Využití pokročilých spínaných integrovaných obvodů k implementaci účinných, funkčně bohatých a nízkoenergetických AC/DC zdrojů

Nízkoenergetické AC/DC napájecí zdroje o výkonu přibližně 10 W nebo nižším se široce používají v domácích stmívačích, spínačích, senzorech, spotřebičích, internetu věcí (IoT) a v průmyslových řídicích systémech. Ačkoli je díky dlouhodobému pohotovostnímu režimu zátěže pracovní cyklus těchto zdrojů poměrně nízký, při aktivaci zařízení vyžadují rychlé „probuzení“.

Návrh takových zdrojů je koncepčně snadný: stačí začít s několika diodami na usměrnění síťového napětí, přidat řídicí IO, na výstup zapojit filtrační kondenzátory, v případě požadavku na oddělení zařadit transformátor, a úkol je splněn. I přes zdánlivou jednoduchost je však realita vytváření takových zdrojů výrazně odlišná.

Zdroje musejí nabízet základní funkci výstupní sběrnice se stabilním stejnosměrným napětím a splňovat řadu přísných zákonných předpisů upravujících bezpečnost uživatele a účinnost při zátěži a v pohotovostním režimu. Konstruktéři musejí dále pamatovat na problematiku fyzického rozložení, pomocných součástí, spolehlivosti, vyhodnocení výkonu, certifikace a pouzdra, neboť jejich úkolem je také minimalizace půdorysu a nákladů při současném dodržení krátkých cyklů uvedení na trh.

Tento článek představuje skupinu vysoce integrovaných spínacích offline řadičů od společnosti Power Integration a ukazuje, jak je lze využívat k řešení těchto problémů.

IO s integrovaným tranzistorem MOSFET a řadičem

Každý z osmi samostatných integrovaných spínaných offline řadičů skupiny LinkSwitch-TNZ od společnosti Power Integrations kombinuje výkonový spínač 725V MOSFET s napájecím řadičem v jediném obvodu umístěném v pouzdru SO-8C. Každý monolitický integrovaný obvod nabízí vynikající odolnost proti přepětí, oscilátor, vysokonapěťový spínaný zdroj s automatickým předpětím, frekvenční jitter, rychlý proudový limit (po cyklech), hysterezní tepelnou ochranu a výstupní a vstupní ochranné obvody proti přepětí.

Obvody mohou tvořit jádro neizolované sestavy, například návrhu se snižovacím převodníkem (obrázek 1) s použitím spínače LNK3306D-TL s výstupním proudem 225 mA nebo 360 mA v závislosti na zvoleném režimu vedení. Mohou být také nakonfigurovány jako neizolované snižovací/zvyšovací napájecí dodávající výstupní proud až 575 mA.

Obrázek 1: tento typický návrh neizolovaného snižovacího převodníku s využitím řadiče skupiny LinkSwitch představuje pouze jednu z mnoha možných topologií, které lze pomocí těchto obvodů implementovat. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Zatímco zátěže s dvojitou izolací nebo jinou ochranou proti výpadkům na straně střídavého napájení nepotřebují galvanickou izolaci, jiné obvody ji vyžadují. V takové situaci je lepší volbou použití obvodů skupiny LinkSwitch-TNZ s izolovanou konstrukcí typu flyback s univerzálním vstupem. Obvody v této topologii nabízejí výstupní výkon až 12 W.

Integrované obvody skupiny LinkSwitch-TNZ nabízejí různé výstupní proudy a výkony v závislosti na topologii (tabulka 1).

Tabulka 1: obvody skupiny LinkSwitch-TN podporují více konfigurací, topologií a provozních režimů. Každé uspořádání nabízí jiný maximální výstupní proud nebo výkonový limit. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Od konceptu k realizaci

Vysoká integrace a flexibilita obvodů skupiny LinkSwitch-TNZ zjednodušuje úlohu konstruktéra. K mnoha výzvám spojeným s vývojem certifikovaného napájecího zdroje připraveného k odeslání patří i tyto:

1. Splnění přísných zákonných požadavků ohledně účinnosti a bezpečnosti. Takové požadavky jsou ztíženy potřebou dodávky výkonu v pohotovostním režimu při současném splnění přísných předpisů upravujících energetickou účinnost v pohotovostním režimu. Integrované obvody skupiny LinkSwitch-TNZ poskytují nejlepší účinnost při nízké zátěži ve své třídě, což umožňuje realizovat napájení více systémových funkcí při splnění předpisů upravujících pohotovostní režim včetně následujících:
   • Norma Evropské komise (EC) pro domácí spotřebiče (1275), která vyžaduje, aby zařízení v pohotovostním nebo ve vypnutém stavu odebíralo maximálně 0,5 W.
   • Certifikace Energy Star verze 1.1 pro systémy SHEMS (Smart Home Energy Management Systems), která omezuje spotřebu zařízení na ovládání inteligentního osvětlení v pohotovostním režimu na 0,5 W.
   • Čínská norma GB24849, která omezuje spotřebu energie v mikrovlnných troubách ve vypnutém stavu na 0,5 W

