Wykorzystanie zaawansowanych przełączających układów scalonych do wdrażania zasilaczy prądu zmiennego-stałego niskiej mocy
Zasilacze prądu zmiennego-stałego niskiej mocy (około 10W lub mniejszej) są szeroko stosowane w domowych ściemniaczach, przełącznikach, czujnikach, urządzeniach AGD, Internecie rzeczy (IoT) oraz sterowaniu przemysłowym. Ich cykl roboczy jest stosunkowo krótki, a ich obciążenia pozostają w trybie czuwania przez długi czas. Mimo to zasilacz musi „wybudzić się” szybko po włączeniu urządzenia.
Projektowanie takich zasilaczy jest koncepcyjnie łatwe: należy zacząć od kilku diod do prostowania linii, dodać układ scalony kontrolera, umieścić kondensatory filtrujące na wyjściu, wstawić transformator, jeśli potrzebna jest izolacja - zadanie wykonane. Jednak pomimo pozornej prostoty, realia tworzenia tych zasilaczy różnią się znacznie.
Muszą one zapewniać podstawową funkcję dostarczania stabilnego napięcia prądu stałego na szynie wyjściowej i spełniać wiele rygorystycznych przepisów dotyczących bezpieczeństwa użytkownika, sprawności pod obciążeniem i sprawności w trybie czuwania. Projektanci dodatkowo muszą wziąć pod uwagę kwestie związane z fizycznym układem, komponentami pomocniczymi, niezawodnością, ewaluacją parametrów działania, certyfikacją i obudowami, ponieważ pracują oni również nad minimalizacją zajmowanej powierzchni i kosztów, przy jednoczesnym zachowaniu krótkiego czasu wprowadzenia produktu na rynek.
W niniejszym artykule przedstawiono grupę wysoce zintegrowanych układów scalonych kontrolerów przełączających offline firmy Power Integrations i zademonstrowano sposób ich wykorzystania, aby sprostać omawianym wyzwaniom.
Zintegrowany tranzystor MOSFET i układ scalony kontrolera
Grupa ośmiu różnych układów scalonych kontrolerów przełączających offline LinkSwitch-TNZ firmy Power Integrations łączy w sobie przełącznik mocy MOSFET 725V z kontrolerem zasilania w jednym urządzeniu zamkniętym w obudowie SO-8C. Każdy monolityczny układ scalony oferuje znakomitą wytrzymałość na udary, zawiera oscylator, wysokonapięciowe przełączane źródło prądowe z samoczynną polaryzacją, fluktuacje częstotliwościowe, szybkie ograniczanie prądu (w każdym cyklu), histeretyczne wyłączanie termiczne oraz wyjściowe i wejściowe obwody zabezpieczenia nadnapięciowego.
Omawiane urządzenia mogą stanowić rdzeń nieizolowanego układu, takiego jak konstrukcja przetwornicy obniżającej (ilustracja 1), przy wykorzystaniu urządzenia LNK3306D-TL z prądem wyjściowym 225mA lub 360mA, w zależności od wybranego trybu przewodzenia. Mogą być również skonfigurowane jako nieizolowane zasilacze obniżająco-podwyższające, dostarczające prąd wyjściowy o maksymalnym natężeniu 575mA.
Ilustracja 1: ten typowy projekt nieizolowanej przetwornicy obniżającej wykorzystujący produkt z grupy LinkSwitch jest tylko jedną z wielu możliwych topologii, które można wdrożyć przy użyciu tych urządzeń. (Źródło ilustracji: Power Integrations)
Choć odbiorniki wyposażone w podwójną izolację lub w inny sposób zabezpieczone przed usterkami oprzewodowania linii prądu zmiennego nie wymagają izolacji galwanicznej, niektóre urządzenia takiej izolacji wymagają. W takiej sytuacji lepszym wyborem jest zastosowanie urządzeń LinkSwitch-TNZ w konstrukcji izolowanej typu flyback z wejściem uniwersalnym. Urządzenia te oferują do 12W mocy wyjściowej we wspomnianej topologii.
