Wykorzystanie zaawansowanych przełączających układów scalonych do wdrażania sprawnych, bogatych w funkcje zasilaczy prądu zmiennego-stałego niskiej mocy

Zasilacze prądu zmiennego-stałego niskiej mocy (około 10W lub mniejszej) są szeroko stosowane w domowych ściemniaczach, przełącznikach, czujnikach, urządzeniach AGD, Internecie rzeczy (IoT) oraz sterowaniu przemysłowym. Ich cykl roboczy jest stosunkowo krótki, a ich obciążenia pozostają w trybie czuwania przez długi czas, a mimo to zasilacz musi „wybudzić się” szybko po włączeniu urządzenia.

Projektowanie takich zasilaczy jest koncepcyjnie łatwe: należy zacząć od kilku diod do prostowania linii, dodać układ scalony kontrolera, umieścić kondensatory filtrujące na wyjściu, wstawić transformator, jeśli potrzebna jest izolacja - zadanie wykonane. Jednak pomimo pozornej prostoty, realia tworzenia tych zasilaczy różnią się znacznie.

Muszą one zapewniać podstawową funkcję dostarczania stabilnego napięcia prądu stałego na szynie wyjściowej i spełniać wiele rygorystycznych przepisów dotyczących bezpieczeństwa użytkownika, sprawności pod obciążeniem i sprawności w trybie czuwania. Projektanci dodatkowo muszą wziąć pod uwagę kwestie związane z fizycznym układem, komponentami pomocniczymi, niezawodnością, ewaluacją parametrów działania, certyfikacją i obudowami, ponieważ pracują oni również nad minimalizacją zajmowanej powierzchni i kosztów, przy jednoczesnym zachowaniu krótkiego czasu wprowadzenia produktu na rynek.

W niniejszym artykule przedstawiono grupę wysoce zintegrowanych układów scalonych kontrolerów przełączających offline firmy Power Integrations i zademonstrowano sposób ich wykorzystania, aby sprostać omawianym wyzwaniom.

Zintegrowany tranzystor MOSFET i układ scalony kontrolera

Grupa ośmiu różnych układów scalonych kontrolerów przełączających offline LinkSwitch-TNZ firmy Power Integrations łączy w sobie przełącznik mocy MOSFET 725V z kontrolerem zasilania w jednym urządzeniu zamkniętym w obudowie SO-8C. Każdy monolityczny układ scalony oferuje znakomitą wytrzymałość na udary, zawiera oscylator, wysokonapięciowe przełączane źródło prądowe z samoczynną polaryzacją, fluktuacje częstotliwościowe, szybkie ograniczanie prądu (w każdym cyklu), histeretyczne wyłączanie termiczne oraz wyjściowe i wejściowe obwody zabezpieczenia nadnapięciowego.

Omawiane urządzenia mogą stanowić rdzeń nieizolowanego układu, takiego jak konstrukcja przetwornicy obniżającej (ilustracja 1), przy wykorzystaniu urządzenia LNK3306D-TL z prądem wyjściowym 225mA lub 360mA, w zależności od wybranego trybu przewodzenia. Mogą być również skonfigurowane jako nieizolowane zasilacze obniżająco-podwyższające, dostarczające prąd wyjściowy o maksymalnym natężeniu 575mA.

Ilustracja 1: ten typowy projekt nieizolowanej przetwornicy obniżającej wykorzystujący produkt z grupy LinkSwitch jest tylko jedną z wielu możliwych topologii, które można wdrożyć przy użyciu tych urządzeń. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Choć odbiorniki wyposażone w podwójną izolację lub w inny sposób zabezpieczone przed usterkami oprzewodowania linii prądu zmiennego nie wymagają izolacji galwanicznej, niektóre urządzenia takiej izolacji wymagają. W takiej sytuacji lepszym wyborem jest zastosowanie urządzeń LinkSwitch-TNZ w konstrukcji izolowanej typu flyback z wejściem uniwersalnym. Urządzenia te oferują do 12W mocy wyjściowej we wspomnianej topologii.