Integrované obvody skupiny LinkSwitch-TNZ tyto požadavky splňují a zároveň snižují počet součástí o 40 % nebo více v porovnání s diskrétními konstrukcemi. Tyto integrované obvody se spínanými zdroji umožňují regulaci ±3 % na straně napájení i zátěže, vykazují příkon naprázdno nižší než 30 mW s externím předpětím a proud v pohotovostním režimu nižší než 100 µA.

2. Obvody bezpečně podporují dvouvodičová připojení k napájecí síti bez nulového vodiče i třívodičová připojení. Vzhledem k tomu, že mnoho zátěží, jako jsou stmívače, spínače a senzory, tento třetí vodič nemá, existuje riziko nadměrného a potenciálně nebezpečného svodového proudu. Norma definuje maximální svodový proud za různých okolností, přičemž svodový proud obvodu LinkSwitch-TNZ, který je u dvouvodičových konstrukcí bez nulového vodiče nižší než 150 µA, leží pod tímto maximem.
3. Nepřekročení emisních limitů elektromagnetického rušení (EMI). Pro splnění tohoto požadavku používá oscilátor LinkSwitch-TNZ techniku rozprostřeného spektra, která v okolí jmenovité spínací frekvence 66 kHz zavádí malé množství frekvenčního jitteru 4 kHz (obrázek 2). Rychlost modulace frekvenčního jitteru je nastavena na 1 kHz, aby bylo optimalizováno snížení rušení EMI pro průměrné i kvazi-špičkové emise.

Obrázek 2: z důvodů udržení rušení EMI pod předepsaným limitem používá oscilátor skupiny LinkSwitch-TNZ techniku rozprostřeného spektra s rozpětím 4 kHz okolo jmenovité spínací frekvence 66 kHz. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

4. Detekce průchodu nulou na straně napájecího síťového napětí s minimálním počtem přídavných součástí a minimální spotřebou energie. Tato detekce je potřebná pro spínače osvětlení, stmívače, senzory a zástrčky, které periodicky připojují a odpojují střídavé síťové napětí pomocí relé nebo triaku.

Signál průchodu nulou používají produkty a zařízení inteligentní automatizace domů a budov (HBA) k regulaci spínání, aby bylo minimalizováno spínací namáhání a systémový náběhový proud.

Podobně také spotřebiče často používají diskrétní obvod detekce průchodu nulou k řízení časování motoru a mikrokontroléru (MCU). Tyto aplikace dále vyžadují pomocný napájecí zdroj pro bezdrátové připojení, hradlové budiče, senzory a displeje.

Pro dosažení tohoto stavu je obvykle implementován diskrétní obvod na detekci průchodu střídavého síťového napětí nulou za účelem regulace přechodu primárního výkonového zařízení do zapnutého stavu při současném snížení spínacích ztrát a náběhového proudu. Tato koncepce vyžaduje mnoho součástí a je velmi ztrátová - někdy spotřebuje téměř polovinu rozpočtu na energii v pohotovostním režimu.

Integrované obvody LinkSwitch-TNZ namísto toho poskytují přesný signál sdělující, že vstupní sinusové střídavé napětí je má nulovou hodnotu. Detekce průchodu nulou pomocí obvodu LinkSwitch-TNZ odebírá méně než 5 mW, což systémům dovoluje snížit energetické ztráty v pohotovostním režimu oproti alternativním koncepcím, které vyžadují deset nebo více diskrétních součástí a odvod trvalého výkonu 50 až 100 mW.

Pak je zde kondenzátor X

Odrušovací síťové filtry EMI obsahují kondenzátory třídy X a Y pro minimalizaci generování rušení EMI/RFI. Jsou přímo připojeny k fázovému a nulovému vodiči napájecí střídavé sítě (obrázek 3).

