Nauči vas 6 vještina dizajna napajanja
01 Feritno magnetsko pojačalo u povratnom napajanju
Za dvostruko izlazno povratno napajanje sa stvarnom snagom na oba izlaza (5V 2A i 12V 3A, oba regulirana za ± 5 posto), kada napon dosegne 12V prelazi u stanje nultog opterećenja i ne može se prilagoditi unutar ograničenja od 5 posto. Linearni regulator je održivo rješenje, ali još uvijek nije idealno zbog visoke cijene i gubitka učinkovitosti.
Naše predloženo rješenje je korištenje magnetskog pojačala na izlazu od 12 V, čak se može koristiti i flyback topologija. Kako bi se smanjili troškovi, preporuča se koristiti feritno magnetsko pojačalo. Međutim, upravljački krug feritnog magnetskog pojačala razlikuje se od onog tradicionalnog pravokutnog materijala petlje histereze (materijal visoke magnetske propusnosti). Upravljački krug ferita (D1 i Q1) smanjuje struju kako bi održao snagu na izlazu. Ovaj sklop je temeljito ispitan. Namoti transformatora su dizajnirani za 5V i 13V izlaz. Krug može postići čak i manju od -1 W ulazne snage (5 V 300 mW i 12 V bez opterećenja) uz postizanje ±5 posto regulacije izlaza od 12 V.
02 Upotrijebite postojeći strujni krug lučne poluge za osiguranje prekostrujne zaštite
Razmotrite povratno napajanje od 5 V 2 A i 12 V 3 A. Jedna od ključnih specifikacija ovog napajanja je zaštita od prenapona (OPP) na izlazu od 5 V kada izlaz od 12 V dostigne prazno opterećenje ili vrlo malo opterećenje. Oba izlaza predstavljaju zahtjev za regulaciju napona od ±5 posto.
Za uobičajena rješenja, upotreba senzorskih otpornika degradira performanse unakrsne regulacije, a osigurači su skupi. Međutim, sada su dostupni strujni krugovi za zaštitu od prenapona (OVP). Ovaj sklop može zadovoljiti i zahtjeve OPP-a i regulacije napona, što se može postići korištenjem parcijalnog strujnog kruga.
R1 i VR1 formiraju aktivno predopterećenje na 12V izlazu, što omogućuje regulaciju 12V kada je 12V izlaz malo opterećen. Kada je izlaz od 5 V u stanju preopterećenja, napon na izlazu od 5 V će pasti. Lažna opterećenja troše puno struje. Pad napona na R1 može se koristiti da se osjeti ta velika struja. Q1 se uključuje i pokreće OPP krug.
03 Aktivni shunt regulator i predopterećenje
Flyback je trenutno najpopularnija topologija u području prekidačkih proizvoda za napajanje s mrežnog napona AC na niskonaponski DC. Glavni razlog za to je jedinstvena isplativost pružanja više izlaznih napona jednostavnim dodavanjem dodatnih namota na sekundar transformatora.
Tipično, povratne informacije dolaze iz izlaza s najstrožim zahtjevima tolerancije izlaza. Ovaj izlaz zatim definira zavoje po voltu za sve druge sekundarne namotaje. Zbog učinaka induktiviteta curenja, izlazi ne mogu uvijek postići željenu unakrsnu regulaciju izlaznog napona, posebno ako je dati izlaz neopterećen ili vrlo malo opterećen jer su drugi izlazi potpuno opterećeni.
Postregulator ili lažno opterećenje mogu se koristiti za sprječavanje porasta napona na izlazu pod takvim uvjetima. Međutim, zbog povećanih troškova i smanjene učinkovitosti post-regulatora ili lažnih opterećenja, oni nisu bili dovoljno atraktivni, posebno posljednjih godina za potrošnju ulazne energije bez opterećenja i/ili u stanju pripravnosti u mnogim potrošačkim aplikacijama. U uvjetima sve strožih regulatornih zahtjeva, ovaj se dizajn počeo zanemarivati. Aktivni shunt regulator prikazan na slici 3 ne samo da rješava problem regulacije napona, već i smanjuje trošak i utjecaj na učinkovitost.
Krug radi na sljedeći način: kada su oba izlaza u regulaciji, razdjelnik otpornika R14 i R13 prednaponski tranzistor Q5, koji drži Q4 i Q1 isključenima. Pod ovim radnim uvjetima, struja kroz Q5 djeluje kao malo predopterećenje na izlazu od 5 V.
