Ова е начинот на кој ефикасно напојување може да се развие All-Electronic
Слика 1: Шема на двостепено напојување Texas Instruments
Слика 2: Ефикасност како функција на влезниот напон Texas Instruments
Слика 3: Дијаграм на поедноставено коло на активно стартно коло Texas Instruments
Слика 4: Поедноставен дизајн на струјното коло на Texas Instruments
Слика 5: Дијаграм за поедноставено коло на струјното коло ACF Texas Instruments
Клучни податоци
Следната статија опишува метод за дизајнирање на ефикасно напојување со исклучително широк опсег на влезен напон и исто така дава вредни совети за тоа како да се постигне оптимизиран дизајн.
Што би било можно ако некој може да дизајнира напојување што може да ги задоволи влезните и излезните потреби на сите апликации. Сепак, реалноста е поинаква, бидејќи напојувањата секогаш мора да бидат дизајнирани за одреден опсег на напон од различни причини.
Одлучувачки за ова се внатрешните ограничувања на контролорите. Техники како што се префрлување во нула премин на напон, променливи фреквенции на преклопување или синхроно исправување овозможуваат намалување на загубите во различните делови од фазата на напојување, но исто така се ограничува опсегот на влез и излез на напон. Сепак, за многу апликации е потребен голем опсег на влезен напон, што доведува до многу ниски или високи циклуси на работа и може да ги ограничи перформансите или да предизвика големи загуби.
Фреквенцијата на префрлување варира
На пример, да речеме дека ви треба конвертер за враќање од 75W за влезни напони од 20 до 375V. За моќност до 100 W, топологијата за враќање е добар избор затоа што е најисплатлива изолирана топологија. Помина времето кога контролорите се префрлуваа со постојана фреквенција, бидејќи современите контролери ја модулираат фреквенцијата на преклопување со цел да постигнат висока ефикасност. Како по правило, фреквенцијата на префрлување варира во зависност од условите на влезот и излезот. Сепак, дизајнерите мора да земат предвид одредени граници, како што се минималното време на вклучување, максималниот работен циклус и минималната и максималната фреквенција на вклучување. Овие ограничувања го отежнуваат контролорот да се справи со широк спектар на влезни напони.
Доколку е потребен екстремно широк опсег на влезен напон, на пример од 20 до 375 V, затоа е потребен поинаков пристап. Една можност е решението во две фази прикажано на слика 1.
Првата фаза е коло пред-засилување кое е активно само при влезни напони под 130 В. Генерира засилен излезен напон од околу 130 V, така што дури и со влезни напони до 20 V, факторот на засилување е помал од седум за да се обезбеди правилно работење. Штом влезниот напон е поголем од Vboost, колото автоматски се става во функција од контролната јамка, односно контролорот за засилување станува неактивен. Галванската врска помеѓу влезот и излезот од фазата на засилување обезбедува влезниот напон да се напојува директно во втората фаза.
Втората фаза се состои од модерен контролер за враќање назад (конвертор за враќање назад). Најефикасната топологија на конверторот за враќање назад користи активна технологија на стегање што ја обновува залутаната енергија и обезбедува непречено вклучување или дури и преклопување при нула напон. Во врска со секундарен исправувач, можни се ефикасности до 84%.
Треба да се напомене дека ефикасноста е производ на првата фаза (пред-зајакнување) и втората фаза (конвертор за враќање назад). Меѓутоа, на влезните напони над 130 V, фазата пред засилување се деактивира, како што споменавме, така што само втората фаза ја одредува ефикасноста. Како резултат, можна е ефикасност од значително повеќе од 90% во широк опсег на влезен напон.
Референтен дизајн како пример
Референтниот дизајн „Висока ефикасност, ултра широк влез (20 до 375 VDC) изолиран референтен дизајн на напојување“ од Texas Instruments (TI) опфаќа опсег на влезен напон од 20 до 375 V и испорачува излезен напон од 24 V со максимална излезна струја од 3, 5 A. Слика 2 ја покажува ефикасноста како функција на влезниот напон.
Како што може да се види од дијаграмот, при влезни напони помеѓу 25 и 375 V, ефикасноста е над 90%, а максималната ефикасност е 94%. Како е можно тоа? Референтниот дизајн го следи истиот концепт како колото од Слика 1. Во принцип, дизајнот е поделен на три дела: фаза пред-засилување, фаза ACF (активен стегач назад) и коло за стартување. Додека фазата пред засилување го содржи тековниот контролер на режимот UCC28C42 од TI, контролерот за враќање назад UCC28780 од TI се користи во ACF фаза.
Совети за дизајнирање на почетно коло
Кога започнувате да ја дизајнирате шемата, се размислува да се даде на почетното коло бидејќи е предизвик да се постигне широк опсег на влезен напон. Конечно, кондензаторите VDD од фазата на претходно засилување и активно стегање мора да се полнат за да може колото да започне. Познато е дека отпорниот метод за стартување доведува до поголеми загуби, особено во апликации со висок влезен напон. Напојувањето е многу често во режим на подготвеност, поради што честопати е потребно активно стартно коло за да се намалат загубите на мирување. Нормално на уред како што е MOSFET за осиромашување може да се користи во такво коло. Слика 3 покажува поедноставено коло за стартување.
