Naučí vás 6 zručností pri navrhovaní napájacích zdrojov
01 Feritový magnetický zosilňovač v napájacom zdroji Flyback
Pri dvojitom výstupnom flyback napájaní so skutočným výkonom na oboch výstupoch (5V 2A a 12V 3A, oba regulované o ± 5 percent ), keď napätie dosiahne 12 V, prejde do stavu nulovej záťaže a nedá sa nastaviť v rámci 5 percentného limitu. Lineárny regulátor je realizovateľným riešením, ale stále nie je ideálny kvôli jeho vysokým nákladom a strate účinnosti.
Naším navrhovaným riešením je použitie magnetického zosilňovača na 12V výstupe, dokonca je možné použiť aj flyback topológiu. Na zníženie nákladov sa odporúča použiť feritový magnetický zosilňovač. Riadiaci obvod feritového magnetického zosilňovača sa však líši od obvodu tradičného materiálu s pravouhlou hysteréznou slučkou (materiál s vysokou magnetickou permeabilitou). Riadiaci obvod feritu (D1 a Q1) odoberá prúd, aby udržal výkon na výstupe. Tento obvod bol dôkladne testovaný. Vinutia transformátora sú určené pre výstup 5V a 13V. Obvod môže dokonca dosiahnuť sub{5}}W vstupný výkon (5 V 300 mW a 12 V nulové zaťaženie), pričom dosiahne ± 5 percent regulácie 12 V výstupu.
02 Na zabezpečenie nadprúdovej ochrany použite existujúci obvod páčidla
Zvážte 5V 2A a 12V 3A flyback dodávky. Jednou z kľúčových špecifikácií tohto napájacieho zdroja je ochrana proti preťaženiu (OPP) na 5V výstupe, keď 12V výstup nedosiahne žiadne zaťaženie alebo veľmi nízku záťaž. Oba výstupy predstavujú požiadavku na reguláciu napätia ±5 percent.
Pri bežných riešeniach použitie snímacích rezistorov znižuje výkon krížovej regulácie a poistky sú drahé. Teraz sú však dostupné páčidlové obvody na ochranu pred prepätím (OVP). Tento obvod je schopný splniť požiadavky OPP aj regulácie napätia, čo je možné dosiahnuť použitím obvodu páčidla s čiastočným oblúkom.
R1 a VR1 tvoria aktívne predpätie na 12V výstupe, ktoré umožňuje 12V reguláciu pri slabom zaťažení 12V výstupu. Keď je 5V výstup v stave preťaženia, napätie na 5V výstupe klesne. Falošné zaťaženia odoberajú veľa prúdu. Pokles napätia na R1 môže byť použitý na snímanie tohto veľkého prúdu. Q1 zapína a spúšťa obvod OPP.
03 Aktívny bočníkový regulátor a predpätie
Flyback je v súčasnosti najpopulárnejšou topológiou v oblasti spínaných produktov napájania zo striedavého sieťového napätia na jednosmerné nízke napätie. Hlavným dôvodom je jedinečná nákladová efektívnosť poskytovania viacerých výstupných napätí jednoduchým pridaním ďalších vinutí k sekundárnemu transformátoru.
Spätná väzba zvyčajne pochádza z výstupu s najprísnejšími požiadavkami na toleranciu výstupu. Tento výstup potom definuje otáčky na volt pre všetky ostatné sekundárne vinutia. Kvôli efektom zvodovej indukčnosti nemôžu výstupy vždy dosiahnuť požadovanú krížovú reguláciu výstupného napätia, najmä ak môže byť daný výstup nezaťažený alebo veľmi málo zaťažený, pretože ostatné výstupy sú plne zaťažené.
Na zabránenie nárastu napätia na výstupe za takýchto podmienok možno použiť postregulátor alebo fiktívnu záťaž. Avšak kvôli zvýšeným nákladom a zníženej účinnosti dodatočných regulátorov alebo fiktívnych záťaží neboli dostatočne atraktívne, najmä v posledných rokoch pre spotrebu energie bez záťaže a/alebo v pohotovostnom režime v mnohých spotrebiteľských aplikáciách. V podmienkach čoraz prísnejších regulačných požiadaviek sa tento dizajn začal zanedbávať. Aktívny bočníkový regulátor zobrazený na obrázku 3 nielenže rieši problém regulácie napätia, ale tiež minimalizuje dopad na náklady a efektivitu.
Obvod funguje nasledovne: Keď sú oba výstupy v regulácii, odporový delič R14 a R13 predpätý tranzistor Q5, ktorý udržuje Q4 a Q1 vypnuté. Za týchto prevádzkových podmienok prúd cez Q5 pôsobí ako malé predpätie na 5V výstupe.
