Így lehet hatékony tápegységet kifejleszteni az All-Electronics számára
1. ábra: A Texas Instruments kétlépcsős tápegységének vázlata
2. ábra: A hatékonyság a Texas Instruments bemeneti feszültségének függvényében
3. ábra: A Texas Instruments aktív indítási áramkörének egyszerűsített kapcsolási rajza
4. ábra: A Texas Instruments erősítő áramkörének egyszerűsített kialakítása
5. ábra: A Texas Instruments ACF áramkörének egyszerűsített kapcsolási rajza
Kulcsadatok
Az alábbi cikk leír egy módszert a hatékony áramellátás tervezésére rendkívül széles bemeneti feszültségtartomány mellett, és értékes tippeket ad az optimalizált tervezés megvalósításához.
Mi lenne lehetséges, ha meg lehetne tervezni egy tápegységet, amely megfelelne az összes alkalmazás bemeneti és kimeneti igényeinek. A valóság azonban más, mert a tápegységeket különféle okokból mindig egy bizonyos feszültségtartományra kell tervezni.
Ebben meghatározóak többek között az irányítók belső korlátozásai. Az olyan technikák, mint a feszültség nulla keresztezésének kapcsolása, a változó kapcsolási frekvenciák vagy a szinkron egyenirányítás lehetővé teszik a veszteségek csökkentését az erőszak különböző részeiben, de korlátozzák a bemeneti és kimeneti feszültségtartományt is. Sok alkalmazás azonban nagy bemeneti feszültségtartományt igényel, ami nagyon alacsony vagy magas munkaciklusokhoz vezet, és korlátozhatja a teljesítményt vagy nagy veszteségeket okozhat.
A kapcsolási frekvencia változó
Például tegyük fel, hogy egy 20 W-tól 375 V-ig terjedő bemeneti feszültségre 75W-os flyback átalakítóra van szükség. 100 W-ig terjedő teljesítmény esetén a flyback topológia jó választás, mert ez a legköltséghatékonyabb izolált topológia. Elmúltak azok az idők, amikor a vezérlők állandó frekvenciával váltottak, mert a modern vezérlők modulálják a kapcsolási frekvenciát a magas hatékonyság elérése érdekében. Általános szabály, hogy a kapcsolási frekvencia a bemenet és a kimenet körülményeitől függően változik. A tervezőknek azonban figyelembe kell venniük bizonyos korlátokat, például a minimális bekapcsolási időt, a maximális üzemi ciklust, valamint a minimális és maximális kapcsolási frekvenciát. Ezek a korlátozások megnehezítik a vezérlő számára a bemeneti feszültségek széles skálájának kezelését.
Ha rendkívül széles bemeneti feszültségtartományra van szükség, például 20 és 375 V között, akkor más megközelítésre van szükség. Az egyik lehetőség az 1. ábrán látható kétlépcsős megoldás.
Az első szakasz egy előerősítő áramkör, amely csak 130 V alatti bemeneti feszültségnél aktív. Körülbelül 130 V kimeneti feszültséget generál, így a 20 V-os bemeneti feszültség esetén is az erősítési tényező kevesebb, mint hét a megfelelő működés biztosítása érdekében. Amint a bemeneti feszültség nagyobb, mint a Vboost, az áramkört a vezérlő hurok automatikusan kikapcsolja, vagyis a boost vezérlő inaktívvá válik. A fokozat bemenetének és kimenetének galvánikus kapcsolata biztosítja, hogy a bemeneti feszültség közvetlenül a második fokozatba kerüljön.
A második szakasz egy modern flyback vezérlőből (flyback converter) áll. A leghatékonyabb flyback konverter topológia aktív befogási technológiát alkalmaz, amely regenerálja a kóbor energiát, és biztosítja a zökkenőmentes kapcsolást vagy akár a kapcsolást nulla feszültség mellett. A szekunder egyenirányítóval kapcsolatban akár 84% -os hatékonyság is lehetséges.
