Naucz się 6 umiejętności projektowania zasilaczy
01 Ferrytowy wzmacniacz magnetyczny w zasilaczu Flyback
W przypadku dwuwyjściowego zasilacza flyback z rzeczywistą mocą na obu wyjściach (5 V 2 A i 12 V 3 A, oba regulowane o ± 5 procent), gdy napięcie osiągnie 12 V, przechodzi w stan zerowego obciążenia i nie może regulować w ramach limitu 5 procent. Regulator liniowy jest opłacalnym rozwiązaniem, ale nadal nie jest idealnym ze względu na wysoki koszt i utratę wydajności.
Naszym sugerowanym rozwiązaniem jest użycie wzmacniacza magnetycznego na wyjściu 12V, można zastosować nawet topologię flyback. Aby obniżyć koszty, zaleca się stosowanie ferrytowego wzmacniacza magnetycznego. Jednak obwód sterujący ferrytowego wzmacniacza magnetycznego różni się od tradycyjnego prostokątnego materiału pętli histerezy (materiał o wysokiej przenikalności magnetycznej). Obwód sterujący ferrytu (D1 i Q1) pochłania prąd, aby utrzymać moc na wyjściu. Ten obwód został dokładnie przetestowany. Uzwojenia transformatora są zaprojektowane na wyjścia 5V i 13V. Obwód może nawet osiągnąć moc wejściową poniżej {5}}W (5 V 300 mW i 12 V przy zerowym obciążeniu) przy regulacji ±5 procent wyjścia 12 V.
02 Użyj istniejącego obwodu łomu łukowego, aby zapewnić zabezpieczenie nadprądowe
Rozważ zasilanie typu flyback 5V 2A i 12V 3A. Jedną z kluczowych specyfikacji tego zasilacza jest ochrona przed przeciążeniem (OPP) na wyjściu 5 V, gdy wyjście 12 V nie osiąga obciążenia lub jest bardzo małe. Oba wyjścia przedstawiają wymaganie regulacji napięcia ±5 procent.
W typowych rozwiązaniach użycie rezystorów czujnikowych obniża wydajność regulacji krzyżowej, a bezpieczniki są drogie. Jednak obwody łomowe do ochrony przeciwprzepięciowej (OVP) są już dostępne. Ten obwód jest w stanie spełnić wymagania zarówno OPP, jak i regulacji napięcia, co można osiągnąć za pomocą obwodu łomu z częściowym łukiem.
R1 i VR1 tworzą aktywne napięcie wstępne na wyjściu 12 V, co umożliwia regulację napięcia 12 V, gdy wyjście 12 V jest lekko obciążone. Kiedy wyjście 5V jest w stanie przeciążenia, napięcie na wyjściu 5V spadnie. Fałszywe obciążenia pobierają dużo prądu. Spadek napięcia na R1 może być wykorzystany do wykrycia tego dużego prądu. Q1 włącza się i wyzwala obwód OPP.
03 Aktywny regulator bocznikowy i napięcie wstępne
Flyback jest obecnie najpopularniejszą topologią w dziedzinie przełączania produktów zasilających z napięcia sieciowego AC na niskonapięciowe DC. Głównym tego powodem jest wyjątkowa opłacalność zapewniania wielu napięć wyjściowych poprzez proste dodanie dodatkowych uzwojeń do wtórnego transformatora.
Zazwyczaj sprzężenie zwrotne pochodzi z wyjścia o najostrzejszych wymaganiach dotyczących tolerancji wyjściowej. To wyjście określa liczbę zwojów na wolt dla wszystkich pozostałych uzwojeń wtórnych. Ze względu na efekty indukcyjności rozproszenia, wyjścia nie zawsze mogą osiągnąć pożądaną regulację krzyżową napięcia wyjściowego, zwłaszcza jeśli dane wyjście może być nieobciążone lub bardzo słabo obciążone, ponieważ inne wyjścia są w pełni obciążone.
Aby zapobiec wzrostowi napięcia na wyjściu w takich warunkach, można zastosować regulator końcowy lub obciążenie zastępcze. Jednak ze względu na zwiększone koszty i zmniejszoną wydajność regulatorów końcowych lub obciążeń zastępczych, nie były one wystarczająco atrakcyjne, zwłaszcza w ostatnich latach, w przypadku zużycia energii wejściowej bez obciążenia i / lub w trybie gotowości w wielu zastosowaniach konsumenckich. W warunkach coraz bardziej rygorystycznych wymagań regulacyjnych projekt ten zaczął być zaniedbywany. Aktywny regulator bocznikowy pokazany na rysunku 3 nie tylko rozwiązuje problem regulacji napięcia, ale także minimalizuje wpływ na koszty i wydajność.
Obwód działa w następujący sposób: Gdy oba wyjścia są w stanie regulacji, dzielnik rezystora R14 i R13 spowalnia tranzystor Q5, który utrzymuje tranzystory Q4 i Q1 w stanie wyłączonym. W tych warunkach pracy prąd przepływający przez tranzystor Q5 działa jak małe napięcie wstępne na wyjściu 5 V.