Układy scalone z grupy LinkSwitch-TNZ oferują różne prądy i moce wyjściowe, w zależności od topologii (tabela 1).
Tabela 1: produkty z grupy LinkSwitch-TNZ obsługują wiele konfiguracji, topologii i tryby pracy. Każdy układ ma inny maksymalny prąd wyjściowy lub moc graniczną. (Źródło ilustracji: Power Integrations)
Od koncepcji do wdrożenia
Wysoka integracja i elastyczność produktów z grupy LinkSwitch-TNZ upraszcza pracę projektanta. Wśród wielu wyzwań związanych z opracowaniem certyfikowanych projektów zasilaczy przeznaczonych do wysyłki można wymienić:
- Rygorystyczne obowiązkowe wymagania związane ze sprawnością i bezpieczeństwem. Są one trudne do spełnienia ze względu na konieczność zapewnienia zasilania w trybie czuwania przy jednoczesnym spełnieniu surowych przepisów dotyczących sprawności energetycznej w tym trybie. Układy scalone LinkSwitch-TNZ zapewniają najlepszą w klasie sprawność przy niskich obciążeniach, umożliwiając zasilanie większej liczby funkcji systemu przy jednoczesnym spełnieniu przepisów dotyczących czuwania, takich jak:
- norma Komisji Europejskiej (KE) dla urządzeń AGD (1275), która wymaga, aby urządzenia zużywały nie więcej niż 0,5W w trybie czuwania i wyłączenia
- norma Energy Star w wersji 1.1 dla systemów zarządzania energią w domach inteligentnych (SHEMS), która ogranicza zużycie energii przez urządzenia sterujące oświetleniem inteligentnym do 0,5W w trybie czuwania
- chińska norma GB24849, która ogranicza pobór mocy kuchenek mikrofalowych w trybie wyłączenia do 0,5W
Układy scalone LinkSwitch-TNZ spełniają te wymagania, a dodatkowo liczba ich komponentów jest o co najmniej 40% mniejsza w porównaniu z konstrukcjami dyskretnymi. Omawiane zasilacze impulsowe umożliwiają regulację w zakresie ±3% na linii i obciążeniu, charakteryzują się poborem mocy w stanie jałowym poniżej 30mW przy zewnętrznej polaryzacji, a ich prąd w trybie czuwania jest mniejszy od 100µA.
- Bezpieczna obsługa dwuprzewodowych połączeń linii prądu zmiennego bez przewodu neutralnego oraz połączeń trójprzewodowych. Wiele odbiorników, takich jak ściemniacze, przełączniki i czujniki, nie posiada tego trzeciego przewodu, więc istnieje ryzyko nadmiernego i potencjalnie niebezpiecznego prądu upływu. Przywołana norma definiuje maksymalny prąd upływu w różnych okolicznościach, przy czym produkty LinkSwitch-TNZ nie przekraczają wspomnianej wartości maksymalnej, jako że ich prąd upływu wynosi poniżej 150µA w konstrukcjach dwuprzewodowych bez przewodu neutralnego.
- Nieprzekraczanie limitów emisji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Aby osiągnąć ten cel, oscylatory urządzeń LinkSwitch-TNZ wykorzystują technikę rozproszonego widma, która wprowadza niewielkie fluktuacje częstotliwości wynoszące 4kHz wokół nominalnej częstotliwości przełączania 66kHz (ilustracja 2). Szybkość modulacji fluktuacji częstotliwości jest ustawiona na 1kHz w celu optymalizacji redukcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) zarówno dla emisji średnich, jak i quasi-szczytowych.