Standardna razlika između izlaza od 5 V i izlaza od 3,3 V je 1,7 V. Kada opterećenje zahtijeva dodatnu struju iz izlaza od 3,3 V bez jednakog povećanja struje opterećenja od izlaza od 5 V, izlazni napon će se povećati u usporedbi s izlazom od 3,3 V. S razlikom napona većom od približno 100 mV, Q5 će se isključiti, uključiti Q4 i Q1 i dopustiti struji da teče od izlaza od 5 V do izlaza od 3,3 V. Ova struja će smanjiti napon na izlazu od 5 V, smanjujući razliku napona između dva izlaza.
Količina struje u Q1 određena je razlikom u naponu na dva izlaza. Stoga krug može održavati oba izlaza reguliranima bez obzira na njihovo opterećenje, čak i u najgorem slučaju gdje je izlaz od 3,3 V potpuno opterećen, a izlaz od 5 V neopterećen. Q5 i Q4 u dizajnu osiguravaju temperaturnu kompenzaciju budući da se promjene temperature VBE u svakom tranzistoru međusobno poništavaju. Diode D8 i D9 nisu potrebne, ali se mogu koristiti za smanjenje rasipanja snage u Q1, eliminirajući potrebu za dodavanjem hladnjaka u dizajn.
Krug reagira samo na relativnu razliku između dva napona i uglavnom je neaktivan u uvjetima punog i malog opterećenja. Budući da je shunt regulator spojen s izlaza od 5 V na izlaz od 3,3 V, krug može smanjiti aktivno rasipanje za 66 posto u usporedbi s uzemljenim shunt regulatorom. Rezultat je visoka učinkovitost pri punom opterećenju i niska potrošnja energije od malog opterećenja do praznog hoda.
04 Preklopno napajanje visokog napona pomoću StackFET-a
Industrijska oprema koja radi na trofaznu izmjeničnu struju često zahtijeva pomoćni stupanj napajanja koji može osigurati regulirani niskonaponski DC za analogne i digitalne krugove. Primjeri takvih primjena uključuju industrijske pogone, UPS sustave i mjerače energije.
Specifikacije za ovu vrstu napajanja puno su strože od onih potrebnih za standardne sklopke. Ne samo da su ulazni naponi viši u ovim primjenama, nego oprema dizajnirana za trofazne primjene u industrijskim okruženjima također mora tolerirati vrlo široke fluktuacije—uključujući produljena vremena pada, strujne udare i povremeni gubitak jedne ili više faza. Također, navedeni raspon ulaznog napona za ove pomoćne izvore može biti širok od 57 VAC do 580 VAC.
Projektiranje takvog sklopnog napajanja širokog raspona može biti izazov, uglavnom zbog visoke cijene visokonaponskih MOSFET-ova i ograničenja dinamičkog raspona tradicionalnih PWM kontrolnih petlji. Tehnologija StackFET omogućuje kombinaciju jeftinih niskonaponskih MOSFET-a od 600 V i integriranih kontrolera napajanja tvrtke Power Integrations, omogućujući jednostavan i jeftin dizajn prekidačkih izvora napajanja koji mogu raditi u širokom rasponu ulaznog napona.
Krug radi na sljedeći način: struja na ulazu u krug može dolaziti iz trofaznog trožilnog ili četverožilnog sustava, ili čak iz jednofaznog sustava. Trofazni ispravljač sastoji se od dioda D1-D8. Otpornici R1-R4 osiguravaju ograničenje udarne struje. Ako se koriste topljivi otpornici, ti se otpornici mogu sigurno isključiti tijekom kvara bez potrebe za posebnim osiguračem. Pi filter sastoji se od C5, C6, C7, C8 i L1 za filtriranje ispravljenog istosmjernog napona.
Otpornici R13 i R15 koriste se za uravnoteženje napona između kondenzatora ulaznog filtera. Kada se MOSFET unutar integrirane sklopke (U1) uključi, izvor Q1 će biti nisko, R6, R7 i R8 će dati struju vrata, a kapacitet spoja od VR1 do VR3 će uključiti Q1. Zener dioda VR4 koristi se za ograničavanje napona gejt-izvor primijenjenog na Q1. Kada je MOSFET u U1 isključen, maksimalni napon odvoda U1 stegnut je steznom mrežom od 450 V koja se sastoji od VR1, VR2 i VR3. Ovo ograničava odvodni napon U1 na približno 450 V.
Svaki dodatni napon na kraju namota spojenog na Q1 primijenit će se na Q1. Ovaj dizajn učinkovito distribuira ukupni ispravljeni ulazni istosmjerni napon i povratni napon između Q1 i U1. Otpornik R9 koristi se za ograničavanje visokofrekventnih oscilacija tijekom prebacivanja, a mreža stezaljki VR5, D9 i R10 koristi se za ograničavanje vršnog napona na primaru zbog induktiviteta curenja tijekom intervala povratnog povrata.