Standardowa różnica między wyjściem 5 V a wyjściem 3,3 V wynosi 1,7 V. Gdy obciążenie wymaga dodatkowego prądu z wyjścia 3,3 V bez równego wzrostu prądu obciążenia z wyjścia 5 V, napięcie wyjściowe wzrośnie w porównaniu z wyjściem 3,3 V. Przy różnicy napięć większej niż około 100 mV, Q5 zostanie spolaryzowany, włączając Q4 i Q1 i umożliwiając przepływ prądu z wyjścia 5 V do wyjścia 3,3 V. Ten prąd obniży napięcie na wyjściu 5 V, zmniejszając różnicę napięcia między dwoma wyjściami.
Wielkość prądu w Q1 jest określona przez różnicę napięć na dwóch wyjściach. Dlatego obwód może utrzymywać oba wyjścia w stanie regulowanym niezależnie od ich obciążenia, nawet w najgorszym przypadku, gdy wyjście 3,3 V jest w pełni obciążone, a wyjście 5 V nieobciążone. Q5 i Q4 w projekcie zapewniają kompensację temperatury, ponieważ zmiany temperatury VBE w każdym tranzystorze znoszą się nawzajem. Diody D8 i D9 nie są wymagane, ale można ich użyć do zmniejszenia rozpraszania mocy w Q1, eliminując potrzebę dodawania radiatora do projektu.
Obwód reaguje tylko na względną różnicę między dwoma napięciami i jest w dużej mierze nieaktywny w warunkach pełnego i małego obciążenia. Ponieważ regulator bocznikowy jest podłączony od wyjścia 5 V do wyjścia 3,3 V, obwód może zmniejszyć aktywne rozpraszanie o 66 procent w porównaniu z uziemionym regulatorem bocznikowym. Rezultatem jest wysoka wydajność przy pełnym obciążeniu i niskie zużycie energii od lekkiego do zerowego obciążenia.
04 Wysokonapięciowy zasilacz impulsowy z wykorzystaniem StackFET
Sprzęt przemysłowy, który działa na trójfazowym prądzie zmiennym, często wymaga pomocniczego stopnia mocy, który może zapewnić regulowane niskie napięcie prądu stałego dla obwodów analogowych i cyfrowych. Przykładami takich zastosowań są napędy przemysłowe, systemy UPS i liczniki energii.
Specyfikacje dla tego typu zasilaczy są znacznie bardziej restrykcyjne niż te wymagane dla standardowych, gotowych przełączników. Nie tylko napięcia wejściowe są wyższe w tych zastosowaniach, ale sprzęt przeznaczony do zastosowań trójfazowych w środowiskach przemysłowych musi również tolerować bardzo duże wahania — w tym wydłużone czasy zapadów, skoki napięcia i okazjonalną utratę jednej lub więcej faz. Również określony zakres napięcia wejściowego dla tych zasilaczy pomocniczych może wynosić od 57 VAC do 580 VAC.
Zaprojektowanie tak szerokozakresowego zasilacza impulsowego może być wyzwaniem, głównie ze względu na wysoki koszt wysokonapięciowych tranzystorów MOSFET oraz ograniczenie zakresu dynamicznego tradycyjnych pętli sterowania PWM. Technologia StackFET umożliwia łączenie niedrogich niskonapięciowych tranzystorów MOSFET o napięciu znamionowym 600 V i zintegrowanych kontrolerów zasilaczy firmy Power Integrations, umożliwiając proste i niedrogie projektowanie zasilaczy impulsowych zdolnych do pracy w szerokim zakresie napięć wejściowych.
Obwód działa w następujący sposób: Prąd na wejściu obwodu może pochodzić z trójfazowego układu trójprzewodowego lub czteroprzewodowego, a nawet z układu jednofazowego. Trójfazowy prostownik składa się z diod D1-D8. Rezystory R1-R4 zapewniają ograniczenie prądu rozruchowego. Jeśli stosowane są rezystory topikowe, rezystory te można bezpiecznie odłączyć podczas awarii bez potrzeby stosowania oddzielnego bezpiecznika. Filtr pi składa się z C5, C6, C7, C8 i L1 do filtrowania wyprostowanego napięcia stałego.
Rezystory R13 i R15 służą do wyrównania napięcia między kondensatorami filtra wejściowego. Kiedy MOSFET wewnątrz zintegrowanego przełącznika (U1) włączy się, źródło Q1 zostanie obniżone, R6, R7 i R8 dostarczą prąd bramki, a pojemność złącza od VR1 do VR3 włączy Q1. Dioda Zenera VR4 służy do ograniczenia napięcia bramki-źródła przyłożonego do tranzystora Q1. Kiedy MOSFET w U1 jest wyłączony, maksymalne napięcie drenu U1 jest ograniczane przez sieć 450 V składającą się z VR1, VR2 i VR3. Ogranicza to napięcie drenu U1 do około 450 V.
Każde dodatkowe napięcie na końcu uzwojenia podłączonego do Q1 zostanie przyłożone do Q1. Ta konstrukcja wydajnie rozdziela całkowite wyprostowane napięcie wejściowe DC i napięcie flyback między Q1 i U1. Rezystor R9 służy do ograniczania oscylacji o wysokiej częstotliwości podczas przełączania, a sieć zacisków VR5, D9 i R10 służy do ograniczania napięcia szczytowego na uzwojeniu pierwotnym z powodu indukcyjności upływu podczas okresu powrotnego.
