Nauči vas 6 veščin oblikovanja napajalnika
01 Feritni magnetni ojačevalnik v povratnem napajalniku
Za povratno napajanje z dvojnim izhodom z dejansko močjo na obeh izhodih (5 V 2 A in 12 V 3 A, oba regulirana z ± 5 odstotki), ko napetost doseže 12 V, preide v stanje ničelne obremenitve in se ne more prilagoditi znotraj meje 5 odstotkov. Linearni regulator je izvedljiva rešitev, vendar še vedno ni idealna zaradi visokih stroškov in izgube učinkovitosti.
Naša predlagana rešitev je uporaba magnetnega ojačevalnika na 12 V izhodu, lahko pa se uporabi celo topologija povratnega preleta. Za zmanjšanje stroškov je priporočljivo uporabiti feritni magnetni ojačevalnik. Vendar se krmilno vezje feritnega magnetnega ojačevalnika razlikuje od tistega pri tradicionalnem pravokotnem materialu histerezne zanke (material z visoko magnetno prepustnostjo). Krmilno vezje ferita (D1 in Q1) potopi tok, da ohrani moč na izhodu. To vezje je bilo temeljito preizkušeno. Navitja transformatorja so zasnovana za 5V in 13V izhod. Vezje lahko doseže celo vhodno moč pod-1 W (5 V 300 mW in 12 V brez obremenitve), medtem ko doseže ±5-odstotno regulacijo izhoda 12 V.
02 Za zagotovitev pretokovne zaščite uporabite obstoječe obločno vezje
Razmislite o povratnem napajalniku 5 V 2 A in 12 V 3 A. Ena od ključnih specifikacij tega napajalnika je zaščita pred prenapetostjo (OPP) na izhodu 5 V, ko izhod 12 V doseže prazno ali zelo majhno obremenitev. Oba izhoda predstavljata zahtevo za regulacijo napetosti ±5 odstotkov.
Pri običajnih rešitvah uporaba zaznavnih uporov poslabša zmogljivost navzkrižne regulacije, varovalke pa so drage. Vendar so zdaj na voljo vezja za prenapetostno zaščito (OVP). To vezje je sposobno izpolniti zahteve OPP in napetostne regulacije, kar je mogoče doseči z uporabo vezja z delnim oblokom.
R1 in VR1 tvorita aktivno prednapetost na 12V izhodu, ki omogoča regulacijo 12V, ko je 12V izhod rahlo obremenjen. Ko je izhod 5 V v stanju preobremenitve, bo napetost na izhodu 5 V padla. Navidezna bremena porabljajo veliko toka. Za zaznavanje tega velikega toka se lahko uporabi padec napetosti na R1. Q1 se vklopi in sproži vezje OPP.
03 Aktivni šuntni regulator in prednapetost
Flyback je trenutno najbolj priljubljena topologija na področju preklopnih napajalnikov z omrežne napetosti AC na nizkonapetost DC. Glavni razlog za to je edinstvena stroškovna učinkovitost zagotavljanja več izhodnih napetosti s preprostim dodajanjem dodatnih navitij na sekundar transformatorja.
Običajno povratne informacije prihajajo iz izhoda z najstrožjimi zahtevami glede tolerance izhoda. Ta izhod nato določa obrate na volt za vsa druga sekundarna navitja. Zaradi učinkov induktivnosti uhajanja izhodi ne morejo vedno doseči želene navzkrižne regulacije izhodne napetosti, zlasti če je dani izhod neobremenjen ali zelo malo obremenjen, ker so drugi izhodi popolnoma obremenjeni.
Za preprečitev dviga napetosti na izhodu pod takimi pogoji se lahko uporabi postregulator ali navidezno breme. Vendar pa zaradi povečanih stroškov in zmanjšane učinkovitosti postregulatorjev ali navideznih obremenitev niso bili dovolj privlačni, zlasti v zadnjih letih za porabo vhodne energije brez obremenitve in/ali v stanju pripravljenosti v številnih potrošniških aplikacijah. V pogojih vse strožjih regulativnih zahtev se je ta zasnova začela zanemarjati. Aktivni šuntni regulator, prikazan na sliki 3, ne rešuje le problema regulacije napetosti, ampak tudi zmanjša vpliv stroškov in učinkovitosti.
Vezje deluje na naslednji način: Ko sta oba izhoda v regulaciji, uporovni delilnik R14 in R13 prednastavita tranzistor Q5, ki ohranjata Q4 in Q1 izklopljena. V teh pogojih delovanja tok skozi Q5 deluje kot majhna prednapetost na izhodu 5 V.
