Alexandr Krejèiøík SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSwitch Praha 2002

Alexandr Krejèiøík

SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSwitch

Praha 2002

Alexandr Krejèiøík

Spínané napájecí zdroje s obvody TOPSwitch Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù. Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Veškerá práva vyhrazena. © Ing. Alexandr Krejèiøík, 2002 Nakladatelství BEN – technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Alexandr Krejèiøík: Spínané napájecí zdroje s obvody TOPSwitch BEN – technická literatura, Praha 2002 1. vydání ISBN 80-7300-031-8

TOPSwitch

1.

POPIS OBVODÙ TOPSWITCH ...... 23

2.

NÁVRH ZPÌTNOVAZEBNÍHO OBVODU ......................................... 113

3.

KONSTRUKCE TRANSFORMÁTORU ................... 185

4.

NÁVRH ZDROJE POMOCÍ KØIVEK .......................... 235

5.

METODY OCHRANY PROTI S͍OVÉMU PØEPÌTÍ ..... 245

6.

PROBLÉMY NÁVRHU .................. 255

7.

OBVODY PRO REGULACI NA KONSTANTNÍ PROUD A VÝKON ........................................ 287

8.

NÁVRH ZDROJE S VÍCE VÝSTUPY ......................... 309

9.

NEIZOLOVANÝ ZPÌTNOVAZEBNÍ ZDROJ .......... 339

10.

DALŠÍ PØÍKLADY SPÍNANÝCH ZDROJÙ ................. 349

OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH ZNAÈEK A SYMBOLÙ ............... 13 ÚVOD ................................................................................. 19 1

POPIS ÈINNOSTI OBVODÙ TOPSWITCH ...................... 23

1.1 1.1.1 1.1.1.1 1.1.2 1.1.2.1 1.1.2.2 1.1.2.3 1.1.2.4 1.1.2.5 1.1.2.6 1.1.2.7 1.1.2.8 1.1.2.9 1.1.2.10 1.1.2.11 1.1.3 1.1.4 1.1.5 1.1.6 1.1.7 1.1.8 1.2 1.2.1 1.2.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4

Popis èinnosti obvodù TOP100-104 .................................................. 24 Popis obvodù ......................................................................................... 24 Popis funkce jednotlivých vývodù ......................................................... 25 Popis funkce obvodù ............................................................................. 26 Øídicí napìtí obvodù ............................................................................. 27 Reference typu bandgap ....................................................................... 28 Oscilátor ................................................................................................ 28 Pulznì šíøkový modulátor (PWM) .......................................................... 29 Budiè hradla tranzistoru MOSFET ........................................................ 29 Chybový zesilovaè (EA) ........................................................................ 29 Proudové omezení v každém cyklu èinnosti ......................................... 29 Start obvodù .......................................................................................... 30 Vypínání vlivem zpìtné vazby ............................................................... 30 Ochrana proti pøehøátí ........................................................................... 30 Vysoké napìtí zpìtnovazebního proudového vstupu ........................... 30 Zpìtnovazební zdroj 5 V/5 W s TOP100 ............................................... 31 Zdroj 7,5 V/15 W se zpìtnou vazbou optronem .................................... 32 Zdroj 15 V/30 W s pøesnou zpìtnou vazbou optronem ......................... 33 Preregulátor zvyšující vstupní napìtí 110 V na výstupní 265 V ............ 34 Aplikaèní doporuèení obvodù TOPSwitch ............................................. 35 Parametry obvodù TOP100-104 ........................................................... 36 Popis èinnosti obvodù TOP200-204, 214 .......................................... 38 Popis obvodù ......................................................................................... 38 Parametry obvodù ................................................................................. 39 Popis èinnosti obvodù TOP209-210 .................................................. 40 Popis obvodù ......................................................................................... 41 Popis vývodù ......................................................................................... 41 Aplikaèní doporuèení ............................................................................. 41 Parametry obvodù ................................................................................. 42 Popis èinnosti obvodù TOP221-227 .................................................. 43 Popis obvodù ......................................................................................... 43 Výbìr typu obvodu ................................................................................ 43 Popis vývodù ......................................................................................... 43 Dvojitý zdroj 5 V a 12 V/4 W .................................................................. 44

