Σας μαθαίνει 6 δεξιότητες σχεδιασμού τροφοδοτικού
01 Μαγνητικός ενισχυτής φερρίτη στο τροφοδοτικό Flyback
Για μια τροφοδοσία flyback διπλής εξόδου με πραγματική ισχύ και στις δύο εξόδους (5V 2A και 12V 3A, και οι δύο ρυθμιζόμενες κατά ± 5 τοις εκατό ), όταν η τάση φτάσει τα 12 V, μεταβαίνει σε κατάσταση μηδενικού φορτίου και δεν μπορεί να Ρυθμιστεί εντός του ορίου 5 τοις εκατό. Ένας γραμμικός ρυθμιστής είναι μια βιώσιμη λύση, αλλά εξακολουθεί να μην είναι ιδανική λόγω του υψηλού κόστους και της απώλειας απόδοσης.
Η προτεινόμενη λύση μας είναι να χρησιμοποιήσετε έναν μαγνητικό ενισχυτή στην έξοδο 12 V, ακόμη και μια τοπολογία flyback. Για μείωση του κόστους, συνιστάται η χρήση μαγνητικού ενισχυτή φερρίτη. Ωστόσο, το κύκλωμα ελέγχου του μαγνητικού ενισχυτή φερρίτη είναι διαφορετικό από αυτό του παραδοσιακού υλικού ορθογώνιου βρόχου υστέρησης (υλικό υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας). Το κύκλωμα ελέγχου του φερρίτη (D1 και Q1) βυθίζει το ρεύμα για να διατηρεί την ισχύ στην έξοδο. Αυτό το κύκλωμα έχει δοκιμαστεί διεξοδικά. Οι περιελίξεις του μετασχηματιστή έχουν σχεδιαστεί για έξοδο 5V και 13V. Το κύκλωμα μπορεί ακόμη και να επιτύχει ισχύ εισόδου κάτω-1W (5V 300mW και 12V μηδενικό φορτίο) ενώ επιτυγχάνει ρύθμιση ±5 τοις εκατό της εξόδου 12V.
02 Χρησιμοποιήστε το υπάρχον κύκλωμα λοστού τόξου για την παροχή προστασίας από υπερένταση
Εξετάστε τις προμήθειες 5V 2A και 12V 3A flyback. Μία από τις βασικές προδιαγραφές αυτού του τροφοδοτικού είναι η προστασία από υπερένταση (OPP) στην έξοδο 5V όταν η έξοδος 12V φτάνει χωρίς φορτίο ή σε πολύ μικρό φορτίο. Και οι δύο έξοδοι παρουσιάζουν απαίτηση ρύθμισης τάσης ±5 τοις εκατό.
Για κοινές λύσεις, η χρήση αντιστάσεων αίσθησης υποβαθμίζει την απόδοση διασταυρούμενης ρύθμισης και οι ασφάλειες είναι ακριβές. Ωστόσο, είναι πλέον διαθέσιμα κυκλώματα λοστών για προστασία από υπέρταση (OVP). Αυτό το κύκλωμα είναι σε θέση να καλύψει τις απαιτήσεις τόσο OPP όσο και ρύθμισης τάσης, οι οποίες μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα λοστού μερικού τόξου.
Τα R1 και VR1 σχηματίζουν μια ενεργή προφόρτιση στην έξοδο 12V, η οποία επιτρέπει τη ρύθμιση των 12V όταν η έξοδος 12V είναι ελαφρά φορτισμένη. Όταν η έξοδος 5V βρίσκεται σε κατάσταση υπερφόρτωσης, η τάση στην έξοδο 5V θα πέσει. Τα εικονικά φορτία αντλούν πολύ ρεύμα. Μια πτώση τάσης στο R1 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ανιχνεύσει αυτό το μεγάλο ρεύμα. Το Q1 ενεργοποιείται και ενεργοποιεί το κύκλωμα OPP.
03 Ενεργός ρυθμιστής διακλάδωσης και προφόρτιση
Το Flyback είναι αυτή τη στιγμή η πιο δημοφιλής τοπολογία στον τομέα της μεταγωγής προϊόντων τροφοδοσίας από τάση γραμμής AC σε χαμηλή τάση DC. Ένας σημαντικός λόγος για αυτό είναι η μοναδική οικονομική αποδοτικότητα της παροχής πολλαπλών τάσεων εξόδου με την απλή προσθήκη επιπλέον περιελίξεων στο δευτερεύον μετασχηματιστή.