Štandardný rozdiel medzi 5V výstupom a 3,3V výstupom je 1,7V. Keď záťaž vyžaduje dodatočný prúd z výstupu 3,3 V bez rovnakého zvýšenia prúdu záťaže z výstupu 5 V, výstupné napätie sa zvýši v porovnaní s výstupom 3,3 V. Pri rozdiele napätia väčšom ako približne 100 mV sa Q5 vypne, zapne sa Q4 a Q1 a umožní prúdenie prúdu z 5V výstupu do 3,3V výstupu. Tento prúd zníži napätie na výstupe 5V, čím sa zníži rozdiel napätia medzi týmito dvoma výstupmi.
Veľkosť prúdu v Q1 je určená rozdielom napätia na dvoch výstupoch. Obvod teda dokáže udržať regulované oba výstupy bez ohľadu na ich zaťaženie, dokonca aj v najhoršom prípade, keď je 3,3V výstup plne zaťažený a 5V výstup je nezaťažený. Q5 a Q4 v dizajne poskytujú teplotnú kompenzáciu, pretože zmeny teploty VBE v každom tranzistore sa navzájom rušia. Diódy D8 a D9 nie sú potrebné, ale môžu sa použiť na zníženie straty energie v Q1, čím sa eliminuje potreba pridať chladič do dizajnu.
Obvod reaguje iba na relatívny rozdiel medzi týmito dvoma napätiami a je do značnej miery neaktívny pri plnom a nízkom zaťažení. Keďže bočníkový regulátor je pripojený z 5V výstupu na 3,3V výstup, obvod môže znížiť aktívny rozptyl o 66 percent v porovnaní s uzemneným bočníkovým regulátorom. Výsledkom je vysoká účinnosť pri plnom zaťažení a nízka spotreba energie od nízkej záťaže až po žiadnu záťaž.
04 Vysokonapäťové vstupné spínané napájanie pomocou StackFET
Priemyselné zariadenia, ktoré pracujú s trojfázovým striedavým prúdom, často vyžadujú pomocný výkonový stupeň, ktorý môže poskytnúť regulovaný nízkonapäťový jednosmerný prúd pre analógové a digitálne obvody. Príklady takýchto aplikácií zahŕňajú priemyselné pohony, systémy UPS a merače energie.
Špecifikácie pre tento typ napájacieho zdroja sú oveľa prísnejšie ako špecifikácie vyžadované pre štandardné štandardné prepínače. Nielenže sú vstupné napätia vyššie v týchto aplikáciách, ale zariadenia navrhnuté pre trojfázové aplikácie v priemyselných prostrediach musia tiež tolerovať veľmi široké výkyvy – vrátane predĺžených časov poklesu, prepätia a občasnej straty jednej alebo viacerých fáz. Špecifikovaný rozsah vstupného napätia pre tieto pomocné zdroje môže byť tiež široký od 57 VAC do 580 VAC.
Navrhnutie takéhoto širokorozsahového spínaného zdroja môže byť výzvou, hlavne kvôli vysokým nákladom na vysokonapäťové MOSFET a obmedzeniu dynamického rozsahu tradičných PWM riadiacich slučiek. Technológia StackFET umožňuje kombináciu lacných 600V menovitých nízkonapäťových MOSFETov a integrovaných ovládačov napájania od Power Integrations, čo umožňuje jednoduchý a lacný dizajn spínaných zdrojov napájania schopných pracovať v širokom rozsahu vstupného napätia.
Obvod funguje nasledovne: Prúd na vstupe obvodu môže pochádzať z trojfázového trojvodičového alebo štvorvodičového systému alebo dokonca z jednofázového systému. Trojfázový usmerňovač pozostáva z diód D1-D8. Rezistory R1-R4 poskytujú obmedzenie nábehového prúdu. Ak sa použijú tavné rezistory, tieto rezistory je možné pri poruche bezpečne odpojiť bez potreby samostatnej poistky. Pi filter pozostáva z C5, C6, C7, C8 a L1 na filtrovanie usmerneného jednosmerného napätia.
Rezistory R13 a R15 slúžia na vyrovnávanie napätia medzi vstupnými filtračnými kondenzátormi. Keď sa MOSFET vo vnútri integrovaného spínača (U1) zapne, zdroj Q1 sa zníži, R6, R7 a R8 poskytnú hradlový prúd a kapacita spoja z VR1 na VR3 sa zapne Q1. Zenerova dióda VR4 sa používa na obmedzenie napätia hradla aplikovaného na Q1. Keď je MOSFET v U1 vypnutý, maximálne kolektorové napätie U1 je upnuté pomocou 450 V upínacej siete pozostávajúcej z VR1, VR2 a VR3. Tým sa obmedzí odtokové napätie U1 na približne 450 V.
