Эффективные, надежные решения источников питания для промышленного и потребительского использования

Более десяти лет назад Power Integrations запустила линейку продуктов LinkSwitch ™ -TN IC, которая оказалась весьма успешной. Теперь компания представила LinkSwitch-TN2 - новое поколение семейства устройств с улучшенными эффективностью, регулированием напряжения и дополнительными функции безопасности, тем самым расширяя сферу применения неизолированных источников питания.

LinkSwitch-TN зарекомендовал себя в качестве необычайно успешного импульсного конвертора переменного-постоянного тока. Разработчикам удалось совместить такие качества, как надежность, эффективность, гибкость, компактность и простота. Однако современные микроконтроллеры и дисплеи требуют еще более точного регулирования напряжения питания, а также в последнее время произошли значительные изменения в законодательстве, регулирующем производство промышленных и потребительских продуктов, которое теперь устанавливает строгие требования к низкой резервной мощности с целью повышения общей эффективности. Специалисты Power Integrations долго изучали требования развивающегося рынка, и в результате представили семейство коммутаторов ACS-DC LinkSwitch-TN2. Эти устройства имеют широкий диапазон входного напряжения от 85 В до 265 В переменного тока, четыре характеристики выходного тока 80 мА, 170 мА, 270 мА и 360 мА, обеспечивают регулирование выходного напряжения +/- 3%, обладают высокой степенью эффективности свыше 80% по широкому диапазону значений силы тока и содержат расширенный функционал защиты, включая защиту от перенапряжения (на входе), защиту от перенапряжения на выходе, отключение в случае перегрева и защиту от короткого замыкания.

 

Технические характеристики

LinkSwitch-TN2 изготовлен с использованием запатентованного процесса производства кристалла микросхемы BCDMOS, который сочетает в себе высоковольтный МОП-транзисторный переключатель с контроллером коммутации низкой мощности, способный поддерживать ряд топологий, включая повышающие и понижающие преобразователи напряжения, повышающе-понижающий модуль и обратноходовую. МОП-транзистор рассчитан на напряжение 725 В, чтобы выдерживать скачки напряжения на входе, снижая необходимость в использовании схем внешней защиты. На Рисунке 1 изображена функциональная блок-схема устройства LinkSwitch-TN2. Она может быть использована для иллюстрации основных функций этого устройства и его режимов работы.

Помимо силового МОП-транзистора устройство состоит из генератора частоты колебаний, схем обратной связи (чувствительная и логическая), регулятора напряжения 5,0 В, байпасной схемы минимального напряжения (BP/M), защиты от перегрева, защиты от перенапряжения линии и выхода, частотного джиттера, защитной цепи, ограничивающей предельные значения тока, запирающего устройства и дополнительной схемы для автоматического перезапуска. Важнейшей частью для работы устройства является генератор колебаний с частотой 66 кГц (номинальная частота), который позволяет использовать стандартные недорогие индукторы. Он генерирует два внутренних сигнала: максимальный сигнал рабочего цикла и тайминги, используемые для указания времени начала каждого цикла. Частотный джиттер применяется к счетчику таймингов, обычно при 4 кГц от пика до пика для минимизации электромагнитных помех, тем самым позволяя использовать недорогие двухсторонние печатные платы. Частота модуляции для джиттера частоты составляет 1 кГц.

