Utilizați circuite integrate de comutare avansate pentru a implementa surse de alimentare c.a./c.c. eficiente, cu numeroase caracteristici și cu consum redus de energie

Sursele de alimentare c.a./c.c. cu consum redus de energie, de aproximativ 10 W sau mai puțin, sunt utilizate pe scară largă în variatoare, comutatoare, senzori, aparate, aplicațiile din Internetul lucrurilor (IoT) și comenzi industriale. Ciclul lor de funcționare este relativ scăzut, sarcina lor fiind mult timp în modul standby, însă sursa trebuie să se „trezească” rapid atunci când dispozitivul este activat.

Proiectarea unor astfel de surse este ușoară din punct de vedere conceptual: începeți cu câteva diode pentru redresarea liniei, adăugați un circuit integrat de control, puneți condensatoare de filtrare la ieșire, introduceți un transformator dacă este nevoie de izolare, iar lucrarea este gata. Cu toate acestea, în ciuda simplității aparente, realitatea creării acestor surse diferă foarte mult.

Acestea trebuie să asigure funcția de bază de furnizare a unei linii de ieșire c.c. stabilă și să îndeplinească mai multe mandate de reglementare stricte privind siguranța utilizatorului, eficiența sub sarcină și eficiența în standby. În plus, proiectanții trebuie să ia în considerare aspecte legate de configurarea fizică, componentele de suport, fiabilitate, evaluarea performanței, certificare și capsulare, în timp ce încearcă să minimizeze amprenta și costurile, respectând în același timp ciclurile scurte de lansare pe piață.

Acest articol prezintă o familie de circuite integrate de controler cu comutare offline, cu grad ridicat de integrare, de la Power Integrations, și arată cum poate fi utilizată pentru a răspunde acestor provocări.

MOSFET și CI de controler integrate

Familia LinkSwitch-TNZ de opt circuite integrate distincte de controler cu comutare offline de la Power Integrations combină un comutator MOSFET de putere de 725 V cu un controler al sursei de alimentare într-un singur dispozitiv găzduit într-o capsulă SO-8C. Fiecare circuit integrat monolitic oferă o capacitate excelentă de rezistență la supratensiune, un oscilator, o sursă de curent comutat de înaltă tensiune pentru auto-polarizare, oscilații de frecvență, o limită de curent rapidă (ciclu cu ciclu), închidere termică histeretică și circuite de protecție la supratensiune la ieșire și intrare.

Dispozitivele pot forma nucleul unui aranjament neizolat, cum ar fi designul convertorului coborâtor (Figura 1) care utilizează LNK3306D-TL cu un curent de ieșire de 225 mA sau 360 mA, în funcție de modul de conducție selectat. De asemenea, acestea pot fi configurate ca surse de alimentare de coborâre-ridicare neizolate, furnizând un curent de ieșire de până la 575 mA.

Figura 1: Acest proiect tipic de convertor coborâtor neizolat care utilizează un membru al familiei LinkSwitch este doar una dintre numeroasele topologii posibile care pot fi implementate utilizând aceste dispozitive. (Sursă imagine: Power Integrations)

În timp ce sarcinile care sunt dublu izolate sau sunt protejate în alt mod împotriva defecțiunilor cablurilor c.a. nu au nevoie de izolare galvanică, unele dispozitive au nevoie de aceasta. Utilizarea dispozitivelor LinkSwitch-TNZ într-un proiect flyback izolat cu intrare universală este o alegere mai bună într-o astfel de situație. Dispozitivele oferă o putere de ieșire de până la 12 W în această topologie.

Circuitele integrate din familia LinkSwitch-TNZ oferă curenți de ieșire și capacități de alimentare diferite, în funcție de topologie (Tabelul 1).

Tabelul 1: Familia LinkSwitch-TNZ suportă mai multe configurații, topologii și moduri de operare. Fiecare aranjament are un curent de ieșire maxim sau o limită de putere diferită. (Sursă imagine: Power Integrations)

De la concept la implementare

Gradul ridicat de integrare și flexibilitate al familiei LinkSwitch-TNZ simplifică sarcina proiectantului. Printre numeroasele provocări ale dezvoltării unui proiect de sursă de alimentare certificată și livrabilă se numără:

1. Cerințe obligatorii stricte legate de eficiență și siguranță. Acestea devin mai dificile din cauza necesității de a furniza energie în modul standby, respectând în același timp reglementările stricte privind eficiența consumului de energie în modul standby. Circuitele integrate LinkSwitch-TNZ oferă cele mai bune randamente la sarcină ușoară din clasa lor, permițând alimentarea mai multor caracteristici ale sistemului, respectând în același timp reglementările pentru standby, care includ:
   • Standardul Comisiei Europene (CE) pentru aparatele electrocasnice (1275), care prevede ca echipamentele să nu consume mai mult de 0,5 W în modul standby sau oprit
   • Energy Star versiunea 1.1 pentru sistemele inteligente de gestionare a energiei pentru locuințe (SHEMS), care limitează consumul în standby al dispozitivelor inteligente de control al iluminatului la 0,5 W
   • GB24849 din China, care limitează consumul de energie în modul oprit al cuptoarelor cu microunde la 0,5 W

În timp ce îndeplinesc aceste cerințe, circuitele integrate LinkSwitch-TNZ reduc și numărul componentelor cu 40% sau mai mult în comparație cu proiectele discrete. Aceste circuite integrate de alimentare cu comutare permit o reglare de ±3% pe linie și sarcină, au un consum de energie fără sarcină mai mic de 30 mW cu polarizare externă și au un curent de standby al circuitului integrat mai mic de 100 µA.

2. Acceptă în siguranță conexiunile de linie c.a. cu două fire fără fir neutru și conexiunile cu trei fire. Multe sarcini, cum ar fi variatoarele, comutatoarele și senzorii nu au acest al treilea fir, astfel încât există riscul unui curent de scurgere excesiv și potențial periculos. Standardul definește curentul maxim de scurgere în diferite circumstanțe, iar scurgerea LinkSwitch-TNZ sub 150 µA în proiectele cu două fire fără neutru este sub acest maxim.
3. Nedepășirea limitelor emisiilor de interferențe electromagnetice (EMI). Pentru a îndeplini acest obiectiv, oscilatorul LinkSwitch-TNZ utilizează o tehnică de spectru împrăștiat care introduce o cantitate mică de fluctuație a frecvenței de 4 kilohertzi (kHz) în jurul frecvenței nominale de comutare de 66 kHz (Figura 2). Rata de modulare a oscilațiilor de frecvență este setată la 1 kHz pentru a optimiza reducerea EMI atât pentru emisiile medii, cât și pentru cele de cvasi-vârf.

Figura 2: Pentru a menține emisiile EMI sub limita de reglementare, oscilatorul LinkSwitch-TNZ utilizează o tehnică de propagare a spectrului cu o propagare de 4 kHz în jurul frecvenței nominale de comutare de 66 kHz. (Sursă imagine: Power Integrations)

4. Detectarea trecerilor prin zero ale liniei c.a. cu un minim de componente suplimentare sau consum de energie. Această detecție este necesară pentru comutatoare, variatoare, senzori și fișe, care conectează și deconectează periodic linia c.a. cu ajutorul unui releu sau triac.

Semnalul de trecere prin zero este utilizat de produsele și aparatele inteligente de automatizare a locuințelor și clădirilor (HBA) pentru a controla comutarea și pentru a minimiza stresul la comutare și curentul de anclanșare al sistemului.

În mod similar, aparatele utilizează adesea un circuit discret de detectare a trecerii prin zero pentru a controla sincronizarea motorului și a unității de microcontroler (MCU). În plus, aceste aplicații necesită o sursă de alimentare auxiliară pentru conectivitate wireless, drivere de poartă, senzori și afișaje.

Pentru a realiza acest lucru, un circuit discret este, de obicei, implementat pentru a detecta trecerea prin zero a liniei c.a., pentru a controla tranziția la pornire a dispozitivului de alimentare primară, reducând în același timp pierderile la comutare și curentul de anclanșare. Această abordare necesită multe componente și are pierderi foarte mari, consumând uneori aproape jumătate din bugetul de putere în standby.

În schimb, circuitele integrate LinkSwitch-TNZ furnizează un semnal precis care indică faptul că linia c.a. sinusoidală este la zero volți. Detectarea punctului de trecere prin zero de către LinkSwitch-TNZ necesită un consum mai mic de 5 mW, permițând astfel sistemelor să reducă pierderile de putere în standby față de abordările alternative care necesită zece sau mai multe componente discrete și disipă între 50 și 100 mW de putere continuă.

Apoi există condensatorul X

Filtrele EMI de linie includ condensatoare din clasa X și clasa Y pentru a minimiza generarea de EMI/RFI. Acestea sunt conectate direct la intrarea c.a. la linia c.a. și la neutrul c.a. (Figura 3).