Układy scalone z grupy LinkSwitch-TNZ oferują różne prądy i moce wyjściowe, w zależności od topologii (tabela 1).

Tabela 1: produkty z grupy LinkSwitch-TNZ obsługują wiele konfiguracji, topologii i tryby pracy. Każdy układ ma inny maksymalny prąd wyjściowy lub moc graniczną. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Od koncepcji do wdrożenia

Wysoka integracja i elastyczność produktów z grupy LinkSwitch-TNZ upraszcza pracę projektanta. Wśród wielu wyzwań związanych z opracowaniem certyfikowanych projektów zasilaczy przeznaczonych do wysyłki można wymienić:

1. Rygorystyczne obowiązkowe wymagania związane ze sprawnością i bezpieczeństwem. Są one trudne do spełnienia ze względu na konieczność zapewnienia zasilania w trybie czuwania przy jednoczesnym spełnieniu surowych przepisów dotyczących sprawności energetycznej w tym trybie. Układy scalone LinkSwitch-TNZ zapewniają najlepszą w klasie sprawność przy niskich obciążeniach, umożliwiając zasilanie większej liczby funkcji systemu przy jednoczesnym spełnieniu przepisów dotyczących czuwania, takich jak:
   • norma Komisji Europejskiej (KE) dla urządzeń AGD (1275), która wymaga, aby urządzenia zużywały nie więcej niż 0,5W w trybie czuwania i wyłączenia
   • norma Energy Star w wersji 1.1 dla systemów zarządzania energią w domach inteligentnych (SHEMS), która ogranicza zużycie energii przez urządzenia sterujące oświetleniem inteligentnym do 0,5W w trybie czuwania
   • chińska norma GB24849, która ogranicza pobór mocy kuchenek mikrofalowych w trybie wyłączenia do 0,5W

Układy scalone LinkSwitch-TNZ spełniają te wymagania, a dodatkowo liczba ich komponentów jest o co najmniej 40% mniejsza w porównaniu z konstrukcjami dyskretnymi. Omawiane zasilacze impulsowe umożliwiają regulację w zakresie ±3% na linii i obciążeniu, charakteryzują się poborem mocy w stanie jałowym poniżej 30mW przy zewnętrznej polaryzacji, a ich prąd w trybie czuwania jest mniejszy od 100µA.

2. Bezpieczna obsługa dwuprzewodowych połączeń linii prądu zmiennego bez przewodu neutralnego oraz połączeń trójprzewodowych. Wiele odbiorników, takich jak ściemniacze, przełączniki i czujniki, nie posiada tego trzeciego przewodu, więc istnieje ryzyko nadmiernego i potencjalnie niebezpiecznego prądu upływu. Przywołana norma definiuje maksymalny prąd upływu w różnych okolicznościach, przy czym produkty LinkSwitch-TNZ nie przekraczają wspomnianej wartości maksymalnej, jako że ich prąd upływu wynosi poniżej 150µA w konstrukcjach dwuprzewodowych bez przewodu neutralnego.
3. Nieprzekraczanie limitów emisji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Aby osiągnąć ten cel, oscylatory urządzeń LinkSwitch-TNZ wykorzystują technikę rozproszonego widma, która wprowadza niewielkie fluktuacje częstotliwości wynoszące 4kHz wokół nominalnej częstotliwości przełączania 66kHz (ilustracja 2). Szybkość modulacji fluktuacji częstotliwości jest ustawiona na 1kHz w celu optymalizacji redukcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) zarówno dla emisji średnich, jak i quasi-szczytowych.