6

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

1.4.5 1.4.6 1.4.7 1.4.8 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.2.1 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6 1.5.7 1.5.8 1.5.9 1.5.10 1.5.11 1.5.12 1.5.13 1.5.14 1.5.15 1.5.16 1.5.17 1.5.18 1.5.19 1.5.20 1.5.21 1.5.22 1.5.23 1.5.24 1.5.25 1.5.26 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.2 1.6.3 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.7.4 1.7.5 1.7.6

A

Univerzální zdroj 12 V/20 W .................................................................. 45 Aplikaèní podmínky ............................................................................... 46 Nahrazení obvodù TOPSwitch obvody TOPSwitch-II ........................... 46 Parametry obvodù TOPSwitch-II ........................................................... 47 Popis èinnosti obvodù TOP232-234 .................................................. 48 Popis obvodù ......................................................................................... 50 Funkce vývodù ...................................................................................... 51 Èinnost øídicího vývodu ......................................................................... 53 Oscilátor a spínací kmitoèet .................................................................. 55 Pulznì šíøkový modulátor (PWM) a maximální støída spínání .............. 55 Minimální støída spínání a pøerušovaný režim ...................................... 56 Chybový zesilovaè ................................................................................. 56 Proudové omezení na èipu s externím nastavením .............................. 57 Detekce podpìtí (UV) ............................................................................ 58 Detekce pøepìtí (OV) ............................................................................ 59 Omezení maximální støídy DCMAX .................................................................................................... 59 Vnìjší vypínání a zapínání (ON/OFF) a synchronizace ........................ 60 Mìkký start zdroje ................................................................................. 61 Vypnutí a autorestart zdroje .................................................................. 62 Tepelná ochrana s hysterezí ................................................................. 62 Reference typu bandgap ....................................................................... 62 Proud vlastní spotøeby pøi vysokonapìovém napájení ........................ 62 Použití vývodù FREQUENCY a MULTIFUNCTION .............................. 63 Zdroj s výkonem 30 W ........................................................................... 69 Zdroj s výkonem 35 W a vícenásobným výstupem ............................... 70 Zdroj o výkonu 17 W a pohotovostním režimem ................................... 72 Procesorem øízené zapínání a vypínání zdroje ..................................... 73 Srovnání obvodù øady TOPSwitch-FX s obvody TOPSwitch-II ............ 74 Pokyny k návrhu zdroje s obvody TOPSwitch-FX ................................. 75 Rozmístìní souèástek na plošném spoji ............................................... 77 Parametry obvodù øady TOP232-234 ................................................... 79 Výbìr obvodu pomocí grafù .................................................................. 82 Popis èinnosti obvodù TOP412-414 .................................................. 88 Popis obvodù ......................................................................................... 88 Zdroj 5V/2A ............................................................................................ 89 Aplikaèní doporuèení ............................................................................. 90 Parametry obvodù TOP412-414 ........................................................... 91 Popis èinnosti obvodù TOP242-249 .................................................. 92 Popis funkce jednotlivých vývodù ......................................................... 93 Popis èinnosti obvodù ........................................................................... 95 Parametry obvodù ............................................................................... 103 Zdroj 12 V/2,5 A ................................................................................... 104 Zdroj 70 W/19 V .................................................................................. 106 Zdroj 250 W/48 V/5,2 A ....................................................................... 107 A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

7

1.7.7 1.7.8

Zdroj 60 W s vícenásobnými výstupy .................................................. 108 Rozložení souèástek ........................................................................... 110

2

NÁVRH ZPÌTNOVAZEBNÍHO OBVODU ...................... 113

2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.4.1 2.1.4.2 2.1.4.3 2.2 2.2.1 2.3 2.3.1 2.4 2.4.1 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.2.1 2.5.2.2 2.5.2.3

Základní principy zpìtnovazebních obvodù pro TOPSwitch ........ 114 Zpìtnovazební zapojení zdroje ........................................................... 114 Lineární napájecí zdroje ...................................................................... 116 Spínané zdroje .................................................................................... 116 Teorie zpìtné vazby ............................................................................ 118 Ideální model nespojitého režimu ....................................................... 118 Ideální model spojitého režimu ............................................................ 120 Neideální model (nespojitý i spojitý mód èinnosti) .............................. 122 Postup návrhu ................................................................................... 125 Postup krok za krokem ........................................................................ 127 Jednoduchá zpìtná vazba u obvodù TOP200 ................................ 149 Jednoduchý zdroj s napìtím 5 V a obvodem TOP200 ....................... 149 Zapojení bez zpìtné vazby ............................................................... 157 Zdroj bez zpìtné vazby 5,1 V/20 mA .................................................. 158 Úèinnost zpìtnovazebního zapojení s obvodem TOPSwitch ....... 160 Zdroj 24 V/34 W .................................................................................. 160 Úèinnost zdroje STA204A s obvodem TOPSwitch .............................. 163 Mìøicí technika úèinnosti ..................................................................... 164 Návrh pro vyšší úèinnost ..................................................................... 166 Špièková hodnota primárního proudu ve spojitém a nespojitém režimu ......................................................... 181