Figura 3: Filtrarea EMI necesită condensatoare de filtrare din clasa X și clasa Y la linia c.a., dar condensatorul din clasa X trebuie gestionat după deconectarea liniei pentru a garanta siguranța utilizatorului. (Sursa imaginii: www.topdiode.com)

Mandatele de siguranță impun descărcarea condensatorului X din filtrele CEM atunci când linia c.a. este deconectată, pentru a se asigura că tensiunea și energia stocate nu rămân pe cablul de linie pentru o perioadă prelungită după deconectare. Timpul maxim admisibil de descărcare este reglementat de standardele industriale, cum ar fi IEC60950 și IEC60065.

Abordarea tradițională ce garantează că descărcarea necesară are loc este adăugarea de rezistoare de amortizare în paralel cu condensatorul X. Totuși, această abordare vine cu o penalizare de putere. O soluție mai bună este includerea unei funcții de descărcare a condensatorului X cu o constantă de timp setată de utilizator. CI-uri precum LNK3312D-TL adoptă această abordare. Acest lucru duce la reducerea spațiului pentru plăcile de circuite imprimate (PCB), o listă de materiale (BOM) mai mică și o fiabilitate sporită.

Sursele de alimentare și convertoarele au nevoie de caracteristici multiple de protecție. Toate dispozitivele din familia de circuite integrate LinkSwitch-TNZ încorporează:

• Pornire treptată pentru a limita solicitarea componentelor sistemului la pornire
• Repornire automată în caz de scurtcircuit și defecțiuni în buclă deschisă
• Protecție la supratensiune la ieșire
• Protecție la supratensiune la intrarea de linie
• Protecție histeretică la supratemperatură

De la CI la proiect complet

Un circuit integrat singur, oricât de bun sau de plin de caracteristici ar fi, nu poate fi un convertor c.a./c.c. complet, gata de utilizare, deoarece multe componente nu pot sau nu trebuie să fie integrate în dispozitivul respectiv. Acestea includ condensatoare de filtrare în masă, condensatoare de bypass, inductoare, transformatoare și componente de protecție. Necesitatea componentelor externe este demonstrată în sursa de alimentare cu tensiune constantă de 6 V, 80 mA, cu intrare universală neizolată, cu un detector de trecere prin zero bazat pe un dispozitiv LNK3302D-TL (Figura 4).

Figura 4: Sunt prezentate componentele externe necesare pentru o sursă de alimentare cu tensiune constantă de 6 V, 80 mA, cu intrare universală neizolată, completă și sigură, cu detector de trecere prin zero, bazată pe un CI LNK3302D-TL. (Sursă imagine: Power Integrations)

Există, de asemenea, dimensiuni minime legate de siguranță pentru atribute precum linia de fugă și spațiul liber. În acest caz, problema este dificultatea dezvoltării unui proiect complet. Familia de circuite integrate LinkSwitch-TNZ ușurează această sarcină. De exemplu, prin utilizarea unei frecvențe de comutare de 66 kHz, magneții necesari devin elemente standard, disponibile în comerț de la mai mulți furnizori. În plus, Power Integrations oferă proiecte de referință.

Pentru cei care au nevoie de o sursă de alimentare izolată, proiectul de referință RDK-877 (Figura  5) este o sursă de alimentare flyback izolată de 6 W cu detectarea trecerii prin zero, bazată pe LNK3306D-TL.

Figura 5: Proiectul de referință RDK-877 de 6 W oferă izolare într-o topologie flyback și se bazează pe LNK3306D-TL. (Sursă imagine: Power Integrations)

Sursa are o gamă de intrare de la 90 V_c.a. la 305 V_c.a., o ieșire de 12 V la 500 mA și un consum de energie fără sarcină mai mic de 30 mW pe întreaga gamă de linii c.a. În modul standby este disponibilă o putere mai mare de 350 mW, în timp ce eficiența în modul activ îndeplinește cerințele DOE6 și CE CoC (v5) cu o eficiență de peste 80% la sarcină completă în sarcini nominale. Designul îndeplinește, de asemenea, cerințele EN550022 și CISPR-22 clasa B pentru EMI conduse.

Concluzie

Proiectarea și implementarea unei surse c.a./c.c. de mică putere poate părea banală. Cu toate acestea, realitățile legate de îndeplinirea obiectivelor de performanță și eficiență, a mandatelor de siguranță și reglementare, precum și a cerințelor privind costurile, amprenta și timpul de lansare pe piață fac din aceasta o sarcină dificilă. Circuitele integrate de comutare precum cele din familia Power Integrations LinkSwitch-TNZ de controler și MOSFET combinat ușurează foarte mult sarcina. Aceste circuite integrate suportă diferite niveluri de putere și pot fi utilizate cu diferite topologii de alimentare, încorporând în același timp caracteristici esențiale precum detectarea trecerii prin zero și descărcarea condensatorului X.