Рисунок 1. Диаграмма блока LinkSwitch-TN2

При нормальном функционировании переключение МОП-транзистора контролируется при помощи выхода FEEDBACK (FB). Переключение будет прекращено в том случае, если на этот выход будет подан ток более 49 мкА, в результате чего внутренний узел обратной связи переходит в состояние покоя. Этот сигнал отбирается в начале каждого цикла по нарастающему фронту тактового сигнала. Если его значение является высоким, силовой МОП-транзистор переходит в состояние "включен" для этого цикла, в противном случае силовой МОП-транзистор остается в состоянии "выключен". Дискретизация выполняется только в начале каждого цикла, и изменения параметров тока в контакте FEEDBACK в течение оставшейся части этого цикла не влияют на состояние МОП-транзистора на протяжении этого цикла. Если на этот выход подается ток свыше 670 мкА в течение двух последовательных циклов переключения, система определяет состояние неисправности, устройство прекращает процесс переключения и переходит в состояние автоматического перезапуска. Эта функция может использоваться для контроля напряжения питающей, когда устройство используется в конфигурации Flyback (обратноходового преобразования) и обеспечивает защиту от перенапряжения на линии. На Рисунке 2 показан один из возможных вариантов реализации схемы.

Рисунок 2. Определение перенапряжения в линии с помощью FB-выхода

В дополнение к обнаружению неисправности, связанной с превышением допустимой величины тока, поступающего на выход FEEDBACK, автоматический перезапуск может быть инициирован в том случае, когда обнаруживаются различные неисправности, такие как перенапряжение, перегрузка на выходе, короткое замыкание или состояние разомкнутого контура. Во время автоматического перезапуска внутренний счетчик, синхронизированный с генератором колебаний, сбрасывается каждый раз, когда выход FEEDBACK подается напряжение превышающее максимально допустимое. Если напряжение вывода обратной связи находится в пределах допустимых значений на протяжении 50 мс, процесс переключения силового МОП-транзистора отключается на время, необходимое на выполнение автоматического перезапуска. Если ошибка возникла впервые, время отключения составит 150 мс. Если неисправность возникает снова, время выключения увеличивается до 1500 мс. Автоматический перезапуск поочередно включает и отключает процесс переключения силового МОП-резистора до тех пор, пока не будет устранено условие неисправности.

Срабатывание защиты от перенапряжения на выходе (OVP) происходит путем подачи тока свыше 6 мА на выход BYPASS. Конденсатор выхода BYPASS образует фильтр нижних частот, обеспечивающий помехоустойчивость при случайном запуске. Во время состояния неисправности, возникающего в результате потери обратной связи, напряжение на выходе будет быстро расти, превысив его номинальное значение. Если напряжение на выходе превысит суммарное номинальное напряжения стабилитрона, подключенного между выходом схемы и соединительным элементом BYPASS, а также байпасное напряжение, на выход BYPASS будет подан ток 6 мА, что приведет к срабатыванию защиты от перенапряжения и автоматическому перезапуску системы. На Рисунке 3 показана типичная конфигурация неизолированного понижающего преобразователя. Выходное напряжение регламентируется резисторным делителем потенциалов обратной связи R1 и R2 и обнаружением перенапряжения на выходе, которое обеспечивается элементами D4 и R3.

Рисунок 3. Неизолированный непрерывный понижающий преобразователь на выходе (12В, 120мА).

Микросхема измеряет ток через силовой МОП-транзистор. Когда параметры тока превышают установленные пороговые значения (в зависимости от выбранного устройства), силовой МОП-транзистор отключается на оставшуюся часть цикла. Схема гашения сигнала на передней части блокирует работу ограничителя тока в течение короткого интервала времени после включения силового МОП-транзистора так, чтобы токовый всплеск, вызванный емкостным сопротивлением и высокой скоростью восстановления обратного диода, не приводил к преждевременному прекращению цикла переключения. Конденсатор C3, подключенный между контактом SOURCE (S) и выходом BYPASS, используется для установки верхнего и нижнего ограничений по силе тока для выбранного устройства (0.1мкФ для нормального и 1мкФ для сниженного ограничения по силе тока).

Замеры температуры кристалла производятся строенным датчиком, а отключение в связи с повышением температуры инициируется тогда, когда температура кристалла превышает пороговое значение в 142 °C. Силовой МОП-транзистор отключается, и к логике управления применяется гистерезис 75 °C. Поэтому процесс переключения не будет снова инициирован до тех пор, пока температура кристалла не упадет ниже 67 °C.

