušený štartovací obvod.

Vyčerpaný MOSFET Q1 nabíja kondenzátor VDD, keď regulátor nefunguje. Akonáhle napätie VDD prekročí prah odozvy podpäťového zámku, regulátor začne pracovať. Pomocné vinutie napája regulátor cez diódu D2 a Q1 je možné vypnúť (cez pomocné vinutie D1 a Q2). V schéme referenčného návrhu izolovaného napájacieho zdroja je tento štartovací obvod založený na vyčerpaní MOSFET zobrazený o niečo podrobnejšie. Pomocné vinutie spätného transformátora ACF sa používa na niekoľko úloh, konkrétne na vypnutie vyčerpania MOSFET a napájanie zosilňovacieho stupňa a regulátora ACF.

Tipy na návrh obvodu pred zosilnením

Obvod predbežného zvýšenia výkonu je určený na nepretržitú prevádzku. Keď je dióda vypnutá, vysoký reverzný zotavovací prúd kremíkovej diódy by viedol k veľkým stratám. Preto sa odporúča používať rýchlo spínaný MOSFET a Schottkyho diódu (SiC) z karbidu kremíka. To drasticky znižuje straty, najmä preto, že s diódou SiC nepreteká takmer žiadny prúd spätného oneskorenia. Mimochodom, pomocou bypassovej diódy sa dá zabrániť veľkým nárazovým prúdom v dióde SiC (Dboost).

Ako už bolo spomenuté, výstupné napätie je regulované na 130 V. Spätná väzba tak preruší činnosť regulátora zosilnenia, ak je vstupné napätie väčšie ako 130 V. Všetky komponenty však musia byť navrhnuté na maximálne vstupné napätie 375 V (plus bezpečnostná rezerva) a musia vydržať maximálnu prúdovú silu.

Pomocou nástroja dostupného ako freeware od spoločnosti Texas Instruments (Power Stage Designer) je možné zobraziť napätia a prúdy všetkých bežných topológií. To uľahčuje výber tých komponentov, ktoré odolávajú maximálnym špičkovým a efektívnym hodnotám napätí a prúdov.

Tipy pre návrh obvodu ACF

Druhým stupňom je obvod ACF. Normálny spätný prevodník s pasívnym upínaním, pracujúci v prerušovanej prevádzke, rozptyľuje bludnú energiu transformátora v obvode pasívneho tlmenia. Na druhej strane v obvode ACF sa táto energia získava a prepínanie prebieha v širokom rozsahu prevádzkových stavov s krížením napätia nula. Zjednodušenú schému zapojenia je možné vidieť na obrázku 5.

Obvod ACF pracuje v prechodovom režime a moduluje špičkový prúd na primárnej strane a spínaciu frekvenciu. Q_HS pomáha regenerovať a ukladať túlavú energiu do tlmiaceho kondenzátora. Okrem toho obvod ACF využíva magnetizačný prúd transformátora na vybitie kapacity spínacieho uzla (Csw) a na zníženie napätia v spínacom uzle na 0 V pred zapnutím Q_LS. To umožňuje prepínanie prekročenia nuly napätia a predchádza stratám pri prepínaní.

Aby celý systém fungoval správne, je potrebné venovať osobitnú pozornosť transformátoru. Indukčnosť na primárnej strane a pomer otáčok okrem iného určujú prevádzkový režim, v ktorom obvod pracuje v celom rozsahu zaťaženia. Preto sa odporúča dodržiavať pravidlá uvedené v údajovom liste a starostlivo špecifikovať minimálny čas zapnutia, rozsah spínacieho kmitočtu a maximálny špičkový prúd na primárnej strane transformátora. S programom Power Stage Designer je špecifikácia transformátora tiež oveľa ľahšia.

Nakoniec je vhodné použiť špeciálnu techniku ​​navíjania, pretože je potrebné dokonalé spojenie vinutí. Napríklad primárne vinutie by malo byť rozdelené, aby bolo možné vložiť sekundárnu vrstvu a vrstvu predpätia medzi obe polovice. Pre ďalšie zvýšenie účinnosti by sa mala zvážiť aj možnosť výmeny výstupnej diódy za synchrónny usmerňovač. Regulátor ACF UCC28780 pracuje so synchrónnym usmerňovačom, ako je UCC24612, so snímaním odtokového zdroja (VDS). Snímanie VDS využíva pokles napätia na RDS (zapnuté) MOSFETu a diódy tela na zapínanie a vypínanie synchrónneho usmerňovača MOSFET. Synchrónny usmerňovač môže byť umiestnený buď na pozitívnej alebo negatívnej strane výstupného vinutia. Ak je v kladnej ceste, elektromagnetické rušenie v spoločnom režime je nižšie, ale v takom prípade nemôže byť regulátor napájaný výstupným napätím. Namiesto toho je na napájanie radiča synchrónneho usmerňovača potrebné ďalšie vinutie alebo obvod odpor-kondenzátor-dióda.

Zhrnutie

Referenčný dizajn izolovaného zdroja od spoločnosti Texas Instruments ukazuje dobrý spôsob, ako dosiahnuť veľmi široký rozsah vstupného napätia. S konceptom, ako je dvojstupňový napájací zdroj, je možné dosiahnuť účinnosť viac ako 90% v kombinácii s vysokou úrovňou výkonu. Referenčné dizajny napájania spoločnosti Texas Instruments poskytujú riešenia pre širokú škálu prípadov použitia. Využite to vo svojich vývojových projektoch. Často nájdete dizajn s podobnými špecifikáciami, ktorý je dobrým východiskovým bodom a môže urýchliť proces návrhu.