Ilustracja 2: aby utrzymać emisje zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) poniżej limitu określonego przepisami, oscylatory urządzeń LinkSwitch-TNZ wykorzystują technikę rozproszonego widma z rozrzutem 4kHz wokół nominalnej częstotliwości przełączania 66kHz. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

4. Wykrywanie przejść przez zero w linii prądu zmiennego przy minimalnych dodatkowych komponentach lub minimalnym poborze mocy. Wykrywanie to jest potrzebne w przypadku przełączników oświetlenia, ściemniaczy, czujników i wtyczek, które okresowo łączą i rozłączają linie prądu zmiennego za pomocą przekaźnika lub triaka.

Sygnał przejścia przez zero jest wykorzystywany przez produkty i urządzenia automatyki domów inteligentnych i budynków (HBA) do sterowania przełączaniem w celu zminimalizowania obciążeń związanych z przełączaniem oraz prądów udarowych systemów.

Podobnie urządzenia często wykorzystują dyskretne obwody wykrywania przejścia przez zero do sterowania synchronizacją silników i mikrokontrolerów MCU. Wspomniane zastosowania wymagają również zasilania pomocniczego dla łączności bezprzewodowej, sterowników bramek, czujników i wyświetlaczy.

Aby to osiągnąć, zwykle stosuje się obwód dyskretny do wykrywania linii prądu zmiennego przejścia przez zero w celu sterowania włączaniem głównego urządzenia mocy przy jednoczesnym zmniejszeniu strat przełączania i początkowego prądu rozruchowego. Takie podejście wymaga wielu komponentów i jest bardzo stratne, a czasami zużywa prawie połowę budżetu mocy w trybie czuwania.

Zamiast tego układy scalone LinkSwitch-TNZ dostarczają dokładny sygnał wskazujący, że sinusoidalna linia prądu zmiennego jest na poziomie zero woltów. Wykrywanie punktu przejścia przez zero w urządzeniach LinkSwitch-TNZ zużywa poniżej 5mW, co pozwala systemom zmniejszyć straty mocy w trybie czuwania w porównaniu z innymi rozwiązaniami, które wymagają co najmniej dziesięciu komponentów dyskretnych i rozpraszają od 50 do 100mW mocy ciągłej.

Jest jeszcze kondensator X

Liniowe filtry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) zawierają kondensatory klasy X i Y minimalizujące generowanie zakłóceń elektromagnetycznych i zakłóceń o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI). Są one podłączane bezpośrednio do wejścia zasilania prądu zmiennego na linii prądu zmiennego oraz do neutralnego przewodu prądu zmiennego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: filtrowanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) wymaga kondensatorów filtrujących klasy X i klasy Y na linii prądu zmiennego, ale kondensator klasy X wymaga zarządzania po odłączeniu linii, aby zapewnić bezpieczeństwo użytkownika. (Źródło ilustracji: www.topdiode.com)

Przepisy bezpieczeństwa wymagają, aby kondensatory X w filtrach zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) były rozładowywane po odłączeniu linii prądu zmiennego, aby zapewnić, że zmagazynowane napięcie i energia nie pozostaną w przewodzie sieciowym przez dłuższy czas po odcięciu zasilania. Maksymalny dopuszczalny czas rozładowania jest określony przez normy branżowe, takie jak IEC60950 i IEC60065.

Tradycyjne podejście do zapewnienia wymaganego rozładowania polega na dodaniu rezystorów upływowych równolegle do kondensatora X. Takie podejście wiąże się jednak z kosztami pod względem mocy. Lepszym rozwiązaniem jest dodanie funkcji rozładowywania kondensatora X ze stałą czasową ustawianą przez użytkownika. Podejście to zastosowano w układach scalonych, takich jak LNK3312D-TL. Skutkuje ono zmniejszeniem rozmiarów płytki drukowanej, skróceniem wykazu materiałów (BOM) i zwiększoną niezawodnością.