Микросхемы LinkSwitch-TN2 используют простой способ управления включением/отключением системы для регулировки значения выходного напряжения. Решение переключаться или не переключаться принимается от цикла к циклу, обеспечивая превосходный переходный отклик и устраняя необходимость в компенсирующих сетях внешнего контура управления. В начале каждого цикла выполняется измерение параметров выхода FEEDBACK, если параметр IFB не превышает значение 49 мкА, инициируется следующий цикл. Если значение IFB превышает 49 мкА, следующий цикл будет пропущен. Таким образом, чем ниже значение выходной нагрузки, тем большее количество циклов будет пропущено. Если нагрузка увеличится, соответственно будет пропущено меньшее количество циклов. Чтобы обеспечить защиту от перегрузки, если в течение периода 50 мкс пропущенных циклов не было, LinkSwitch-TN2 будет выполнять автоматический перезапуск, ограничивая среднюю выходную мощность примерно до 3% от максимальной мощности перегрузки. Из-за ошибок отслеживания между напряжением на выходе и напряжением на C3 при малой нагрузке или без нагрузки может потребоваться небольшая предварительная нагрузка (R4). В Таблице 1 представлены методы циклического управления для двух ситуаций: во время нормальной работы и в режиме автоматического перезапуска.

Таблица 1. Схема управления включения/отключения устройства LinkSwitch TN2

Для максимальной эффективности следует использовать LinkSwitch-TN2 в режиме прерывистой проводимости (MDCM) вместо режима непрерывной проводимости (CCM). В Таблице 2 объяснена разница между двумя режимами работы и конструктивными особенностями, связанными с каждым из режимов работы.

Таблица 2. Сравнение двух режимов функционирования: CCM и MDCM

Фраза «в основном прерывистая» использована потому, что несколько циклов переключения могут проводить непрерывный ток индуктора, однако большая часть циклов переключения будет находиться в режиме прерывистой проводимости. В конструктивном исполнении может быть предусмотрена только прерывистая проводимость, однако это может ограничить максимальный выходной ток и увеличить стоимость изделия. Кроме того между CCM и MDCM существуют следующие отличия: лучший переходный отклик у DCM и меньшие пульсации выходного напряжения (при одинаковом параметре ESR выходного конденсатора), чем у CCM. Однако эти различия при низких уровнях выходного тока LinkSwitch-TN2, как правило, не оказывают существенного влияния. Обычно MDCM является более предпочтительным вариантом, поскольку он обеспечивает максимальную эффективность и минимизацию себестоимости конечного продукта. Однако CCM может использоваться тогда, когда главной задачей разработчика является максимальное значение тока на выходе.

LinkSwitch-TN2 может использоваться во всех распространенных топологиях с оптроном, без оптрона, с опорным напряжением или без него. В Таблице 3 приведен краткий обзор этих конфигураций и их основного функционала. Для получения дополнительной информации смотрите Руководство по применению - LinkSwitch-TN2 Design Guide.