Prostowanie wyjścia zapewnia D1. C2 to filtr wyjściowy. L2 i C3 tworzą filtr wtórny w celu zmniejszenia tętnienia przełączania na wyjściu.
VR6 włącza się, gdy napięcie wyjściowe przekroczy całkowity spadek napięcia na diodzie transoptora i VR6. Zmiana napięcia wyjściowego powoduje zmianę przepływu prądu przez diodę transoptora w U2, co z kolei zmienia przepływ prądu przez tranzystor w U2B. Kiedy ten prąd przekroczy prąd progowy pinu FB U1, następny cykl jest wstrzymany. Regulację wyjścia można uzyskać kontrolując liczbę cykli włączania i wyłączania. Po włączeniu cyklu przełączania cykl kończy się, gdy prąd wzrośnie do wewnętrznego limitu prądu U1. R11 służy do ograniczania prądu płynącego przez transoptor podczas przejściowych obciążeń oraz do regulacji wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego. Rezystor R12 służy do polaryzacji diody Zenera VR6.
Układ scalony U1 (LNK 304) posiada wbudowane funkcje zabezpieczające układ przed utratą sygnału sprzężenia zwrotnego, zwarciem na wyjściu oraz przeciążeniem. Ponieważ U1 jest zasilany bezpośrednio z styku DRAIN, nie jest wymagane żadne dodatkowe uzwojenie polaryzacji na transformatorze. C4 służy do zapewnienia wewnętrznego odłączenia zasilania.
05 Dobry wybór diod prostowniczych może uprościć i obniżyć koszty obwodów filtrów EMI w przetwornicach AC/DC
Ten obwód może uprościć i obniżyć koszty obwodów filtrów EMI w przetwornicach AC/DC. Aby zasilacz AC/DC był zgodny z EMI, wymaga zastosowania dużej liczby elementów filtrujących EMI, takich jak kondensatory X i Y. Standardowe obwody wejściowe dla zasilaczy AC/DC obejmują prostownik mostkowy do prostowania napięcia wejściowego (zwykle 50-60 Hz). Ponieważ jest to napięcie wejściowe AC o niskiej częstotliwości, można zastosować standardowe diody, takie jak diody z serii 1N400X, również dlatego, że są one najtańsze.
Te urządzenia filtrujące służą do redukcji zakłóceń elektromagnetycznych generowanych przez zasilacz, aby zachować zgodność z opublikowanymi limitami zakłóceń elektromagnetycznych. Jednakże, ponieważ pomiary używane do rejestrowania zakłóceń elektromagnetycznych rozpoczynają się dopiero przy 150 kHz, a częstotliwość napięcia sieciowego prądu przemiennego wynosi tylko 50 lub 60 Hz, czas powrotu do stanu wyjściowego standardowych diod (patrz rysunek 5-1) stosowanych w prostownikach mostkowych wynosi stosunkowo wolno. długi i zwykle niezwiązany bezpośrednio z generacją EMI.
Jednak w przeszłości obwody filtrów wejściowych czasami zawierały kondensatory połączone równolegle z mostkiem prostowniczym, aby tłumić wszelkie przebiegi o wysokiej częstotliwości spowodowane przez prostowanie napięcia wejściowego o niskiej częstotliwości.
Kondensatory te nie są potrzebne, jeśli w mostku prostowniczym zastosowano diody szybkiego odzyskiwania. Kiedy napięcie na tych diodach zaczyna się odwracać, bardzo szybko wracają do normy (patrz rysunek 5-2). Zmniejsza to wzbudzenie indukcyjne linii błądzącej w linii wejściowej prądu przemiennego poprzez zmniejszenie kolejnych skoków wyłączania o wysokiej częstotliwości i EMI. Ponieważ 2 diody mogą przewodzić każdy półcykl, tylko 2 z 4 diod muszą być typu szybkiego odzyskiwania. Podobnie, tylko jedna z dwóch diod przewodzących każdy półcykl musi mieć charakterystykę szybkiego powrotu.
Przebiegi napięcia i prądu wejściowego pokazują mignięcie diody pod koniec odzyskiwania wstecznego.
06 Użyj miękkiego startu, aby wyłączyć tanie wyjścia w celu powstrzymania skoków prądu
Aby spełnić rygorystyczne specyfikacje zasilania w trybie gotowości, niektóre zasilacze z wieloma wyjściami są zaprojektowane tak, aby odłączać wyjście, gdy sygnał gotowości jest aktywny.
Zwykle osiąga się to poprzez wyłączenie szeregowego tranzystora bipolarnego obejściowego (BJT) lub MOSFET. W przypadku wyjść niskoprądowych tranzystory BJT mogą być odpowiednią i mniej kosztowną alternatywą dla tranzystorów MOSFET, jeśli transformator mocy jest zaprojektowany z myślą o dodatkowym spadku napięcia na tranzystorach.