Zasilacze i przetwornice wymagają wielu funkcji zabezpieczających. Wszystkie urządzenia z grupy układów scalonych LinkSwitch-TNZ posiadają:

• Płynne uruchamianie ograniczające obciążenia komponentów układu podczas rozruchu
• Automatyczne ponowne uruchamianie w przypadku zwarć i usterek pętli otwartej
• Zabezpieczenie nadnapięciowe wyjścia
• Zabezpieczenie nadnapięciowe wejścia liniowego
• Histeretyczne zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą

Od układu scalonego do kompletnego projektu

Sam układ scalony, bez względu na jego jakość i bogactwo funkcji, nie może być kompletną, gotową do użycia przetwornicą prądu zmiennego na stały, ponieważ wiele komponentów nie może lub nie powinno być zintegrowanych w tym urządzeniu. Należą do nich kondensatory z filtrem zbiorczym, kondensatory obejściowe, cewki indukcyjne, transformatory i komponenty zabezpieczające. Potrzebę użycia komponentów zewnętrznych zilustrowano na przykładzie zasilacza stałonapięciowego 6V 80mA z nieizolowanym wejściem uniwersalnym i detekcją przejścia przez zero, bazującego na urządzeniu LNK3302D-TL (ilustracja 4).

Ilustracja 4: komponenty zewnętrzne potrzebne do realizacji kompletnego i bezpiecznego zasilacza stałonapięciowego 6V 80mA z nieizolowanym wejściem uniwersalnym i detekcją przejścia przez zero, bazującego na układzie scalonym LNK3302D-TL. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Dodatkowo istnieją minimalne wymiary zapewniające bezpieczeństwo pod kątem atrybutów, takich jak droga upływu i odstęp izolacyjny. Problemem wtedy staje się trudność opracowania kompletnego projektu. Zadanie to ułatwia grupa układów scalonych LinkSwitch-TNZ. Na przykład, dzięki zastosowaniu częstotliwości przełączania 66kHz, można użyć standardowych elementów magnetycznych, które znajdują się w ofercie wielu dostawców w postaci gotowych produktów. Ponadto firma Power Integrations oferuje projekty referencyjne.

W przypadku zastosowań wymagających izolowanego zasilania z pomocą przyjdzie projekt referencyjny RDK-877 (ilustracja 5) - izolowany zasilacz typu flyback 6W z wykrywaniem przejścia przez zero bazujący na urządzeniu LNK3306D-TL.

Ilustracja 5: projekt referencyjny RDK-877 o mocy 6W zapewnia izolację w topologii typu flyback i bazuje na urządzeniu LNK3306D-TL. (Źródło ilustracji: Power Integrations)

Omawiany zasilacz ma zakres napięć wejściowych od 90V_~ do 305V_~, napięcie wyjściowe 12V przy prądzie 500mA oraz pobór mocy w stanie jałowym poniżej 30mW w całym zakresie linii prądu zmiennego. W trybie czuwania dostępna jest moc ponad 350mW, a sprawność w trybie aktywnym spełnia wymagania Departamentu Energii USA DOE6 oraz certyfikatów zgodności (CoC) WE (v5) - osiągając przy obciążeniu nominalnym powyżej 80% sprawności pełnoobciążeniowej. Konstrukcja spełnia również wymagania klasy B wg norm EN550022 oraz CISPR-22 w zakresie przewodzonych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Podsumowanie

Zaprojektowanie i wdrożenie zasilacza prądu zmiennego-stałego niskiej mocy może wydawać się trywialne. Jednak realia osiągnięcia celów dotyczących parametrów działania i sprawności, wymogów bezpieczeństwa i przepisów, a także wymagań dotyczących kosztów, zajmowanej powierzchni i czasu wprowadzenia na rynek sprawiają, że jest to zadanie trudne. Istotnie ułatwiają je przełączające układy scalone, na przykład należące do grupy LinkSwitch-TNZ firmy Power Integrations, która obejmuje połączone kontrolery i tranzystory MOSFET. Omawiane układy scalone obsługują różne poziomy mocy i mogą być używane z różnymi topologiami zasilania, a jednocześnie posiadają podstawowe funkcje, takie jak wykrywanie przejścia przez zero i rozładowywanie kondensatora X.