Ilustracja 2: aby utrzymać emisje zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) poniżej limitu określonego przepisami, oscylatory urządzeń LinkSwitch-TNZ wykorzystują technikę rozproszonego widma z rozrzutem 4kHz wokół nominalnej częstotliwości przełączania 66kHz. (Źródło ilustracji: Power Integrations)
- Wykrywanie przejść przez zero w linii prądu zmiennego przy minimalnych dodatkowych komponentach lub minimalnym poborze mocy. Wykrywanie to jest potrzebne w przypadku przełączników oświetlenia, ściemniaczy, czujników i wtyczek, które okresowo łączą i rozłączają linie prądu zmiennego za pomocą przekaźnika lub triaka.
Sygnał przejścia przez zero jest wykorzystywany przez produkty i urządzenia automatyki domów inteligentnych i budynków (HBA) do sterowania przełączaniem w celu zminimalizowania obciążeń związanych z przełączaniem oraz prądów udarowych systemów.
Podobnie urządzenia często wykorzystują dyskretne obwody wykrywania przejścia przez zero do sterowania synchronizacją silników i mikrokontrolerów MCU. Wspomniane zastosowania wymagają również zasilania pomocniczego dla łączności bezprzewodowej, sterowników bramek, czujników i wyświetlaczy.
Aby to osiągnąć, zwykle stosuje się obwód dyskretny do wykrywania linii prądu zmiennego przejścia przez zero w celu sterowania włączaniem głównego urządzenia mocy przy jednoczesnym zmniejszeniu strat przełączania i początkowego prądu rozruchowego. Takie podejście wymaga wielu komponentów i jest bardzo stratne, a czasami zużywa prawie połowę budżetu mocy w trybie czuwania.
Zamiast tego układy scalone LinkSwitch-TNZ dostarczają dokładny sygnał wskazujący, że sinusoidalna linia prądu zmiennego jest na poziomie zero woltów. Wykrywanie punktu przejścia przez zero w urządzeniach LinkSwitch-TNZ zużywa poniżej 5mW, co pozwala systemom zmniejszyć straty mocy w trybie czuwania w porównaniu z innymi rozwiązaniami, które wymagają co najmniej dziesięciu komponentów dyskretnych i rozpraszają od 50 do 100mW mocy ciągłej.
Jest jeszcze kondensator X
Liniowe filtry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) zawierają kondensatory klasy X i Y minimalizujące generowanie zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Są one podłączane bezpośrednio do wejścia zasilania prądu zmiennego na linii prądu zmiennego oraz do neutralnego przewodu prądu zmiennego (ilustracja 3).
.
Ilustracja 3: filtrowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) wymaga kondensatorów filtrujących klasy X i klasy Y na linii prądu zmiennego, ale kondensator klasy X wymaga zarządzania po odłączeniu linii, aby zapewnić bezpieczeństwo użytkownika. (Źródło ilustracji: www.topdiode.com)
Przepisy bezpieczeństwa wymagają, aby kondensatory X w filtrach zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) były rozładowywane po odłączeniu linii prądu zmiennego, aby zapewnić, że zmagazynowane napięcie i energia nie pozostaną w przewodzie sieciowym przez dłuższy czas po odcięciu zasilania. Maksymalny dopuszczalny czas rozładowania jest określony przez normy branżowe, takie jak IEC60950 i IEC60065.
Tradycyjne podejście do zapewnienia wymaganego rozładowania polega na dodaniu rezystorów upływowych równolegle do kondensatora X. Takie podejście wiąże się jednak z kosztami pod względem mocy. Lepszym rozwiązaniem jest dodanie funkcji rozładowywania kondensatora X ze stałą czasową ustawianą przez użytkownika. Podejście to zastosowano w układach scalonych, takich jak LNK3312D-TL. Skutkuje ono zmniejszeniem rozmiarów płytki drukowanej, skróceniem wykazu materiałów (BOM) i zwiększoną niezawodnością.
