Простое обратноходовое преобразование - технология преобразования FluxLink от компании Power Integrations

Перед производителями "умных" мобильных устройств, телевизионных приставок, сетевого оборудования и компьютерной периферии стоит задача в разработке недорогих, эффективных адаптеров и зарядных устройств, которые соответствуют все более высоким требованиям правил энергопотребления. С целью упрощения конструкции и снижения финансовых затрат, как правило, предпочтение отдают обратноходовым преобразователям, использующим методы регулирования первичной стороны (PSR). Однако вторичное регулирование (SSR) обеспечивает более точное управление и является менее чувствительным к производственным допускам при изготовлении трансформаторов и прочих внешних компонентов. До недавнего времени инженерам приходилось решать извечную дилемму выбора между невысокой себестоимостью и достаточной производительностью.

В последнее время используется новый подход, сочетающий в себе простоту методов регулировки первичной стороны и преимущества управления вторичной стороны. Многие конструктивные исполнения на основе PSR успешно применяют прежде всего в тех системах, где функционал данных устройств является достаточным для регулирования выходного напряжения и тока в условиях переходной нагрузки. Однако главная проблема всех PSR-решений заключается в том, что они позволяют увидеть только то, что происходит на выходе после переключения транзистора первичной стороны. Как правило, при каждом переключении транзисторов вы получаете представление об условиях выходной нагрузки источника питания. Однако в связи с высокими требованиями к энергоэффективности необходимо, чтобы частота переключения снижалась при малых нагрузках. Соответственно, данные о выходной нагрузке будут предоставляться реже, что, по сути, снижает способность реагирования источника питания на быстрые переходные нагрузки. Таким образом, система всегда будет оперировать не самыми актуальными данными, что сопряжено с различными рисками в процессе функционирования и в параметрах PSR-решений. Еще один недостаток PSR-контроллеров - вывод информации о происходящем на выходе источника питания по форме сигнала на первичной обмотке трансформатора вместо предоставления значений выходного напряжения и тока, полученных в результате прямых замеров этих величин. Из этого следует, что на этапах проектирования и запуска в массовое производство необходимо также учитывать производственные допуски на трансформаторы, а также схемы фиксации первичного уровня. Трансформаторы оказывают существенное влияние на производственные допуски, усложняют управление крупносерийным производством PSR-решений, и в конечном счете влияют на экономическую эффективность при снижении объемов производства. Поэтому, учитывая известные проблемы PSR-решений, актуальным является вопрос: каковы существуют варианты традиционного регулирования вторичной стороны? Для SSR требуется изолированный механизм обратной связи, которым чаще всего является оптрон.

Разумеется, в связи с этим возрастет сложность конструкции схемы, а также ее себестоимость. На рынке представлены оптроны высокого класса, однако они, как правило, являются довольно дорогими. Более дешевые оптроны, используемые в большинстве зарядных устройств с целью снижения конечной стоимости продукта, приходят в негодность в результате старения, перепадов температур и изменения коэффициента усиления тока, в связи с чем в некоторых случаях ухудшаются такие важные показатели, как стабильность и даже надежность.

Второй подход заключается в использовании методов емкостного соединения. Конденсаторы сами по себе недороги, однако их сложно интегрировать в систему. Высоковольтная емкостная связь на одной матрице является дорогостоящей в реализации, особенно когда необходимо выполнить типичную изоляцию высокого напряжения 6 кВ для тестирования источников питания переменного/постоянного тока. Но, возможно, самая серьезная проблема использования емкостной обратной связи заключается в подавлении импульсов ESD-системы. В большинстве современных устройств для массового потребления такие импульсы могут превышать значение в +/- 15 кВ непосредственно на выходе источника питания, в связи с чем возникают емкостные токи через изолирующий барьер, способные повредить управляющую схему. Кроме того, эффекты синфазного режима из-за колебаний напряжения могут вызывать проблемы, для решения которых потребуются дополнительные схемы и связанные с их внедрением затраты на разработку и производство.

