Ето как може да се разработи ефективно захранване All-Electronics
Фигура 1: Схема на двустепенно захранване Texas Instruments
Фигура 2: Ефективност като функция от входното напрежение Texas Instruments
Фигура 3: Опростена електрическа схема на активна стартова схема Texas Instruments
Фигура 4: Опростен дизайн на усилвателна верига на Texas Instruments
Фигура 5: Опростена електрическа схема на ACF верига Texas Instruments
Ключови данни
Следващата статия описва метод за проектиране на ефективно захранване с изключително широк диапазон на входното напрежение и също така дава ценни съвети как да постигнете оптимизиран дизайн.
Какво би било възможно, ако човек може да проектира захранване, което да отговори на входящите и изходните нужди на всички приложения. Реалността обаче е различна, защото захранващите устройства винаги трябва да бъдат проектирани за определен диапазон на напрежението по различни причини.
Решаващи за това са вътрешните ограничения на контролерите. Техники като превключване при пресичане на нулата на напрежението, променливи честоти на превключване или синхронно коригиране позволяват да се намалят загубите в различните части на степента на мощността, но също така да се ограничи обхвата на входното и изходното напрежение. Въпреки това, много приложения изискват голям диапазон на входното напрежение, което води до много ниски или високи работни цикли и може да ограничи производителността или да причини големи загуби.
Честотата на превключване варира
Например, да предположим, че се нуждаете от преобразувател с обратен ход от 75 W за входно напрежение от 20 до 375V. За мощности до 100 W, обратната топология е добър избор, защото е най-рентабилната изолирана топология. Отминаха дните, когато контролерите превключваха с постоянна честота, тъй като съвременните контролери модулират честотата на превключване, за да постигнат висока ефективност. Като правило честотата на превключване варира в зависимост от условията на входа и изхода. Въпреки това, дизайнерите трябва да вземат предвид определени ограничения, като минималното време за включване, максималният работен цикъл и минималната и максималната честота на превключване. Тези ограничения затрудняват контролера да се справи с широк диапазон от входни напрежения.
Ако се изисква изключително широк диапазон на входното напрежение, например от 20 до 375 V, следователно е необходим различен подход. Една от възможностите е двустепенното решение, показано на фигура 1.
Първият етап е схема за предварително усилване, която е активна само при входни напрежения под 130 V. Той генерира усилващо изходно напрежение от около 130 V, така че дори при входни напрежения до 20 V коефициентът на усилване е по-малък от седем, за да се осигури правилна работа. Веднага щом входното напрежение е по-голямо от Vboost, веригата автоматично се изключва от управляващия контур, т.е.подсилващият контролер става неактивен. Галваничната връзка между входа и изхода на усилващата степен означава, че входното напрежение се подава директно към втория етап.
Вторият етап се състои от модерен контролер на обратния полет (конвертор на обратния полет). Най-ефективната топология на преобразувателя на обратния ход използва технология за активно затягане, която регенерира разсеяната енергия и осигурява плавно превключване или дори превключване, когато напрежението пресича нула. Във връзка с вторичен токоизправител е възможна ефективност до 84%.
Трябва да се отбележи, че ефективността е продукт на първия етап (предварително усилване) и втория етап (конвертор на обратния ход). При входни напрежения над 130 V, обаче, предварителното усилване се деактивира, както беше споменато, така че само вторият етап определя ефективността. В резултат на това е възможна ефективност от значително повече от 90% в широк диапазон на входното напрежение.
Референтен дизайн като пример
Референтният дизайн „Високоефективен, изключително широк входен (20 до 375 VDC) изолиран референтен проект за захранване“ от Texas Instruments (TI) обхваща диапазон на входното напрежение от 20 до 375 V и доставя изходно напрежение от 24 V с максимален изходен ток 3, 5 А. Фигура 2 показва ефективността като функция от входното напрежение.
Както се вижда от диаграмата, при входни напрежения между 25 и 375 V ефективността е над 90%, а максималната ефективност е 94%. Как е възможно това? Референтният дизайн следва същата концепция като схемата от фигура 1. По принцип дизайнът е разделен на три секции: етап преди усилване, етап ACF (Active Clamp Flyback) и стартираща схема. Докато етапът за усилване съдържа текущия контролер на режима UCC28C42 от TI, контролерът за обратно връщане UCC28780 от TI се използва в етап ACF.
Съвети за проектиране на стартираща верига
Когато започнете да проектирате електрическата схема, има някаква мисъл, която трябва да се даде на стартовата схема, тъй като е предизвикателство да се постигне широк диапазон на входното напрежение. И накрая, VDD кондензаторите на етапа преди усилване и активна скоба трябва да бъдат заредени, за да може веригата да започне. Известно е, че резистивният метод за стартиране води до по-големи загуби, особено в приложения с високи входни напрежения. Захранванията много често са в режим на готовност, поради което често се изисква активна стартираща схема, за да се намалят загубите в режим на готовност. Обикновено на устройство като MOSFET за изчерпване може да се използва в такава схема. Фигура 3 показва опростена схема за стартиране.