Zasilacze i przetwornice wymagają wielu funkcji zabezpieczających. Wszystkie urządzenia z grupy układów scalonych LinkSwitch-TNZ posiadają:
- Płynne uruchamianie ograniczające obciążenia komponentów układu podczas rozruchu
- Automatyczne ponowne uruchamianie w przypadku zwarć i usterek pętli otwartej
- Zabezpieczenie nadnapięciowe wyjścia
- Zabezpieczenie nadnapięciowe wejścia liniowego
- Histeretyczne zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą
Od układu scalonego do kompletnego projektu
Sam układ scalony, bez względu na jego jakość i bogactwo funkcji, nie może być kompletną, gotową do użycia przetwornicą prądu zmiennego na stały, ponieważ wiele komponentów nie może lub nie powinno być zintegrowanych w tym urządzeniu. Należą do nich kondensatory z filtrem zbiorczym, kondensatory obejściowe, cewki indukcyjne, transformatory i komponenty zabezpieczające. Potrzebę użycia komponentów zewnętrznych zilustrowano na przykładzie zasilacza stałonapięciowego 6V 80mA z nieizolowanym wejściem uniwersalnym i detekcją przejścia przez zero, bazującego na urządzeniu LNK3302D-TL (ilustracja 4).
Ilustracja 4: komponenty zewnętrzne potrzebne do realizacji kompletnego i bezpiecznego zasilacza stałonapięciowego 6V 80mA z nieizolowanym wejściem uniwersalnym i detekcją przejścia przez zero, bazującego na układzie scalonym LNK3302D-TL. (Źródło ilustracji: Power Integrations)
Dodatkowo istnieją minimalne wymiary zapewniające bezpieczeństwo pod kątem atrybutów, takich jak droga upływu i odstęp izolacyjny. Problemem wtedy staje się trudność opracowania kompletnego projektu. Zadanie to ułatwia grupa układów scalonych LinkSwitch-TNZ. Na przykład, dzięki zastosowaniu częstotliwości przełączania 66kHz, można użyć standardowych elementów magnetycznych, które znajdują się w ofercie wielu dostawców w postaci gotowych produktów. Ponadto firma Power Integrations oferuje projekty referencyjne.
W przypadku zastosowań wymagających izolowanego zasilania z pomocą przyjdzie projekt referencyjny RDK-877 (ilustracja 5) - izolowany zasilacz typu flyback 6W z wykrywaniem przejścia przez zero bazujący na urządzeniu LNK3306D-TL.
Ilustracja 5: projekt referencyjny RDK-877 o mocy 6W zapewnia izolację w topologii typu flyback i bazuje na urządzeniu LNK3306D-TL. (Źródło ilustracji: Power Integrations)
Omawiany zasilacz ma zakres napięć wejściowych od 90V~ do 305V~, napięcie wyjściowe 12V przy prądzie 500mA oraz pobór mocy w stanie jałowym poniżej 30mW w całym zakresie linii prądu zmiennego. W trybie czuwania dostępna jest moc ponad 350mW, a sprawność w trybie aktywnym spełnia wymagania Departamentu Energii USA DOE6 oraz certyfikatów zgodności (CoC) WE (v5) - osiągając przy obciążeniu nominalnym powyżej 80% sprawności pełnoobciążeniowej. Konstrukcja spełnia również wymagania klasy B wg norm EN550022 oraz CISPR-22 w zakresie przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).
Podsumowanie
Zaprojektowanie i wdrożenie zasilacza prądu zmiennego-stałego niskiej mocy może wydawać się trywialne. Jednak realia osiągnięcia celów dotyczących parametrów działania i sprawności, wymogów bezpieczeństwa i przepisów, a także wymagań dotyczących kosztów, zajmowanej powierzchni i czasu wprowadzenia na rynek sprawiają, że jest to zadanie trudne. Istotnie ułatwiają je przełączające układy scalone, na przykład należące do grupy LinkSwitch-TNZ firmy Power Integrations, która obejmuje połączone kontrolery i tranzystory MOSFET. Omawiane układy scalone obsługują różne poziomy mocy i mogą być używane z różnymi topologiami zasilania, a jednocześnie posiadają podstawowe funkcje, takie jak wykrywanie przejścia przez zero i rozładowywanie kondensatora X.
Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl
Autor: Rolf Horn
Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.
Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.