Третий подход, используемый для реализации SSR-источника питания, заключается в использовании импульсного трансформатора. Магнитное соединение широко используется в высокопроизводительных коммуникационных системах, однако до недавнего времени являлось чрезмерное дорогостоящим для его реализации в дешевых зарядных устройствах и адаптерах. Лидер по производству интегральных схем компания Power Integrations длительное время изучала описанную проблему и сегодня предлагает новое семейство высокоинтегрированных микросхем переключателей InnoSwitch ™ с новой функцией цифровой магнитной связи FluxLink ™ в виде относительно недорогой интегральной схемы. Фактически, магнитная связь между первичной и вторичной сторонами создается без использования магнитных сердечников с высокой проницаемостью. Применяются только стандартные материалы, используемые для изготовления интегральных схем (Рисунок 1).

Полностью интегрированная гальваническая изоляция превосходит по характеристикам большинство оптопарных решений, соответствует UL, TÜV и всем прочим глобальным стандартам безопасности, в то время как кратчайшее расстояние между двумя выводами в 9,5 мм достигается с помощью специально разработанного корпуса для поверхностного монтажа. Кроме того, запаянная на печатную плату микросхема InnoSwitch занимает область, которая обычно резервируется для реализации первичной-вторичной изоляции, поэтому она не будет мешать монтажу прочих компонентов. Фактически, устройство и соединительный элемент сконструированы так, чтобы обеспечить его наиболее удобное размещение непосредственно под силовым трансформатором. В связи с этим значительно упрощается процесс проектирования печатной платы и снижаются затраты на ее производство.

Данный вариант конструктивного исполнения позволяет напрямую определять выходное напряжение источника питания с использованием резисторного делителя, а схема определения силы тока полностью интегрирована в само устройство, благодаря чему отпадает необходимость в использовании внешней схемы датчика тока. Контролю по вторичной цепи также характерны несколько других преимуществ. В первую очередь отпадает необходимость в использовании оптрона, который зачастую демонстрирует свою ненадежность. Также оно позволяет использовать простой трансформатор, поскольку схема не будет чувствительна к местоположению обмотки смещения или допускам индуктивности трансформатора. Джиттер частоты переключения эффективно распределяет спектр электромагнитных помех, позволяя создавать устройства с использованием только стандартных вторичных обмоток первичной и тройной изоляции (TIW) без необходимости применения медных экранов (см. Рисунок 2).

Но, пожалуй, самым важным преимуществом интегральных микросхем InnoSwitch является обеспечение простого и надежного синхронного выпрямления, позволяющей добиться высокой эффективности без обычно ожидаемого повышения себестоимости. Синхронное выпрямление (SR) повышает эффективность за счет выпрямительных диодов с высокими на МОП-транзисторы на выходе источника питания. Падение напряжения в стандартном диоде обычно составляет от 0,7 до 1,7 В, однако даже для высокоэффективных диодов Шоттки характерно падение напряжения от 0,4 до 0,5 В. В системе с напряжением 5 В, например, USB зарядное устройство, потери на выходном каскаде в данном случае составят до 10%. В отличие от диодов, МОП-транзисторы имеют сопротивление до 10 мОм. Поэтому в типичной конструкции зарядного устройства падение напряжения составит всего 50 мВ (1% от общего напряжения), то есть в 10 раз меньше, чем в случае использования диода Шоттки. Новейшие силовые SR МОП-транзисторы на 20-40% дешевле, чем диоды Шоттки, поэтому SR является лучшим вариантом для источников питания с обратной связью по вторичной цепи.

Тем не менее, разработчикам обратноходовых преобразователей с SR известно, что временная задержка является ключевым параметром. Одновременная открытые первичный транзистор и SR FET может стать причиной короткого замыкания на обмотке первичного трансформатора, в связи с чем первичный транзистор может быть поврежден. С другой стороны, задержка включения на SR FET при отключенном первичном транзисторе приводит к снижению эффективности . В традиционных SR-решениях потребность в отдельном контроллере вторичной стороны для управления SR FET также приводит к увеличению сложности и стоимости схемы, поэтому SR ранее считался слишком дорогостоящим элементом. Однако теперь дела обстоят иначе.

