Uproszczenie projektowania zasilaczy dzięki łatwej w użyciu macierzy zasilaczy impulsowych (SMPS)

Projektanci produktów i urządzeń elektronicznych z pewnością będą potrzebować odpowiedniego zasilacza. W przypadku urządzeń zasilających o mocy od kilkudziesięciu watów do wielu kilowatów (kW), znalezienie odpowiednich komponentów może być trudne. Ze względu na dostępność tysięcy odpowiednich prostowników, kontrolerów mocy, przełączników i sterowników bramek, problem ten może spowolnić proces projektowania, zwiększyć koszty i skrócić terminy.

Jednym ze sposobów na uproszczenie jest rozpoczęcie pracy od sięgnięcia po inteligentne urządzenia zasilające od zaufanego dostawcy i korzystanie z jego narzędzi internetowych w celu dokonania optymalnych wyborów. Na przykład dobór i proces projektowania można przyspieszyć wykorzystując macierz komponentów zasilacza impulsowego (SMPS) zorganizowaną według zastosowania, topologii, typów urządzeń i krytycznych charakterystyk.

W niniejszym artykule omówiono pokrótce konstrukcję zasilacza impulsowego (SMPS). Następnie przedstawiono macierz komponentów zasilacza impulsowego (SMPS) firmy onsemi, która zestawia mostki prostownikowe, kontrolery, sterowniki bramek i przełączniki mocy zgodne z poszczególnymi poziomami mocy danego zastosowania. Wyjaśniono tu kluczowe definicje produktów i podano przykłady wykorzystania macierzy w celu uproszczenia doboru komponentów.

Konstrukcja zasilacza impulsowego (SMPS)

Rozważmy kluczowe elementy podstawowego zasilacza impulsowego z zasilaniem sieciowym, przeznaczonego do zastosowań USB Power Delivery (PD) o poziomie mocy 100W (ilustracja 1). Strona linii lub strona pierwotna zasilania zwykle wymaga prostownika, kontrolera korekcji współczynnika mocy (PFC), kontrolera mocy, sprzęgacza optycznego, sterowników bramek i przełączników mocy. Strona wtórna zazwyczaj wymaga kontrolera prostownika synchronicznego (SRC), przełączników prostownika synchronicznego (SR), kontrolera USB PD oraz sprzęgacza optycznego.

Ilustracja 1: na ilustracji przedstawiono główne komponenty typowego zasilacza impulsowego (SMPS) 100W. (Źródło ilustracji: onsemi, zmodyfikowana przez autora)

Komponenty tej konstrukcji są dopasowane do poziomu mocy. Projektanci muszą wybrać topologie strony pierwotnej dla korekcji współczynnika mocy (PFC) i sterowania mocą, a także topologie prostownika i regulatora po stronie wtórnej. Na podstawie tych decyzji mogą następnie dobrać poszczególne komponenty.

To właśnie tutaj macierz zasilaczy impulsowych (SMPS) firmy onsemi pomaga w doborze komponentów zasilacza (ilustracja 2).

Ilustracja 2: interaktywna macierz zasilaczy impulsowych (SMPS), która pomaga projektantom w doborze komponentów aktywnych w oparciu o klasę mocy zasilaczy i preferowaną topologię. (Źródło ilustracji: onsemi)

Macierz zasilaczy impulsowych (SMPS) pomaga w dokonaniu wyborów projektowych w oparciu o poziom i gęstość mocy, które pojawiają się w pierwszych dwóch kolumnach po lewej stronie. Najwyższe poziomy mocy znajdują się u góry i spadają w kierunku dolnego rzędu. Dostępne są poziomy mocy od 5W do ponad 3kW. Ponieważ gęstość mocy jest miarą mocy przypadającej na jednostkę objętości, ultrawysoka gęstość mocy pozwala uzyskać mniejsze obudowy w porównaniu do zasilaczy o wysokiej gęstości. Alternatywą dla tych dwóch opcji jest obudowa niskoprofilowa. Macierz określa poziom napięcia zasilania proporcjonalnie do poziomu mocy.

Każdy poziom mocy w macierzy posiada od jednego do trzech rzędów zalecanych komponentów odpowiadających wybranej gęstości mocy, wskazując wybrane komponenty dla topologii strony pierwotnej i wtórnej. Pozycje oznaczone jako N/A oznaczają, że wpis nie dotyczy danego poziomu mocy i gęstości.