Συνήθως, η ανάδραση προέρχεται από την έξοδο με τις πιο αυστηρές απαιτήσεις ανοχής εξόδου. Αυτή η έξοδος ορίζει στη συνέχεια τις στροφές ανά βολτ για όλες τις άλλες δευτερεύουσες περιελίξεις. Λόγω των φαινομένων επαγωγής διαρροής, οι έξοδοι δεν μπορούν πάντα να επιτύχουν την επιθυμητή διασταυρούμενη ρύθμιση τάσης εξόδου, ειδικά εάν μια δεδομένη έξοδος μπορεί να εκφορτωθεί ή να φορτιστεί πολύ ελαφρά επειδή οι άλλες έξοδοι είναι πλήρως φορτισμένες.
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα μετα-ρυθμιστή ή ένα εικονικό φορτίο για να αποτρέψει την αύξηση της τάσης στην έξοδο υπό τέτοιες συνθήκες. Ωστόσο, λόγω του αυξημένου κόστους και της μειωμένης απόδοσης των μετα-ρυθμιστών ή των εικονικών φορτίων, δεν είναι επαρκώς ελκυστικά, ειδικά τα τελευταία χρόνια για κατανάλωση ρεύματος εισόδου χωρίς φορτίο ή/και αναμονής σε πολλές εφαρμογές των καταναλωτών. Υπό τις συνθήκες των ολοένα και πιο αυστηρών κανονιστικών απαιτήσεων, αυτός ο σχεδιασμός άρχισε να παραμελείται. Ο ρυθμιστής ενεργού διακλάδωσης που φαίνεται στο Σχήμα 3 όχι μόνο λύνει το πρόβλημα ρύθμισης της τάσης, αλλά ελαχιστοποιεί επίσης το κόστος και τον αντίκτυπο στην απόδοση.
Το κύκλωμα λειτουργεί ως εξής: Όταν και οι δύο έξοδοι είναι σε ρύθμιση, ο διαχωριστής αντίστασης R14 και R13 πολώνουν το τρανζίστορ Q5, το οποίο κρατά τα Q4 και Q1 απενεργοποιημένα. Κάτω από αυτές τις συνθήκες λειτουργίας, το ρεύμα μέσω του Q5 λειτουργεί ως μικρή προφόρτιση στην έξοδο 5V.
Η τυπική διαφορά μεταξύ της εξόδου 5V και της εξόδου 3,3V είναι 1,7V. Όταν το φορτίο απαιτεί πρόσθετο ρεύμα από την έξοδο 3,3 V χωρίς ίση αύξηση του ρεύματος φορτίου από την έξοδο 5 V, η τάση εξόδου θα αυξηθεί σε σύγκριση με την έξοδο 3,3 V. Με διαφορά τάσης μεγαλύτερη από περίπου 100 mV, το Q5 θα πολωθεί, ενεργοποιώντας τα Q4 και Q1 και επιτρέποντας στο ρεύμα να ρέει από την έξοδο 5V στην έξοδο 3,3V. Αυτό το ρεύμα θα ρίξει την τάση στην έξοδο 5 V, μειώνοντας τη διαφορά τάσης μεταξύ των δύο εξόδων.
Η ποσότητα του ρεύματος στο Q1 καθορίζεται από τη διαφορά τάσης στις δύο εξόδους. Επομένως, το κύκλωμα μπορεί να διατηρεί ρυθμισμένες και τις δύο εξόδους ανεξάρτητα από τη φόρτωσή τους, ακόμη και στο χειρότερο σενάριο όπου η έξοδος 3,3 V είναι πλήρως φορτωμένη και η έξοδος 5 V είναι εκφορτωμένη. Τα Q5 και Q4 στη σχεδίαση παρέχουν αντιστάθμιση θερμοκρασίας αφού οι αλλαγές θερμοκρασίας VBE σε κάθε τρανζίστορ αλληλοεξουδετερώνονται. Οι δίοδοι D8 και D9 δεν απαιτούνται, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μείωση της απαγωγής ισχύος στο Q1, εξαλείφοντας την ανάγκη προσθήκης ψύκτρας στο σχέδιο.