Akékoľvek dodatočné napätie na konci vinutia pripojeného k Q1 bude privedené na Q1. Táto konštrukcia efektívne rozdeľuje celkové usmernené vstupné jednosmerné napätie a spätné napätie medzi Q1 a U1. Rezistor R9 sa používa na obmedzenie vysokofrekvenčných oscilácií počas spínania a svorková sieť VR5, D9 a R10 sa používa na obmedzenie špičkového napätia na primárnej časti v dôsledku zvodovej indukčnosti počas intervalu spätného chodu.
Usmernenie výstupu zabezpečuje D1. C2 je výstupný filter. L2 a C3 tvoria sekundárny filter na zníženie spínacieho zvlnenia na výstupe.
VR6 sa zapne, keď výstupné napätie prekročí celkový pokles napätia na dióde optočlena a VR6. Zmena výstupného napätia spôsobí zmenu toku prúdu cez diódu optočlena v U2, čo následne zmení tok prúdu cez tranzistor v U2B. Keď tento prúd prekročí prahový prúd kolíka FB U1, ďalší cyklus sa zablokuje. Reguláciu výkonu možno dosiahnuť riadením počtu cyklov aktivácie a deaktivácie. Po zapnutí spínacieho cyklu sa cyklus skončí, keď prúd stúpne na vnútorný limit prúdu U1. R11 sa používa na obmedzenie prúdu cez optočlen počas prechodového zaťaženia a na nastavenie zosilnenia spätnoväzbovej slučky. Rezistor R12 sa používa na predpätie Zenerovej diódy VR6.
IC U1 (LNK 304) má zabudované funkcie, aby bol obvod chránený pred stratou spätnoväzbového signálu, skratom na výstupe a preťažením. Pretože U1 je napájaný priamo z kolíka DRAIN, nie je potrebné žiadne ďalšie predpätie na transformátore. C4 sa používa na zabezpečenie vnútorného oddelenia napájania.
05 Dobrý výber usmerňovacích diód môže zjednodušiť a znížiť náklady na filtračné obvody EMI v konvertoroch AC/DC
Tento obvod môže zjednodušiť a znížiť náklady na filtračné obvody EMI v AC/DC konvertoroch. Aby bol napájací zdroj AC/DC v súlade s EMI, je potrebné použiť veľké množstvo komponentov filtra EMI, ako sú kondenzátory X a Y. Štandardné vstupné obvody pre AC/DC napájacie zdroje zahŕňajú mostíkový usmerňovač na usmernenie vstupného napätia (zvyčajne 50-60 Hz). Keďže ide o nízkofrekvenčné vstupné striedavé napätie, možno použiť štandardné diódy, ako je séria diód 1N400X, aj preto, že sú najmenej nákladné.
Tieto filtračné zariadenia sa používajú na zníženie EMI generovaného napájacím zdrojom, aby boli v súlade s publikovanými limitmi EMI. Keďže však merania používané na zaznamenávanie EMI sa začínajú len pri 150 kHz a frekvencia striedavého sieťového napätia je len 50 alebo 60 Hz, čas spätnej obnovy štandardných diód (pozri obrázok 5-1) používaných v mostíkových usmerňovačoch je relatívne pomalé. dlhé a zvyčajne priamo nesúvisia s generovaním EMI.
Obvody vstupných filtrov však v minulosti niekedy obsahovali kondenzátory paralelne s mostíkovým usmerňovačom na potlačenie akýchkoľvek vysokofrekvenčných kriviek spôsobených usmernením nízkofrekvenčného vstupného napätia.
Tieto kondenzátory nie sú potrebné, ak sa v mostíkovom usmerňovači používajú diódy s rýchlou obnovou. Keď sa napätie na týchto diódach začne meniť, veľmi rýchlo sa obnovia (pozri obrázok 5-2). Tým sa znižuje indukčné budenie rušivým vedením vo vstupnom vedení striedavého prúdu znížením následných vysokofrekvenčných vypínacích impulzov a EMI. Keďže 2 diódy môžu viesť každú polovicu cyklu, iba 2 zo 4 diód musia byť typu s rýchlym obnovením. Podobne len jedna z dvoch diód, ktoré vedú každú polovicu cyklu, musí mať charakteristiku rýchleho zotavenia.
Priebehy vstupného napätia a prúdu ukazujú zaskočenie diódy na konci spätného zotavenia.
06 Použite mäkký štart na deaktiváciu nízkonákladových výstupov na zachytenie aktuálnych špičiek
Aby sa splnili prísne špecifikácie napájania v pohotovostnom režime, niektoré zdroje napájania s viacerými výstupmi sú navrhnuté tak, aby odpojili výstup, keď je aktívny signál v pohotovostnom režime.
Typicky sa to dosiahne vypnutím sériového bypassového bipolárneho tranzistora (BJT) alebo MOSFET. Pre nízke prúdové výstupy môžu byť BJT vhodnou a menej nákladnou alternatívou k MOSFET, ak je výkonový transformátor navrhnutý s ohľadom na dodatočný pokles napätia na tranzistoroch.