Standardna razlika med izhodom 5 V in izhodom 3,3 V je 1,7 V. Ko obremenitev zahteva dodaten tok iz izhoda 3,3 V brez enakega povečanja toka obremenitve iz izhoda 5 V, se bo izhodna napetost povečala v primerjavi z izhodom 3,3 V. Pri napetostni razliki, večji od približno 100 mV, se Q5 izklopi, vklopi Q4 in Q1 ter omogoči pretok toka iz izhoda 5 V v izhod 3,3 V. Ta tok bo znižal napetost na izhodu 5 V, kar bo zmanjšalo napetostno razliko med obema izhodoma.
Količina toka v Q1 je določena z razliko v napetosti na obeh izhodih. Zato lahko vezje ohranja oba izhoda regulirana ne glede na njuno obremenitev, tudi v najslabšem primeru, ko je izhod 3,3 V popolnoma obremenjen, izhod 5 V pa neobremenjen. Q5 in Q4 v zasnovi zagotavljata temperaturno kompenzacijo, saj se temperaturne spremembe VBE v vsakem tranzistorju medsebojno izničijo. Diodi D8 in D9 nista potrebni, vendar ju je mogoče uporabiti za zmanjšanje disipacije moči v Q1, s čimer odpravite potrebo po dodajanju hladilnega telesa v zasnovo.
Vezje se odziva samo na relativno razliko med obema napetostima in je večinoma neaktivno pri polni in majhni obremenitvi. Ker je shunt regulator priključen iz izhoda 5 V na izhod 3,3 V, lahko tokokrog zmanjša aktivno disipacijo za 66 odstotkov v primerjavi z ozemljenim shunt regulatorjem. Rezultat je visoka učinkovitost pri polni obremenitvi in nizka poraba energije od majhne obremenitve do brez obremenitve.
04 Visokonapetostni vhodni stikalni napajalnik z uporabo StackFET
Industrijska oprema, ki deluje na trifazni izmenični tok, pogosto zahteva pomožno napajalno stopnjo, ki lahko zagotovi regulirano nizkonapetostni enosmerni tok za analogna in digitalna vezja. Primeri takih aplikacij vključujejo industrijske pogone, sisteme UPS in števce energije.
Specifikacije za to vrsto napajanja so veliko strožje od tistih, ki se zahtevajo za standardna stikala. Ne samo, da so vhodne napetosti v teh aplikacijah višje, ampak mora oprema, zasnovana za trifazne aplikacije v industrijskih okoljih, prenašati tudi zelo široka nihanja - vključno s podaljšanimi časi padca, napetostnimi sunki in občasno izgubo ene ali več faz. Poleg tega je določen obseg vhodne napetosti za te pomožne napajalnike lahko širok od 57 VAC do 580 VAC.
Oblikovanje takega preklopnega napajalnika širokega razpona je lahko izziv, predvsem zaradi visokih stroškov visokonapetostnih MOSFET-ov in omejitve dinamičnega razpona tradicionalnih krmilnih zank PWM. Tehnologija StackFET omogoča kombinacijo poceni nizkonapetostnih MOSFET-jev z nazivno 600 V in integriranih napajalnih krmilnikov podjetja Power Integrations, kar omogoča preprosto in poceni zasnovo stikalnih napajalnikov, ki lahko delujejo v širokem območju vhodne napetosti.
Vezje deluje na naslednji način: Tok na vhodu vezja lahko prihaja iz trifaznega trižičnega ali štirižilnega sistema ali celo iz enofaznega sistema. Trifazni usmernik je sestavljen iz diod D1-D8. Upori R1-R4 zagotavljajo omejevanje zagonskega toka. Če se uporabljajo taljivi uporniki, jih je mogoče med napako varno odklopiti, ne da bi potrebovali ločeno varovalko. Pi filter je sestavljen iz C5, C6, C7, C8 in L1 za filtriranje popravljene enosmerne napetosti.
Upori R13 in R15 se uporabljajo za uravnoteženje napetosti med kondenzatorji vhodnega filtra. Ko se MOSFET znotraj integriranega stikala (U1) vklopi, bo izvor Q1 nizko, R6, R7 in R8 bodo zagotovili tok vrat, kapacitivnost spoja od VR1 do VR3 pa bo vklopila Q1. Zenerjeva dioda VR4 se uporablja za omejevanje napetosti izvora na vratih, ki se uporablja za Q1. Ko je MOSFET v U1 izklopljen, je največja odvodna napetost U1 ukleščena s 450 V vpenjalno mrežo, ki jo sestavljajo VR1, VR2 in VR3. To omeji odvodno napetost U1 na približno 450 V.