Το κύκλωμα ανταποκρίνεται μόνο στη σχετική διαφορά μεταξύ των δύο τάσεων και είναι σε μεγάλο βαθμό ανενεργό σε συνθήκες πλήρους και ελαφρού φορτίου. Εφόσον ο ρυθμιστής διακλάδωσης είναι συνδεδεμένος από την έξοδο 5V στην έξοδο 3,3V, το κύκλωμα μπορεί να μειώσει την ενεργό διαρροή κατά 66 τοις εκατό σε σύγκριση με έναν γειωμένο ρυθμιστή διακλάδωσης. Το αποτέλεσμα είναι υψηλή απόδοση σε πλήρες φορτίο και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας από ελαφρύ έως καθόλου φορτίο.
04 Τροφοδοτικό μεταγωγής εισόδου υψηλής τάσης με χρήση StackFET
Ο βιομηχανικός εξοπλισμός που λειτουργεί σε τριφασικό AC απαιτεί συχνά μια βοηθητική βαθμίδα ισχύος που μπορεί να παρέχει ρυθμιζόμενο DC χαμηλής τάσης για αναλογικά και ψηφιακά κυκλώματα. Παραδείγματα τέτοιων εφαρμογών περιλαμβάνουν βιομηχανικούς δίσκους, συστήματα UPS και μετρητές ενέργειας.
Οι προδιαγραφές για αυτόν τον τύπο τροφοδοσίας είναι πολύ πιο αυστηρές από αυτές που απαιτούνται για τους τυπικούς διακόπτες εκτός ραφιού. Όχι μόνο οι τάσεις εισόδου είναι υψηλότερες σε αυτές τις εφαρμογές, αλλά ο εξοπλισμός που έχει σχεδιαστεί για εφαρμογές τριών φάσεων σε βιομηχανικά περιβάλλοντα πρέπει επίσης να ανέχεται πολύ μεγάλες διακυμάνσεις—συμπεριλαμβανομένων παρατεταμένων χρόνων βύθισης, υπερτάσεων ισχύος και περιστασιακής απώλειας μίας ή περισσότερων φάσεων. Επίσης, το καθορισμένο εύρος τάσης εισόδου για αυτά τα βοηθητικά τροφοδοτικά μπορεί να είναι από 57 VAC έως 580 VAC.
Ο σχεδιασμός ενός τέτοιου τροφοδοτικού μεταγωγής μεγάλου εύρους μπορεί να είναι μια πρόκληση, κυρίως λόγω του υψηλού κόστους των MOSFET υψηλής τάσης και του περιορισμού του δυναμικού εύρους των παραδοσιακών βρόχων ελέγχου PWM. Η τεχνολογία StackFET επιτρέπει τον συνδυασμό φθηνών MOSFET χαμηλής τάσης ονομαστικής τάσης 600 V και ενσωματωμένων ελεγκτών τροφοδοσίας από την Power Integrations, επιτρέποντας τον απλό και φθηνό σχεδιασμό τροφοδοτικών μεταγωγής ικανών να λειτουργούν σε μεγάλο εύρος τάσης εισόδου.
Το κύκλωμα λειτουργεί ως εξής: Το ρεύμα στην είσοδο του κυκλώματος μπορεί να προέρχεται από ένα τριφασικό σύστημα τριών ή τεσσάρων συρμάτων, ή ακόμα και από ένα μονοφασικό σύστημα. Ο τριφασικός ανορθωτής αποτελείται από διόδους D1-D8. Οι αντιστάσεις R1-R4 παρέχουν περιορισμό του ρεύματος εισόδου. Εάν χρησιμοποιούνται εύτηκτες αντιστάσεις, αυτές οι αντιστάσεις μπορούν να αποσυνδεθούν με ασφάλεια κατά τη διάρκεια ενός σφάλματος χωρίς να απαιτείται ξεχωριστή ασφάλεια. Το φίλτρο pi αποτελείται από C5, C6, C7, C8 και L1 για να φιλτράρει την ανορθωμένη τάση DC.