Meg kell jegyezni, hogy a hatékonyság az első fokozat (pre-boost) és a második szakasz (flyback converter) eredménye. 130 V feletti bemeneti feszültség esetén azonban az előerősítés fokozata deaktiválódik, amint azt említettük, így csak a második fokozat határozza meg a hatékonyságot. Ennek eredményeként jelentősen több mint 90% -os hatékonyság lehetséges a széles bemeneti feszültségtartományban.
Példaként egy referenciatervet
A Texas Instruments (TI) "Nagy hatékonyságú, ultraszéles bemeneti (20-375 VDC) szigetelt tápegység referenciaterve" referenciaterv 20 és 375 V közötti bemeneti feszültségtartományt fed le, és 24 V kimeneti feszültséget szolgáltat 3 kimeneti maximális árammal., 5 A. A 2. ábra a hatékonyságot mutatja a bemeneti feszültség függvényében.
Amint az a diagramból látható, 25 és 375 V közötti bemeneti feszültségnél a hatásfok meghaladja a 90% -ot, a maximális hatásfok pedig 94%. Hogyan lehetséges ez? A referenciaterv ugyanazt a koncepciót követi, mint az 1. ábrán látható áramkör. Elvileg a terv három szakaszra oszlik: egy pre-boost fokozatra, egy ACF szakaszra (Active Clamp Flyback) és egy indítási áramkörre. Míg az előfeltöltési szakasz tartalmazza a jelenlegi UCC28C42 vezérlőt a TI-től, addig a TI UCC28780 flyback vezérlőt az ACF szakaszban használják.
Tippek egy indítási áramkör megtervezéséhez
Amikor elkezdi tervezni a vázlatot, gondolkodni kell az indítási áramkörről, mivel kihívást jelent a széles bemeneti feszültségtartomány elérése. Végül fel kell tölteni az előerősítés és az aktív befogás fokozatának VDD kondenzátorait, hogy az áramkör elindulhasson. Ismeretes, hogy egy rezisztív indítási módszer nagyobb veszteségekhez vezet, különösen a nagy bemeneti feszültségű alkalmazásokban. A tápegységek nagyon gyakran készenléti állapotban vannak, ezért gyakran szükség van egy aktív indító áramkörre a készenléti veszteségek csökkentése érdekében. Ilyen áramkörben egy normál eszközön, például kimerülő MOSFET használható. A 3. ábra egy egyszerűsített indítási áramkört mutat be.
A kimerült MOSFET Q1 addig tölti a VDD kondenzátort, amíg a vezérlő nem működik. Amint a VDD feszültség túllépte az aláfeszültség-zár válaszküszöbét, a vezérlő elkezd dolgozni. A segédtekercs a vezérlőt a D2 diódán keresztül táplálja, és a Q1 kikapcsolható (a D1 és Q2 segédtekercsen keresztül). Az izolált tápegység referenciatervének sematikus ábráján ez a kimerülő MOSFET-en alapuló indítási áramkör némileg részletesebben látható. Az ACF flyback transzformátor kiegészítő tekercselését több feladathoz használják, nevezetesen a MOSFET kimerülésének kikapcsolásához, valamint a boost fokozat és az ACF vezérlő ellátásához.
Tippek a pre-boost áramkör megtervezéséhez
Az előerősítő áramkört nem szakszerű működésre szánják. A dióda kikapcsolásakor a szilíciumdióda nagy visszirányú visszanyerési áramának nagy veszteségei vannak. Ezért ajánlott egy gyors kapcsolású MOSFET és egy szilícium-karbid Schottky dióda (SiC) használata. Ez drasztikusan csökkenti a veszteségeket, különösen azért, mert SiC-diódával szinte egyáltalán nem folyik fordított késleltetési áram. Egyébként egy bypass dióda segítségével elkerülhetők a SiC dióda (Dboost) nagy túláramai.
Mint már említettük, a kimeneti feszültség 130 V-ra van szabályozva. A visszacsatoló hurok tehát megszakítja a töltésszabályozó működését, ha a bemeneti feszültség nagyobb, mint 130 V. Mindazonáltal minden alkatrészt úgy kell megtervezni, hogy a maximális bemeneti feszültség 375 V (plusz egy biztonsági tartalék), és ellenálljon a maximális áramerősségnek.