Kolumna prostowników wyszczególnia sugerowane komponenty mostka prostowniczego dla odpowiedniego poziomu mocy. W niektórych przypadkach, dana pozycja jest bezmostkowa. Dzieje się tak, gdy mostek prostowniczy nie jest wymagany, gdyż jego funkcję przejął inny komponent, np. komponent korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem-pole. Pozycje z dopiskiem „fast leg” (szybkie odgałęzienie) i „slow leg” (wolne odgałęzienie) w polach korekcji współczynnika mocy (PFC) szybko identyfikują sekcje korekcji współczynnika mocy (PFC) typu totem pole. Wspomniane sekcje korekcji współczynnika mocy (PFC) posiadają przełączniki w formie wolnego odgałęzienia, które działają z częstotliwością linii, natomiast przełączniki będące szybkim odgałęzieniem działają z wyższą, bardziej typową częstotliwością przełączania.

Macierz sugeruje topologię pierwotną w oparciu o żądany poziom mocy. Zalecane są kontrolery o jednej z czterech popularnych topologii: typu flyback (przełącznik), ACF (Active Clamp Flyback), quasi-rezonansowej (QR) typu flyback lub LLC (cewka-cewka-kondensator).

Przetwornica typu flyback jest zasilaczem o topologii izolowanej bez bezpośredniego połączenia elektrycznego pomiędzy stroną pierwotną i wtórną. Gdy przełącznik mocy wyłącza się, sprzężona cewka indukcyjna przenosi energię ze strony pierwotnej do wtórnej. Sterowanie napięciem przetwornicy odbywa się za pomocą przełączania z modulacją szerokości impulsu (PWM) przy stałej częstotliwości.

Konstrukcja typu ACF (Active Clamp Flyback) do przenoszenia energii ze strony pierwotnej do wtórnej wykorzystuje koncepcję typu flyback sprzężonej cewki indukcyjnej. Dodatkowo wykorzystuje urządzenie aktywne do rozładowania lub ograniczenia indukcyjności rozproszenia sprzężonej cewki indukcyjnej do kondensatora, aby zminimalizować obciążenia przełącznika mocy MOSFET.

Topologia quasi-rezonansowa (QR) typu flyback wykorzystuje indukcyjność pasożytniczą i pojemność obwodu w celu uzyskania odpowiedzi bliskiej rezonansowi i włączenia przełącznika mocy przy minimalnym napięciu drenu. To „miękkie przełączanie” zmniejsza straty przełączania przetwornicy.Wynikowa częstotliwość przełączania nie jest stała i zmienia się w zależności od obciążenia.

Przetwornica LLC (cewka-cewka-kondensator) wykorzystuje w pełni rezonansową odpowiedź, aby zapewnić przełączanie przy całkowicie zerowym napięciu. Zmniejsza to straty przełączania nawet w stanie jałowym i dobrze sprawdza się przy wyższych poziomach mocy.

Zalecane kontrolery zestawiono dla określonych zakresów mocy, przy użyciu przełącznika dla najniższych poziomów mocy, topologii quasi-rezonansowej i ACF dla zasilaczy średniego zakresu oraz przetwornic LLC dla wyższych poziomów mocy.

Macierz zawiera szczegółowe schematy blokowe zasilaczy impulsowych (SMPS), ilustrujące połączenia między komponentami w jedenastu konkretnych konstrukcjach, obejmujące pięć różnych poziomów i gęstości mocy dostępnych w obrębie oznaczonych sekcji (ilustracja 3).

Ilustracja 3: macierz zawierająca szczegółowe schematy blokowe zasilaczy impulsowych (SMPS) dla jedenastu konkretnych projektów, obejmujących pięć różnych poziomów mocy i gęstości dostępnych w oznaczonych sekcjach. (Źródło ilustracji: onsemi)

Po wybraniu poziomu i gęstości mocy komponenty można wybrać z wierszy odpowiednich poziomów mocy i kolumn konkretnych topologii w macierzy. Kliknięcie hiperłącza numeru komponentu powoduje otwarcie rozszerzonego widoku macierzy, w którym podświetlone numery są powiązane z numerami katalogowymi DigiKey (ilustracja 4).

Ilustracja 4: kliknięcie numeru katalogowego z hiperłączem w pierwotnej macierzy otwiera rozszerzony widok macierzy z łączami do pozycji konkretnych części w witrynie DigiKey. (Źródło ilustracji: onsemi)

Wszystkie komponenty wymienione w wybranym wierszu i topologii są kompatybilne.

Korzystanie z macierzy

Doskonałym przykładem średniego zakresu mocy do celów ilustracyjnych jest zasilacz impulsowy SMPS o mocy 100W do zastosowań USB PD, podobny do urządzenia pokazanego wcześniej na schemacie blokowym z ilustracji 1. Gdy spojrzymy na macierz, wymagane zasilanie 100W znajduje się w wierszach poziomów mocy od 70W do 200W. Wybranie opcji „High” (Wysoka) w kolumnie „Power Density Rating” (Znamionowa gęstość mocy) powoduje wyświetlenie rozszerzonego widoku macierzy z łączami do niezbędnych komponentów (ilustracja 5).