Изчерпването на MOSFET Q1 зарежда VDD кондензатора, докато контролерът не работи. Веднага след като напрежението VDD надвиши прага на реакция на заключването за понижено напрежение, контролерът започва да работи. Спомагателната намотка захранва контролера чрез диода D2 и Q1 може да се изключи (чрез спомагателната намотка, D1 и Q2). В схемата на референтния проект за изолирано захранване тази стартираща схема, базирана на изчерпващ MOSFET, е показана с малко повече подробности. Допълнителната намотка на трансформатора ACF flyback се използва за няколко задачи, а именно за изключване на изчерпващия MOSFET и за захранване на усилващия етап и контролера ACF.
Съвети за проектиране на схема за предварително усилване
Веригата за предварително усилване е предназначена за непрекъсната работа. Когато диодът е изключен, високият обратен ток на възстановяване на силициев диод би довел до големи загуби. Поради това се препоръчва да се използва бързо превключващ MOSFET и силициев карбид Шотки диод (SiC). Това драстично намалява загубите, особено защото със SiC диод почти не протича обратен ток на забавяне. Между другото, с помощта на байпасен диод могат да се избегнат високите импулсни токове в SiC диода (Dboost).
Както вече споменахме, изходното напрежение се регулира на 130 V. По този начин веригата за обратна връзка прекъсва работата на усилващия регулатор, ако входното напрежение е по-голямо от 130 V. Независимо от това, всички компоненти трябва да бъдат проектирани за максимално входно напрежение от 375 V (плюс резерв за безопасност) и да издържат на максималната сила на тока.
С инструмент, достъпен като безплатен софтуер от Texas Instruments (Power Stage Designer), могат да се показват напреженията и токовете на всички често срещани топологии. Това улеснява избора на тези компоненти, които могат да издържат на максималните пикови и средно ефективни стойности на напреженията и токовете.
Съвети за проектиране на ACF верига
Вторият етап е верига ACF. Нормален преобразувател с обратна връзка с пасивно затягане, работещ в периодична работа, разсейва разсеяната енергия на трансформатора в пасивна снубер верига. В ACF верига, от друга страна, тази енергия се възстановява и превключването става в широк диапазон от работни състояния с пресичане на нула на напрежението. Опростена електрическа схема може да се види на фигура 5.
ACF веригата работи в режим на преход и модулира пиковия ток от първичната страна и честотата на превключване. Q_HS помага да се възстанови и съхрани заблудената енергия в снубер кондензатор. В допълнение веригата ACF използва магнетизиращия ток на трансформатора за разреждане на капацитета на превключващия възел (Csw) и за намаляване на напрежението в превключващия възел до 0 V преди Q_LS да се включи. Това позволява превключване при пресичане на нула на напрежението и избягва превключването на загубите.
За да функционира правилно цялата система, трябва да се обърне специално внимание на трансформатора. Наред с други неща, индуктивността от първичната страна и съотношението на завоите определят режима на работа, в който веригата работи в целия диапазон на натоварване. Поради това се препоръчва да се придържате към правилата, дадени в техническия лист, и внимателно да се посочи минималното време за включване, обхватът на честотата на превключване и максималният пиков ток от първичната страна на трансформатора. С Power Stage Designer определянето на трансформатора също е много по-лесно.
И накрая, препоръчително е да се използва специална техника на навиване, тъй като е необходимо перфектно свързване на намотките. Например, първичната намотка трябва да бъде разделена, за да се вградят вторичните и пристрастни слоеве между двете половини. За по-нататъшно повишаване на ефективността също трябва да се има предвид възможността за заместване на изходния диод със синхронен токоизправител. Контролерът ACF UCC28780 работи със синхронен токоизправител като UCC24612 с измерване на източника на източване (VDS). VDS сензорът използва спада на напрежението на RDS (включен) на MOSFET и диода на тялото, за да включи и изключи синхронния изправител MOSFET. Синхронният токоизправител може да бъде поставен или от положителната, или от отрицателната страна на изходната намотка. Ако е в положителната пътека, електромагнитните общ режим смущения са по-ниски, но в този случай контролерът не може да се захранва от изходното напрежение. Вместо това е необходима допълнителна намотка или резистор-кондензатор-диодна верига за захранване на синхронния токоизправител.
Обобщение
Референтният дизайн на Texas Instruments за изолирано захранване показва добър начин за постигане на много широк диапазон на входното напрежение. С концепция като двустепенното захранване може да се постигне ефективност от над 90% в комбинация с висока производителност. Референтните проекти за мощност на Texas Instruments предоставят решения за голямо разнообразие от случаи на употреба. Използвайте го във вашите проекти за развитие. Често пъти ще намерите дизайн със сходни спецификации, който е добра отправна точка и може да ускори процеса на проектиране.