A Texas Instruments (Power Stage Designer) ingyenes szoftvereként elérhető eszközével az összes elterjedt topológia feszültsége és árama megjeleníthető. Ez megkönnyíti azon alkatrészek kiválasztását, amelyek ellenállnak a feszültségek és áramok maximális csúcs- és effektív értékének.
Tippek az ACF áramkör tervezéséhez
A második szakasz egy ACF áramkör. Egy normál, passzív rögzítésű, szakaszos üzemben működő átalakító eloszlatja a transzformátor kóbor energiáját egy passzív snubber áramkörben. Az ACF áramkörben viszont ez az energia visszanyerhető, és a kapcsolás a működési állapotok széles skáláján történik, feszültség nulla keresztezéssel. Egyszerűsített kapcsolási rajz az 5. ábrán látható.
Az ACF áramkör átmeneti üzemmódban működik, és modulálja az elsődleges oldal csúcsáramát és a kapcsolási frekvenciát. A Q_HS segít visszaszerezni és tárolni a kóbor energiát egy kondenzátorban. Ezenkívül az ACF áramkör a transzformátor mágnesező áramával használja a kapcsolócsomópont kapacitásának (Csw) kisütését és a kapcsolócsomópont feszültségének 0 V-ra csökkentését, mielőtt a Q_LS bekapcsol. Ez lehetővé teszi a nulla feszültség átkapcsolását és elkerüli a kapcsolási veszteségeket.
A teljes rendszer megfelelő működéséhez különös figyelmet kell fordítani a transzformátorra. Többek között az elsődleges oldal induktivitása és a fordulási arány határozza meg azt az üzemmódot, amelyben az áramkör a teljes terhelési tartományban működik. Ezért ajánlott betartani az adatlapon megadott szabályokat, és gondosan meg kell határozni a transzformátor minimális bekapcsolási idejét, a kapcsolási frekvenciatartományt és a maximális elsődleges oldali csúcsáramot. A Power Stage Designerrel a transzformátor megadása is sokkal egyszerűbb.
Végül célszerű speciális tekercselési technikát alkalmazni, mivel a tekercsek tökéletes összekapcsolására van szükség. Például az elsődleges tekercset fel kell osztani, hogy a másodlagos és az előfeszítő rétegek mindkét fél közé beágyazódjanak. A hatékonyság további növelése érdekében figyelembe kell venni a kimeneti dióda szinkron egyenirányítóval történő cseréjének lehetőségét is. Az UCC28780 ACF vezérlő szinkron egyenirányítóval működik, mint például az UCC24612 lefolyás-érzékelővel (VDS). A VDS érzékelés a MOSFET RDS (be) és a testdióda RDS (be) feszültségesését használja a szinkron egyenirányító MOSFET be- és kikapcsolására. A szinkron egyenirányító elhelyezhető a kimeneti tekercs pozitív vagy negatív oldalán is. Ha pozitív úton van, akkor az elektromágneses közös üzemmódú interferencia alacsonyabb, de ebben az esetben a vezérlőt a kimeneti feszültség nem tudja ellátni. Ehelyett egy további tekercsre vagy egy ellenállás-kondenzátor-dióda áramkörre van szükség a szinkron egyenirányító vezérlő ellátásához.
Összegzés
A Texas Instruments szigetelt tápegységre vonatkozó referenciatervezete jó módot kínál a nagyon széles bemeneti feszültségtartomány elérésére. Olyan koncepcióval, mint a kétlépcsős táp, 90% feletti hatékonyság érhető el magas szintű teljesítménnyel kombinálva. A Texas Instruments Power Reference Designs sokféle felhasználási esetre kínál megoldást. Használja ki fejlesztési projektjeiben. Gyakran talál egy hasonló specifikációjú tervet, amely jó kiindulópont és felgyorsíthatja a tervezési folyamatot.