Ilustracja 5: zielone ramki pokazują selekcję komponentów dla zasilacza impulsowego (SMPS) 100W o wysokiej gęstości mocy w rozszerzonym widoku macierzy. Niebieskie numery katalogowe prowadzą do odpowiedniej strony DigiKey z filtrem produktów. (Źródło ilustracji: onsemi)

Przepisy międzynarodowe, szczególnie obowiązujące w Unii Europejskiej, wymagają stosowania korekcji współczynnika mocy (PFC) przy poziomach mocy od 75W wzwyż. Zalecanym kontrolerem korekcji współczynnika mocy (PFC) jest urządzenie NCP1623 firmy onsemi. Niewielki podwyższający kontroler korekcji współczynnika mocy (PFC) NCP1623 o mocy do 300W przeznaczony jest do szybkiego ładowania zasilaczy i modułowych zasilaczy komputerowych, w scenariuszach w których podstawowymi wymaganiami są ekonomika, niezawodność, wysoki współczynnik mocy i sprawność. Wymaga on zewnętrznego mostka prostownikowego, a zalecane urządzenia to GBU6M lub GBU6K. Kompatybilnym przełącznikiem mocy korekcji współczynnika mocy (PFC) jest szybki tranzystor MOSFET NTP125N60S5H firmy onsemi o maksymalnym napięciu dren-źródło (V_DSS) 600V, maksymalnym prądzie drenu (I_D) 22A oraz rezystancji dren-źródło w stanie włączenia (R_DS(ON)) 125mΩ.

Zalecanym kontrolerem strony pierwotnej jest quasi-rezonansowy (QR) kontroler typu flyback wysokiej częstotliwości NCP1343 firmy onsemi. Jest to idealny kontroler do zasilaczy prądu zmiennego-stałego i zasilaczy open frame, ponieważ zawiera wszystkie niezbędne komponenty wymagane w nowoczesnych konstrukcjach zasilaczy impulsowych (SMPS). Jest on zgodny z przełącznikiem mocy NVD260N65S3 o następujących parametrach znamionowych: V_DSS = 650V, I_D = 12A, R_DS(ON) = 260mΩ.

Urządzenie NPC4307 firmy onsemi jest synchronicznym sterownikiem prostownikowym na stronę wtórną zasilacza. W połączeniu z tranzystorem MOSFET NTMFSC010N08M7 firmy onsemi o napięciu znamionowym V_DSS = 80V, prądzie znamionowym I_D = 61A i znamionowej rezystancji w stanie włączenia R_DS(ON) = 10mΩ zapewnia sprawność prostowania synchronicznego.

Ostatnim ważnym etapem projektowania jest wybór kontrolera USB PD, który może zarządzać sprzęgaczem optycznym po stronie wtórnej zasilacza prądu zmiennego-stałego lub regulatora mocy portu prądu stałego. Macierz sugeruje kontroler protokołu PD3.0 FUSB15101 firmy onsemi (z obsługą zasilacza programowanego (PPS) USB) na wyjściu zasilacza za pomocą tranzystora MOSFET z kanałem N NTTFS4C02NTAG firmy onsemi o napięciu znamionowym V_DSS wynoszącym 30V oraz prądzie znamionowym I_D wynoszącym 164A. Jego rezystancja w stanie włączenia R_DS(ON) wynosi 2,25mΩ przy 10V oraz 3,1mΩ przy 4,5V.

Wynikowy zasilacz dostępny jako płytka ewaluacyjna NCP1343PD100WGEVB firmy onsemi (ilustracja 6), ma zakres napięć wyjściowych od 3,1V do 21V. Jego średnia sprawność wynosi 92% przy napięciu wejściowym 115V lub 230V_~. Mieści się w obudowie o wymiarach 60 x 60 x 19mm, a jego gęstość mocy wynosi 24W/in.³.

Ilustracja 6: widok od góry (po lewej) i od dołu (po prawej) zasilacza referencyjnego USB PD 100W opartego na komponentach dobranych za pomocą macierzy zasilaczy impulsowych (SMPS). (Źródło ilustracji: onsemi)

Podsumowanie

Macierz zasilaczy impulsowych (SMPS) onsemi daje łatwą ścieżkę doboru komponentów zasilania, umożliwiając wybór kompatybilnych komponentów o znaczeniu krytycznym dopasowanych do poziomu mocy danego projektu. Skraca to czas potrzebny na znalezienie części i zawiera szybkie łącza do arkuszy danych i ofert cenowych.