С интегральными микросхемами InnoSwitch элемент FluxLink вводит точную циклическую последовательность, контролирующую как первичный транзистор, так и вторичную синхронизацию SR FET. Впервые пользователям стало доступно безупречное решение SR, в котором вся логика функционирования находится в рамках единой интегральной схемы, устраняющее необходимость в решении проблем, связанных с независимой работой отдельных первичных и вторичных контроллеров, обычно требуемых в SR-решениях с источниками питания с оптопарой SSR или PSR. Кроме того, мгновенная связь, предоставляемая технологией FluxLink, позволяет вторичному контроллеру определять оптимальное время включения и выключения SR FET во всем диапазоне нагрузок, независимо от режима функционирования источника питания (прерывистый, непрерывный или даже в условиях сбоя работы). Благодаря данной оптимизированной функции SR схемы Innoswitch полностью соответствуют всем даже самым строжайшим стандартам эффективности, таким как Калифорнийская энергетическая комиссия, Энергетического кодекса ЕС 2-го уровня и DoE6.

Дополнительное преимущество мгновенной связи FluxLink - чрезвычайно быстрый временной отклик. Как видно на Рисунке 3, если на выходе происходит некоторое событие, первичная сторона будет принимать сигнал включения в течение одного периода цикла переключения (<10 мкс), фактически устраняя отрицательное напряжение на выходе, даже при 0-100% изменения в нагрузке. Это позволяет уменьшить габариты выходного конденсатора в сравнении с PSR-решениями, в которых в связи с медленным откликом на переходные процессы обычно требуются крупногабаритные конденсаторы для удовлетворения требований, предъявляемых к переходным процессам.

Микросхемы питания InnoSwitch содержат высоковольтные силовые МОП-транзисторы, контроллеры первичной и вторичной сторон, линию обратной связи FluxLink и интегрированный синхронный контроллер выпрямителя (SR) в едином защищенном 16-контактном eSOP ™ корпусе для поверхностного монтажа. Устройства характеризуются возможностью обеспечения высокоточного контроля CV и CC (+/- 3% и +/- 5% соответственно) и низкими показателями пульсации. Эксплуатационная эффективность, как правило, превышает значение 84% при характеристиках выходного тока 5 В и 10 Вт при полной нагрузке (до 88% в системах с более высоким значением выходного напряжения), даже выше в условиях средней нагрузки, а в случае отсутствия нагрузки - потребление ниже 10 мВт. Запуск микросхем InnoSwitch выполняется с использованием тока смещения, создаваемого источником высоковольтного тока, подключенного к выходу DRAIN. Тем самым исчезает необходимость во внешних компонентах запуска. Внешняя обмотка смещения позволяет снизить нагрузку и увеличить эффективность системы во время нормального функционирования.

Микросхемы также включают в себя комплекс мер безопасности на уровне системы, в который входят: защита от перенапряжения на выходе, ограничение мощности перегрузки, гистерезисная тепловая защита и джиттер частоты для уменьшения электромагнитных помех. Как показано на Рисунке 4, для реализации типичного зарядного устройства для мобильного гаджета с параметрами тока 2,5 А, 5 В достаточно включения всего лишь 30 компонентов, что примерно на 33% меньше, чем в эквивалентных по производительности решениях. А поскольку габариты мобильных устройств постоянно увеличиваются, в будущем для быстрой зарядки будут использоваться зарядные устройства с более высокими значениями выходного тока. Если раньше идея создания зарядных устройств с характеристиками 5 В/4 А вызывала удивление, теперь такие адаптеры уже можно найти на рынке. Микросхемы InnoSwitch обеспечивают высокоэффективные конструктивные исполнения зарядных устройств мощностью до 25 Вт с низкой себестоимостью, совместимые с технологиями быстрой зарядки, полностью удовлетворяющие требованиям к средствам эффективной реализации устройств резервного питания с обратной связью.

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