Οι αντιστάσεις R13 και R15 χρησιμοποιούνται για την εξισορρόπηση της τάσης μεταξύ των πυκνωτών του φίλτρου εισόδου. Όταν το MOSFET μέσα στον ενσωματωμένο διακόπτη (U1) ενεργοποιηθεί, η πηγή του Q1 θα τραβηχτεί χαμηλά, τα R6, R7 και R8 θα παρέχουν ρεύμα πύλης και η χωρητικότητα διασταύρωσης από το VR1 στο VR3 θα ενεργοποιηθεί το Q1. Η δίοδος Zener VR4 χρησιμοποιείται για τον περιορισμό της τάσης πύλης-πηγής που εφαρμόζεται στο Q1. Όταν το MOSFET στο U1 είναι απενεργοποιημένο, η μέγιστη τάση αποστράγγισης του U1 συσφίγγεται από ένα δίκτυο σύσφιξης 450 V που αποτελείται από VR1, VR2 και VR3. Αυτό περιορίζει την τάση αποστράγγισης του U1 σε περίπου 450 V.
Οποιαδήποτε πρόσθετη τάση στο τέλος της περιέλιξης που είναι συνδεδεμένη στο Q1 θα εφαρμοστεί στο Q1. Αυτός ο σχεδιασμός κατανέμει αποτελεσματικά τη συνολική διορθωμένη τάση DC εισόδου και την τάση αναστροφής μεταξύ Q1 και U1. Η αντίσταση R9 χρησιμοποιείται για τον περιορισμό των ταλαντώσεων υψηλής συχνότητας κατά τη μεταγωγή και το δίκτυο σφιγκτήρα VR5, D9 και R10 χρησιμοποιείται για τον περιορισμό της τάσης αιχμής στο πρωτεύον λόγω επαγωγής διαρροής κατά τη διάρκεια του διαστήματος αναστροφής.
Η διόρθωση εξόδου παρέχεται από το D1. Το C2 είναι το φίλτρο εξόδου. Τα L2 και C3 σχηματίζουν ένα δευτερεύον φίλτρο για τη μείωση του κυματισμού μεταγωγής στην έξοδο.
Το VR6 ενεργοποιείται όταν η τάση εξόδου υπερβαίνει τη συνολική πτώση τάσης στη δίοδο οπτικού συζεύκτη και στο VR6. Μια αλλαγή στην τάση εξόδου προκαλεί μια αλλαγή στη ροή ρεύματος μέσω της διόδου οπτικού συζεύκτη στο U2, η οποία με τη σειρά της αλλάζει τη ροή ρεύματος μέσω του τρανζίστορ στο U2B. Όταν αυτό το ρεύμα υπερβαίνει το ρεύμα κατωφλίου ακίδων FB του U1, ο επόμενος κύκλος αναστέλλεται. Η ρύθμιση εξόδου μπορεί να επιτευχθεί ελέγχοντας τον αριθμό των κύκλων ενεργοποίησης και απενεργοποίησης. Μόλις ενεργοποιηθεί ένας κύκλος μεταγωγής, ο κύκλος τελειώνει όταν το ρεύμα ανέλθει στο εσωτερικό όριο ρεύματος του U1. Το R11 χρησιμοποιείται για τον περιορισμό του ρεύματος μέσω του οπτικού συζεύκτη κατά τη διάρκεια μεταβατικών φορτίων και για τη ρύθμιση της απολαβής του βρόχου ανάδρασης. Η αντίσταση R12 χρησιμοποιείται για την πόλωση της διόδου Zener VR6.
Το IC U1 (LNK 304) έχει ενσωματωμένες λειτουργίες έτσι ώστε το κύκλωμα να προστατεύεται από απώλεια σήματος ανάδρασης, βραχυκύκλωμα στην έξοδο και υπερφόρτωση. Δεδομένου ότι το U1 τροφοδοτείται απευθείας από τον ακροδέκτη DRAIN, δεν απαιτείται πρόσθετη περιέλιξη πόλωσης στον μετασχηματιστή. Το C4 χρησιμοποιείται για την παροχή εσωτερικής αποσύνδεσης τροφοδοσίας.