Morebitna dodatna napetost na koncu navitja, priključenega na Q1, bo uporabljena na Q1. Ta zasnova učinkovito porazdeli celotno popravljeno vhodno enosmerno napetost in povratno napetost med Q1 in U1. Upor R9 se uporablja za omejevanje visokofrekvenčnih nihanj med preklapljanjem, mreža klešč VR5, D9 in R10 pa se uporablja za omejevanje temenske napetosti na primarnem nastavku zaradi induktivnosti uhajanja med intervalom preleta.
Izhodni popravek zagotavlja D1. C2 je izhodni filter. L2 in C3 tvorita sekundarni filter za zmanjšanje preklopnega valovanja na izhodu.
VR6 se vklopi, ko izhodna napetost preseže skupni padec napetosti na diodi optičnega sklopnika in VR6. Sprememba izhodne napetosti povzroči spremembo toka skozi diodo optičnega sklopnika v U2, kar posledično spremeni tok skozi tranzistor v U2B. Ko ta tok preseže mejni tok pina FB U1, je naslednji cikel onemogočen. Regulacijo izhoda je mogoče doseči z nadzorom števila ciklov omogočitve in onemogočitve. Ko je preklopni cikel vklopljen, se cikel konča, ko tok naraste do interne tokovne meje U1. R11 se uporablja za omejevanje toka skozi optični sklopnik med prehodnimi obremenitvami in za prilagajanje ojačanja povratne zanke. Upor R12 se uporablja za prednapetost Zener diode VR6.
IC U1 (LNK 304) ima vgrajene funkcije, tako da je vezje zaščiteno pred izgubo povratnega signala, kratkim stikom na izhodu in preobremenitvijo. Ker se U1 napaja neposredno iz zatiča DRAIN, dodatno prednapetje na transformatorju ni potrebno. C4 se uporablja za zagotavljanje notranjega ločevanja napajanja.
05 Dober izbor usmerniških diod lahko poenostavi in zniža stroške vezja filtra EMI v pretvornikih AC/DC
To vezje lahko poenostavi in zniža stroške vezja filtra EMI v pretvornikih AC/DC. Da bi bil napajalnik AC/DC skladen z EMI, je potrebna uporaba velikega števila komponent EMI filtra, kot sta kondenzatorja X in Y. Standardna vhodna vezja za napajalnike AC/DC vključujejo mostični usmernik za popravljanje vhodne napetosti (običajno 50-60 Hz). Ker gre za nizkofrekvenčno izmenično vhodno napetost, je mogoče uporabiti standardne diode, kot je serija diod 1N400X, tudi zato, ker so te najcenejše.
Te filtrirne naprave se uporabljajo za zmanjševanje EMI, ki jih ustvarja napajalnik, da so v skladu z objavljenimi omejitvami EMI. Ker pa se meritve, ki se uporabljajo za beleženje EMI, začnejo šele pri 150 kHz in je frekvenca izmenične napetosti le 50 ali 60 Hz, je obratni obnovitveni čas standardnih diod (glej sliko 5-1), ki se uporabljajo v mostičnih usmernikih razmeroma počasi. dolgo in običajno ni neposredno povezano z nastajanjem EMI.
Vendar pa so vhodna filtrska vezja v preteklosti včasih vključevala kondenzatorje vzporedno z mostnim usmernikom, da bi zadušili vse visokofrekvenčne valovne oblike, ki jih povzroča usmerjanje nizkofrekvenčne vhodne napetosti.
Ti kondenzatorji niso potrebni, če so v mostičnem usmerniku uporabljene diode za hitro obnovitev. Ko se napetost na teh diodah začne obračati, se zelo hitro obnovijo (glejte sliko 5-2). To zmanjša induktivno vzbujanje blodečega voda v vhodni liniji izmeničnega toka z zmanjšanjem kasnejših visokofrekvenčnih izklopov in EMI. Ker lahko 2 diodi vodita vsak pol cikla, morata biti samo 2 od 4 diod tipa hitre obnovitve. Podobno mora imeti samo ena od dveh diod, ki prevajata vsak pol cikel, karakteristiko hitre obnovitve.
Valovne oblike vhodne napetosti in toka prikazujejo zaskok diode na koncu povratne obnovitve.
06 Uporabite mehki zagon, da onemogočite nizkocenovne izhode za zadrževanje tokovnih konic
Za izpolnjevanje strogih specifikacij za napajanje v stanju pripravljenosti so nekateri napajalniki z več izhodi zasnovani tako, da prekinejo izhod, ko je signal v stanju pripravljenosti aktiven.
Običajno se to doseže z izklopom serijskega obvodnega bipolarnega tranzistorja (BJT) ali MOSFET-a. Za nizke tokovne izhode so BJT lahko primerna in cenejša alternativa MOSFET-jem, če je močnostni transformator zasnovan z upoštevanjem dodatnega padca napetosti na tranzistorjih.