Ispravljanje izlaza osigurava D1. C2 je izlazni filtar. L2 i C3 tvore sekundarni filtar za smanjenje valovitosti sklopke na izlazu.
VR6 se uključuje kada izlazni napon premaši ukupni pad napona na diodi optokaplera i VR6. Promjena izlaznog napona uzrokuje promjenu protoka struje kroz diodu optokaplera u U2, što zauzvrat mijenja protok struje kroz tranzistor u U2B. Kada ova struja prijeđe struju praga pina FB od U1, sljedeći ciklus je inhibiran. Regulacija izlaza može se postići kontrolom broja ciklusa uključivanja i isključivanja. Nakon što se sklopni ciklus uključi, ciklus završava kada struja poraste do unutarnjeg ograničenja struje U1. R11 se koristi za ograničavanje struje kroz optički sprežnik tijekom prijelaznih opterećenja i za podešavanje pojačanja povratne sprege. Otpornik R12 koristi se za prednapon Zener diode VR6.
IC U1 (LNK 304) ima ugrađene funkcije tako da je sklop zaštićen od gubitka povratnog signala, kratkog spoja na izlazu i preopterećenja. Budući da se U1 napaja izravno sa svog DRAIN pina, nije potrebno dodatno prednamatanje na transformatoru. C4 se koristi za osiguravanje unutarnjeg odvajanja napajanja.
05 Dobar izbor ispravljačkih dioda može pojednostaviti i smanjiti troškove EMI filterskih krugova u AC/DC pretvaračima
Ovaj sklop može pojednostaviti i smanjiti troškove EMI filterskih krugova u AC/DC pretvaračima. Da bi AC/DC napajanje bilo usklađeno s EMI-jem, potrebna je upotreba velikog broja komponenti EMI filtera kao što su X i Y kondenzatori. Standardni ulazni krugovi za AC/DC izvore napajanja uključuju premosni ispravljač za ispravljanje ulaznog napona (obično 50-60 Hz). Budući da je ovo AC ulazni napon niske frekvencije, mogu se koristiti standardne diode kao što je serija dioda 1N400X, također zato što su najjeftinije.
Ovi filtarski uređaji koriste se za smanjenje EMI-ja koje stvara napajanje kako bi bili u skladu s objavljenim EMI ograničenjima. Međutim, budući da mjerenja koja se koriste za snimanje EMI-ja počinju samo na 150 kHz, a frekvencija AC mrežnog napona je samo 50 ili 60 Hz, obrnuto vrijeme oporavka standardnih dioda (vidi sliku 5-1) koje se koriste u mosnim ispravljačima je relativno sporo. dug i obično nije izravno povezan s stvaranjem EMI-ja.
Međutim, krugovi ulaznog filtera u prošlosti ponekad su uključivali kondenzatore paralelne s mosnim ispravljačem kako bi se potisnuli svi visokofrekventni valni oblici uzrokovani ispravljanjem niskofrekventnog ulaznog napona.
Ovi kondenzatori nisu potrebni ako se diode za brzi oporavak koriste u mosnom ispravljaču. Kada se napon na tim diodama počne obrnuti, one se vrlo brzo oporavljaju (pogledajte sliku 5-2). Ovo smanjuje induktivnu pobudu lutajućeg voda u AC ulaznom vodu smanjenjem kasnijih visokofrekventnih prekida i EMI. Budući da 2 diode mogu provoditi svaki poluciklus, samo 2 od 4 diode moraju biti vrste za brzi oporavak. Isto tako, samo jedna od dvije diode koje provode svaki poluciklus mora imati karakteristiku brzog oporavka.
Valni oblici ulaznog napona i struje pokazuju pucanje diode na kraju povratnog oporavka.
06 Koristite Soft-Start za onemogućavanje jeftinih izlaza za zadržavanje strujnih skokova
Kako bi zadovoljili stroge specifikacije napajanja u stanju pripravnosti, neki izvori napajanja s višestrukim izlazom dizajnirani su za isključivanje izlaza kada je signal stanja pripravnosti aktivan.
Obično se to postiže isključivanjem serijskog premosnog bipolarnog tranzistora (BJT) ili MOSFET-a. Za niske strujne izlaze, BJT mogu biti prikladna i jeftinija alternativa MOSFET-ovima ako je energetski transformator dizajniran imajući na umu dodatni pad napona na tranzistorima.