05 Μια καλή επιλογή διόδων ανορθωτή μπορεί να απλοποιήσει και να μειώσει το κόστος των κυκλωμάτων φίλτρου EMI σε μετατροπείς AC/DC
Αυτό το κύκλωμα μπορεί να απλοποιήσει και να μειώσει το κόστος των κυκλωμάτων φίλτρου EMI σε μετατροπείς AC/DC. Για να γίνει ένα τροφοδοτικό AC/DC συμβατό με το EMI απαιτείται η χρήση μεγάλου αριθμού εξαρτημάτων φίλτρου EMI, όπως πυκνωτές X και Y. Τα τυπικά κυκλώματα εισόδου για τροφοδοτικά AC/DC περιλαμβάνουν έναν ανορθωτή γέφυρας για τη διόρθωση της τάσης εισόδου (συνήθως 50-60 Hz). Δεδομένου ότι πρόκειται για τάση εισόδου εναλλασσόμενου ρεύματος χαμηλής συχνότητας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν τυπικές δίοδοι όπως η σειρά διόδων 1N400X, επίσης επειδή είναι οι λιγότερο ακριβές.
Αυτές οι συσκευές φίλτρου χρησιμοποιούνται για τη μείωση του EMI που δημιουργείται από το τροφοδοτικό ώστε να συμμορφώνονται με τα δημοσιευμένα όρια EMI. Ωστόσο, δεδομένου ότι οι μετρήσεις που χρησιμοποιούνται για την εγγραφή EMI ξεκινούν μόνο στα 150 kHz και η συχνότητα τάσης γραμμής AC είναι μόνο 50 ή 60 Hz, ο χρόνος ανάστροφης ανάκτησης των τυπικών διόδων (βλ. Εικόνα 5-1) που χρησιμοποιούνται στους ανορθωτές γεφυρών είναι σχετικά αργό. μακρύ και συνήθως δεν σχετίζεται άμεσα με τη δημιουργία EMI.
Ωστόσο, τα κυκλώματα φίλτρων εισόδου στο παρελθόν περιλάμβαναν μερικές φορές πυκνωτές παράλληλα με τον ανορθωτή γέφυρας για να καταστέλλουν τυχόν κυματομορφές υψηλής συχνότητας που προκαλούνται από την ανόρθωση της τάσης εισόδου χαμηλής συχνότητας.
Αυτοί οι πυκνωτές δεν χρειάζονται εάν χρησιμοποιούνται δίοδοι γρήγορης ανάκτησης στον ανορθωτή της γέφυρας. Όταν η τάση σε αυτές τις διόδους αρχίζει να αντιστρέφεται, ανακάμπτουν πολύ γρήγορα (βλ. Εικόνα 5-2). Αυτό μειώνει την επαγωγική διέγερση της αδέσποτης γραμμής στη γραμμή εισόδου εναλλασσόμενου ρεύματος μειώνοντας τα επακόλουθα κουμπιά απενεργοποίησης υψηλής συχνότητας και το EMI. Δεδομένου ότι 2 δίοδοι μπορούν να διεξάγουν κάθε μισό κύκλο, μόνο 2 από τις 4 δίοδοι πρέπει να είναι τύπους γρήγορης ανάκτησης. Ομοίως, μόνο μία από τις δύο διόδους που διεξάγουν κάθε μισό κύκλο πρέπει να έχει ένα χαρακτηριστικό γρήγορης ανάκτησης.
Οι κυματομορφές τάσης εισόδου και ρεύματος δείχνουν το κούμπωμα της διόδου στο τέλος της αντίστροφης ανάκτησης.
06 Χρησιμοποιήστε το Soft-Start για να απενεργοποιήσετε τις εξόδους χαμηλού κόστους για να περιέχουν τρέχουσες αιχμές
Για να πληρούνται οι αυστηρές προδιαγραφές ισχύος αναμονής, ορισμένα τροφοδοτικά πολλαπλής εξόδου έχουν σχεδιαστεί για να αποσυνδέουν την έξοδο όταν το σήμα αναμονής είναι ενεργό.
Συνήθως, αυτό επιτυγχάνεται με την απενεργοποίηση ενός διπολικού τρανζίστορ παράκαμψης σειράς (BJT) ή MOSFET. Για εξόδους χαμηλού ρεύματος, τα BJT μπορούν να είναι μια κατάλληλη και λιγότερο δαπανηρή εναλλακτική λύση στα MOSFET, εάν ο μετασχηματιστής ισχύος έχει σχεδιαστεί με γνώμονα την επιπλέον πτώση τάσης στα τρανζίστορ.