3

KONSTRUKCE TRANSFORMÁTORU .......................... 185

3.1

Konstrukèní materiály transformátorù ............................................ 187

3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.3.1 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5

Metody konstrukce transformátorù ................................................. 188 Vinutí s definovanými okraji ................................................................. 188 Konstrukce transformátoru pøi použití trojitì izolovaných vodièù ........ 190 Technika konstrukce transformátoru ................................................... 191 Technika vícenásobných výstupù transformátoru ............................... 194 Program pro konstrukci transformátoru ......................................... 198 Parametry programu, použité pro specifikaci transformátoru ............. 199 Postup krokù konstrukce transformátoru ............................................ 199 Pøíklady konstrukce transformátorù pro zdroj 12 V/15 W ............. 204 Vstupní parametry programu ............................................................... 204 Pøíklad konstrukce transformátoru s okraji vinutí ................................ 208 Pøíklad konstrukce transformátoru s trojitì izolovanými vodièi ........... 213 Program pro návrh zpìtnovazebního transformátoru ................... 220

8

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

4

NÁVRH ZDROJE POMOCÍ KØIVEK .............................. 235

4.1

Typické ztráty ..................................................................................... 236

4.2

Pøehled køivek rychlého výbìru ....................................................... 237

4.3

Rychlý návrh ...................................................................................... 239

4.4

Výbìr správného obvodu TOPSwitch-II .......................................... 239

4.5

Univerzální zdroj +5 V s výkonem 30 W .......................................... 240

4.6

Zdroj s výstupním výkonem 30 W, napájený z napìtí 230 V ......... 240

4.7

Teplota obvodu TOPSwitch-II ........................................................... 240

4.8

Vliv vstupního napìtí na zdroj +12 V/35 W ..................................... 242

4.9

Urèení kapacity vstupního kondenzátoru ....................................... 243

5

METODY OCHRANY PROTI S͍OVÉMU PØEPÌTÍ ...... 245

5.1

Typický pøechodný napìový test ................................................... 246

5.2

Mìøení obvodových parametrù ........................................................ 248

5.3

Mìøení v diferenciálním módu .......................................................... 253

6

PROBLÉMY NÁVRHU .................................................... 255

6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.2

Pøíklady pøedcházení problémùm v obvodech napájecího zdroje .............................................................................. 260 Popis zapojení zdroje ST200 – 5 V/1 A ............................................... 261 Popis zapojení zdroje ST202A – 7,5 V/2 A ......................................... 262 Popis zapojení zdroje ST204A – 15 V/30 W ....................................... 263 Ochrana interního tranzistoru proti pøepìtí .................................... 264

6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5

Návrh plošného spoje ....................................................................... 265 Metoda zemnìní do jednoho bodu ...................................................... 265 Ideální rozmístìní souèástek ............................................................... 266 Pravidla pro rozmístìní souèástek na plošném spoji .......................... 266 Návrh zpìtnovazebního transformátoru ......................................... 267 Výkon a indukènost primárního vinutí ................................................. 267 Køivky transformaèního pomìru závitù ................................................ 270 Optimalizace úèinnosti spínaného zdroje ...................................... 270

6.6 6.6.1 6.6.2 6.7

Návrh tepelných pomìrù .................................................................. 271 Chladiè ................................................................................................. 271 Tepelná ochrana celého spínaného zdroje ......................................... 272 Autorestart ......................................................................................... 272

6.8

Výstupní pøepìová ochrana ........................................................... 273

6.9

Proud pro zmìnu støídy .................................................................... 275

A

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

9

6.10

Èinnost pøi minimální hodnotì støídy .............................................. 275