Осиромашувањето MOSFET Q1 го полни VDD кондензаторот додека контролорот не работи. Веднаш штом напонот VDD го надмина прагот на одговор на заклучувањето на напонот, контролорот започнува да работи. Помошното намотување го снабдува контролерот преку диодата D2 и Q1 може да се исклучи (преку помошното намотување, D1 и Q2). Во шемата на референтниот дизајн за изолирано напојување, ова почетно коло засновано на исцрпување MOSFET е прикажано нешто подетално. Помошното намотување на трансформаторот ACF за враќање назад се користи за неколку задачи, имено за исклучување на исцрпувањето MOSFET и за снабдување на фазата на засилување и контролорот ACF.
Совети за дизајнирање на коло пред-засилување
Колото за засилување е наменето за непрекинато работење. Кога диодата е исклучена, големата обратна обратна струја на силиконската диода ќе доведе до големи загуби. Затоа се препорачува да се користи MOSFET за брзо вклучување и диоди со Шилоти на силициум карбид (SiC). Ова драстично ги намалува загубите, особено затоа што скоро и да нема проток на обратен одложување со диода SiC. Патем, со помош на бајпас диода, може да се избегнат високи струи на струја во диодата SiC (Дбоост).
Како што веќе споменавме, излезниот напон е регулиран на 130 В. Јамката за повратна врска ја прекинува работата на регулаторот на засилување ако влезниот напон е поголем од 130 В. Како и да е, сите компоненти мора да бидат дизајнирани за максимален влезен напон од 375 V (плус безбедносна маргина) и да издржат максимална јачина на струја.
Со алатка достапна како бесплатен програм од Texas Instruments (Power Stage Designer), може да се прикажат напоните и струите на сите вообичаени топологии. Ова го олеснува изборот на оние компоненти што можат да ги издржат максималните врвни и врвни вредности на напоните и струите.
Совети за дизајнирање на ACF коло
Втората фаза е ACF коло. Нормален конвертер за враќање назад со пасивно стегање, кој работи во наизменична работа, ја расфрла залутаната енергија на трансформаторот во пасивно сноп-коло. Во струјното коло ACF, од друга страна, оваа енергија се обновува и преклопувањето се одвива во широк опсег на работни состојби со нула премин на напон. Поедноставен дијаграм на колото е прикажан на слика 5.
Колото ACF работи во режим на транзиција и ја модулира врвната струја на примарната страна и фреквенцијата на преклопување. Q_HS помага во закрепнување и складирање на залутаната енергија во кондензатор за крцкање. Покрај тоа, ACF-колото ја користи струјата за магнетизација на трансформаторот за да го испушти капацитивот на прекинувачкиот јазол (Csw) и да го намали напонот на прекинувачкиот јазол на 0 V пред да се вклучи Q_LS. Ова овозможува вклучување на напонот на премин нула и се избегнуваат загубите при вклучување.
За да може целиот систем да функционира правилно, мора да се посвети посебно внимание на трансформаторот. Меѓу другото, индуктивноста на примарната страна и односот на врти го одредуваат режимот на работа во кој работи колото во целиот опсег на оптоварување. Затоа се препорачува да се придржувате кон правилата дадени во листот со податоци и внимателно да ги одредите минималното време на вклучување, опсегот на фреквенцијата на вклучувањето и максималната врвна струја на примарната страна на трансформаторот. Со Power Stage Designer, специфицирањето на трансформаторот е исто така многу полесно.
Конечно, препорачливо е да користите специјална техника на ликвидација, бидејќи е потребно совршено спојување на намотките. На пример, примарната ликвидација треба да се подели за да се вметнат секундарните и пристрасните слоеви помеѓу двете половини. За понатамошно зголемување на ефикасноста, исто така треба да се разгледа можноста за замена на излезната диода со синхрон исправувач. Контролорот ACF UCC28780 работи со синхрон исправувач како што е UCC24612 со сензор за извор на одвод (VDS). VDS сензорот користи пад на напон на RDS (вклучен) на MOSFET и диода на телото за вклучување и исклучување на синхрониот исправувач MOSFET. Синхрониот исправувач може да се постави или на позитивната или на негативната страна на излезното намотување. Ако е во позитивна патека, електромагнетното мешање во заеднички режим е помало, но во овој случај контролорот не може да се напојува од излезниот напон. Наместо тоа, потребно е дополнително намотување или коло со отпорник-кондензатор-диода за напојување на синхрониот контролер на исправувачот.
Резиме
Референтниот дизајн на Texas Instruments за изолирано напојување покажува добар начин да се постигне многу широк опсег на влезен напон. Со концепт како двостепено напојување, може да се постигне ефикасност од над 90% во комбинација со високо ниво на перформанси. Дизајните за струја на Texas Instruments даваат решенија за широк спектар на случаи на употреба. Искористете го во вашите развојни проекти. Честопати, ќе најдете дизајн со слични спецификации што е добра почетна точка и може да го забрза вашиот процес на дизајнирање.