Таблица 3. Общие топологии схем, в которых используется LinkSwitch-TN2

Анализ конструктивного исполнения

Схема, изображенная на Рисунке 3, позволяет проанализировать основные конструктивные идеи, используемые для понижающего источника питания LinkSwitch-TN2. Устройство автоматически запускается с выхода DRAIN (D), питание микросхемы обеспечиваемым небольшим конденсатором C3 на 100 нФ, подключенным к выходу BYPASS (BP/M) при подаче переменного тока. В процессе нормального функционирования устройство питается от выхода через резистор ограничения тока R3. В этом примере микросхема LNK3204D используется в качестве понижающего преобразователя. Источник питания рассчитан на работу MDCM с максимальным током индуктивности L1, установленным внутренним ограничением тока устройства LNK3204D. Время включения для каждого цикла переключения определяется значением индуктивности L3, пределом тока LinkSwitch-TN2 и напряжением шины на конденсаторе C2. Регулирование выходного сигнала осуществляется путем пропуска циклов переключения в зависимости от уровня обратной связи включения/выключения, подаваемого на выход FEEDBACK (FB). Этот способ значительно отличается от традиционных ШИМ-регуляторов, которые контролируют время включения (рабочий цикл) цикла переключения. В состоянии "включено" сила тока в L2 увеличивается и одновременно передается на нагрузку. В состоянии "выключено" ток индуктора понижаясь течет через диод D3 к конденсатору C5 и передается на нагрузку. Диод D3 должен являться сверхбыстрым диодом (рекомендуемое время прямого восстановления от 35 нс). Конденсатор C5 следует выбрать так, чтобы он соответствовал номинальному току пульсации (низкая величина активных потерь). Эффективность данного варианта конструкции, как правило, свыше 80% в большинстве диапазонов нагрузки преобразователей. Смотрите Рисунок 4.

Рисунок 4. Взаимосвязь между эффективностью и нагрузкой на выходе в условиях комнатной температуры.

Напряжение на L2 выпрямляется и сглаживается D4 и С4 во время выключения U1. При первом прохождении сигнала наблюдается идентичное падение прямого напряжения на D3 и D4. Следовательно, напряжение на С3 соответствует напряжению на выходе. Для получения сигнала обратной связи, напряжение на С3 распределяется между R1 и R2 и поступает на FB-выход U1. Значения R1 и R2 выбираются такими, чтобы при номинальном выходном напряжении, напряжение на FB-выходе составило 2 В. Это позволяет этой простой реализации обратной связи соответствовать требованиям общего допуска на выходе ± 3% при номинальном выходном токе. На Рисунке 5 показана зависимость напряжения на выходе от нагрузки.

Рисунок 5. Взаимосвязь между выходными параметрами напряжения и силы тока при комнатной температуре.

С целью улучшения технологичности семейство LinkSwitch-TN2 представлено в нескольких конструктивных вариантах: 8-контактный DIP, 8-контактный SMD и 8-контактный SO, SO - наиболее компактный вариант с 1-м уровнем чувствительности к влажности (может подвергаться воздействию окружающей среды при комнатных условиях: температура - 30 °C, относительная влажность воздуха - 85%).

Заключение

Микросхемы LinkSwitch-TN2 соответствуют требованиям к энергоэффективности при характеристиках потребления мощности холостого хода ниже 30 мВт в топологии понижающего преобразователя основной цепи и менее 10 мВт в топологии обратноходового преобразователя с внешним смещением. Устройства могут быть использованы в измерительной технике, системах автоматизации жилых домов и офисных зданий, для выполнения промышленного контроля, в бытовой технике и светодиодном освещении, - везде, где интегральные микросхемы LinkSwitch-TN2 могут заменить простые, неэффективные, ненадежные схемы питания в качестве надежной высокоэффективной альтернативы, которая благодаря встроенной функции регулирования напряжения не требует пост-регулирования. Конструкции, в состав которых входит LinkSwitch-TN2, отличаются повышенной надежностью, улучшенной производительностью, более высокой эффективностью и низкой стоимостью даже в сравнении с емкостными источниками питания, для которых требуются крупногабаритные и дорогостоящие X-конденсаторы.

Каждый производитель стремится повысить надежность своей продукции и снизить их конечную стоимость. Элементы питания - это та сфера, в которой значительных улучшений можно достичь только путем внедрения новейших технологий. Компания Power Integrations длительное время ведет разработки в области высоковольтных силовых полупроводниковых устройств и создала ряд высоконадежных преобразователей постоянного тока. С целью обеспечения максимальной надежности и качества продукции, все компоненты LinkSwitch-TN2 проходят высоковольтный стресс-тест.

Автор:

Сильвестро Фимиани, старший менеджер по маркетингу продукции в компании Power Integrations.

Статья Power Integrations. Перевод Макро Групп. Ссылка на оригинал статьи.