6.11 6.11.1 6.11.2 6.12 6.12.1 6.12.2 6.13 6.13.1 6.13.2 6.14

Smyèka zpìtné vazby ....................................................................... 275 Základní techniky ................................................................................ 275 Obvod TOPSwitch s rozšíøenou šíøkou pásma ................................... 277 EMI (Electromagnetic Interference, elektromagnetické rušení) ... 278 Pøednosti obvodù TOPSwitch ............................................................. 278 Návrh odrušovacího filtru .................................................................... 278 Mìkký start ......................................................................................... 278 Zpìtná vazba s optronem .................................................................... 278 Zpìtná vazba ze samostatného vinutí ................................................ 279 Doporuèené zapojení optronu ......................................................... 280

6.15 6.15.1 6.15.2 6.16

Obvod vypínání pøi vstupním podpìtí ............................................. 280 Zpìtná vazba s optronem .................................................................... 280 Zpìtná vazba ze samostatného vinutí ................................................ 281 Zdvojovaè napìtí pro zvýšení výstupního napìtí .......................... 282

6.17

Preregulátor PFC (Power Factor Correction = korekce úèiníku) ................................ 283 Inverzní (závìrné) napìtí kolektor-emitor ........................................... 284 Autorestart ........................................................................................... 284 Pøíklad zapojení preregulátoru pro výkon 65 W .................................. 284

6.17.1 6.17.2 6.17.3

7

OBVODY PRO REGULACI NA KONSTANTNÍ PROUD A VÝKON ............................ 287

7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.1.6 7.1.7 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5

Tranzistorový obvod proudového limitu zdroje 7,5 V/1 A ............. 288 Napìový øídicí obvod ......................................................................... 290 Proudový øídicí obvod .......................................................................... 291 Vliv teploty pøechodu ........................................................................... 292 Kmitoètová kompenzace ..................................................................... 292 Zdroj zpìtnovazebního napìtí ............................................................. 292 Napìové pomìry na optronu ............................................................. 293 Snímání proudu operaèním zesilovaèem ............................................ 294 Popis zdroje 15 V/2 A ........................................................................ 294 Napìový øídicí obvod ......................................................................... 295 Obvod øízení proudu ............................................................................ 296 Primární a sekundární napájecí zdroj zpìtnovazební smyèky ............ 296 Sériový odpor optronu ......................................................................... 299 Kmitoètová kompenzace smyèek napìové a proudové zpìtné vazby .................................................................... 299 Øízení zdroje 15 V/2 A na konstantní výkon ................................... 300 Popis obvodu ....................................................................................... 300 Korekce nepøesného napìtí Zenerovy diody ...................................... 303

7.3 7.3.1 7.3.2

10

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

7.4 7.4.1 7.4.2 7.4.3

Zapojení zdroje s vysokou pøesností proudového omezení výstupu ......................................................... 304 Nastavení výstupního napìtí a výstupního proudu ............................. 305 Zpìtnovazební vinutí primární strany .................................................. 306 Zpìtnovazební vinutí sekundární strany ............................................. 307

8

NÁVRH ZDROJE S VÍCE VÝSTUPY .............................. 309

8.1

Postup návrhu ................................................................................... 311

8.2

Požadavky na výstupní napìtí ......................................................... 311

8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3 8.3.4 8.3.5 8.3.6 8.3.7 8.4

Návrh transformátoru ....................................................................... 313 Pøehled parametrù návrhu transformátoru .......................................... 315 Výpoèet poètu sekundárních závitù .................................................... 316 Výbìr výstupního vodièe ..................................................................... 318 Oddìlená sekundární vinutí ................................................................ 320 Spoleèná výstupní vinutí ..................................................................... 320 Konstrukce vinutí pro zlepšení køížové regulace ................................. 322 Kontrola návrhu ................................................................................... 322 Návrh výstupního usmìròovaèe ...................................................... 323

8.5

Popis èinnosti obvodu ...................................................................... 325

8.6

Spojení optronem .............................................................................. 329

8.7

Obvod mìkkého startu ..................................................................... 330

8.8

Zlepšení regulace pøi malých hodnotách výstupní zátìže ............ 331

8.9

Výstupy záporného napìtí ................................................................ 331

8.10 8.10.1 8.10.2 8.10.3 8.11

Výstupy 3,3 V a 5 V ............................................................................ 332 Lineární stabilizátor ............................................................................. 332 Odboèka na vinutí +5 V ....................................................................... 333 Samostatná vinutí ................................................................................ 333 Konstrukèní detaily transformátoru ................................................ 335