Obrázek 3: odrušení EMI vyžaduje použití filtračních kondenzátorů třídy X a Y na straně střídavého zdroje, kondenzátor třídy X však musí být spravován po odpojení napájení, aby byla zajištěna bezpečnost uživatele. (Zdroj obrázku: www.topdiode.com)

Bezpečnostní předpisy nařizují, že kondenzátor X ve filtrech EMC musí být při odpojení od napájecího střídavého napětí vybitý, aby bylo zajištěno, že akumulované napětí a energie nebudou delší dobu po vypnutí přítomny v napájecím kabelu. Maximální povolená doba vybíjení se řídí průmyslovými normami, například IEC60950 a IEC60065.

Tradiční metodou zajištění požadovaného vybití je zapojení vybíjecích odporů paralelně s kondenzátorem X. Tato koncepce má však za následek výkonovou penalizaci. Lepším řešením je proto zajistit, aby funkce vybíjení kondenzátoru X měla uživatelsky nastavitelnou časovou konstantu. Tuto koncepci používá například integrovaný obvod LNK3312D-TL. Toto řešení se projevuje ve snížení plochy na desce plošných spojů (PC), zkrácení rozpisu materiálu (BOM) a zvýšené spolehlivostí.

Napájecí zdroje a převodníky potřebují více ochranných funkcí. Všechny integrované obvody skupiny LinkSwitch-TNZ obsahují:

• Měkký start pro omezení namáhání součástí systému při spouštění
• Automatický restart při poruchách vlivem zkratu a otevřených smyček
• Výstupní přepěťovou ochranu
• Přepěťovou ochranu vstupního síťového napětí
• Hysterezní ochranu proti přehřátí

Od IO až po kompletní návrh

Samotný integrovaný obvod, bez ohledu na to, jak je dobrý nebo nabitý funkcemi, nemůže být plnohodnotným AC/DC převodníkem připraveným k použití, protože do něj nelze integrovat nebo by nemělo být integrováno mnoho součástí. Patří mezi ně filtrační kondenzátory, obtokové kondenzátory, induktory, transformátory a ochranné součásti. Potřeba externích součástí je ukázána na příkladu napájecího zdroje 6 V, 80 mA s neizolovaným univerzální vstupem, konstantním napětím a detektorem průchodu nulou na bázi obvodu LNK3302D-TL (obrázek 4).

Obrázek 4: znázornění externích součástí potřebných k vytvoření kompletního a bezpečného zdroje konstantního napětí 6 V, 80 mA s neizolovaným univerzálním vstupem a detektorem průchodu nulou na bázi obvodu IO LNK3302D-TL. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Existují také minimální rozměry související s bezpečností pro parametry, jako jsou povrchová cesta a světlá výška. Problémem se pak stává obtížnost vypracování kompletního návrhu. Tento úkol usnadňují integrované obvody skupiny LinkSwitch-TNZ. Například při použití spínací frekvence 66 kHz jsou požadované magnety standardní, běžně dostupné položky od různých prodejců. Společnost Power Integrations poskytuje také referenční návrhy.

Uživatelé požadující izolovaný zdroj mohou využít referenční návrh RDK-877 představující 6W izolovaný napájecí zdroj typu flyback (obrázek 5) s detekcí průchodu nulou na bázi obvodu LNK3306D-TL.

Obrázek 5: referenční návrh zdroje 6 W RDK-877 na bázi obvodu obvodu LNK3306D-TL se vyznačuje izolací s topologií typu flyback. (Zdroj obrázku: Power Integrations)

Zdroj pracuje v rozsahu vstupního napětí 90 V_AC až 305 V_AC, dodává výstupní napětí12 V při 500 mA a odebírá výkon naprázdno nižší než 30 mW v celém rozsahu střídavého síťového napětí. V pohotovostním režimu je k dispozici výkon vyšší než 350 mW, zatímco účinnost v aktivním režimu splňuje požadavky norem DOE6 a EC CoC (v5) s účinností vyšší než 80 % při jmenovité zátěži. Konstrukce splňuje též požadavky norem EN550022 a CISPR-22 Class B na vedené rušení EMI.

Závěr

Návrh a implementace nízkoenergetického AC/DC zdroje se může zdát triviální. Díky realitě dosažení cílů v oblasti výkonu a účinnosti, bezpečnostních a regulačních předpisů, jakož i v důsledku splnění požadavků na náklady, velikost půdorysu a doby uvedení na trh, se z takového návrhu stává náročný úkol. Spínané integrované obvody, jako jsou součásti skupiny LinkSwitch-TNZ kombinovaných řadičů a tranzistorů MOSFET od společnosti Power Integrations, tento úkol velmi usnadňují. Tyto integrované obvody podporující různé výkonové úrovně lze používat s celou řadou napájecích topologií, přičemž obsahují základní funkce, jako je detekce průchodu nulou a vybíjení kondenzátoru X.