9

NEIZOLOVANÝ ZPÌTNOVAZEBNÍ ZDROJ ................... 339

9.1 9.1.1 9.1.2 9.1.3 9.2

Zdroj pro stejnosmìrný motor ......................................................... 340 Výbìr souèástek pro nastavení hodnoty výstupního napìtí ............... 342 Zatìžovací a pøevodní charakteristika, teplotní závislost .................... 342 Zpìtnovazební øídicí vstup a souèástky zpìtné vazby ........................ 343 Zdroj pro motor 5 V s pomocnými výstupy .................................... 343

9.3

Levný zdroj s výstupním napìtím +5 V ........................................... 345

9.4

Návrh transformátoru ....................................................................... 347

A

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

11

10

DALŠÍ PØÍKLADY SPÍNANÝCH ZDROJÙ .................... 349

10.1

Levný zdroj s malým poètem souèástek ........................................ 350

10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 10.2.7 10.2.8 10.2.9 10.2.10 10.2.11 10.2.12 10.3 10.3.1 10.3.1.1 10.3.2 10.3.2.1 10.3.3 10.3.3.1 10.4

Napájecí zdroj pro výkonový pøijímaè ............................................. 355 Souhrn požadavkù pøijímaèe PLT-20 na napájení .............................. 356 Souhrn vlastností návrhu ..................................................................... 356 Seznam souèástek .............................................................................. 358 Postup vinutí transformátoru ............................................................... 359 Zatìžovací charakteristika ................................................................... 360 Pøevodní charakteristika ...................................................................... 361 Pøechodová charakteristika na pulzní zmìnu zátìže .......................... 361 Závislost úèinnosti na vstupním støídavém napìtí .............................. 362 Závislost úèinnosti zdroje na zatìžovacím proudu ............................. 363 Oteplení klíèových souèástek .............................................................. 363 Mìøení základního støídavého šumu ................................................... 363 Støídavá vstupní impedance ................................................................ 364 DC/DC mìnièe .................................................................................... 365 Mìniè z –48 V/+3,3 V .......................................................................... 366 Transformátor ...................................................................................... 367 Mìniè s vícenásobným výstupem +5 V/±15 V .................................... 371 Transformátor mìnièe ......................................................................... 373 DC/DC mìniè +48 V/–55 V ................................................................. 375 Transformátor mìnièe ......................................................................... 376 Spínaný zdroj 375 V/15 V bez transformátoru ................................ 378

10.5

Nabíjeèka pro akumulátory 12 V ...................................................... 380

PØÍLOHA I ....................................................................... 383 PØÍLOHA II ...................................................................... 384 PØÍLOHA III ..................................................................... 385 LITERATURA .................................................................. 386

12

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAÈEK A SYMBOLÙ Ae [cm2] AL [H/T2]

– efektivní prùøez magnetického jádra transformátoru – efektivní hodnota indukèní konstanty jádra transformátoru bez vzduchové mezery v jádøe – indukèní konstanta jádra bez vzduchové mezery AL [H] ALG [H] – indukèní konstanta pro nastavenou velikost šíøky vzduchové mezery (G = gap = mezera) AWG – americké oznaèení prùmìrù vodièù (American Wire Gauge) – støídavá efektivní hodnota magnetické indukce BAC [T] BM, BMAX [T] – maximální hodnota magnetické indukce BOOST – oznaèení pro spínané zdroje zvyšující napìtí na výstupu proti napìtí vstupnímu (boost = vzhùru) BR – oznaèení mùstkového usmìròovaèe na schématech (BR = bridge = most) BUCK – oznaèení pro spínané zdroje, snižující výstupní napìtí oproti napìtí vstupnímu (buck off = shodit) – závìrné napìtí mezi kolektorem a emitorem tranzistoru MOSFET BVDSS [V] (BV = breakdown voltage = poruchové závìrné napìtí) BW [mm] – šíøka cívky pro vinutí (BW = bobin width = šíøka cívky) BWE [mm] – efektivní šíøka cívky, napø. pro vícevrstvé vinutí je dána souèinem poètu vrstev vinutí a šíøky cívky C – oznaèení kondenzátoru na schématu – kapacita mezi vývody DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch CDRAIN [F] CIN [F] – kapacita vstupního kondenzátoru zdroje CMA [Cmils/A] – proudová kapacita vodièe (Cmil = circular mil = plocha kruhového prùøezu v milech, 1 mil = 1/1000 palce = 25,4 µm) CMOS – oznaèení typu technologie tranzistoru øízeného polem (CMOS = = Complementary Metal Oxide Semiconductor = komplementární – struktura s tranzistory s kanálem N i P, vytvoøená z kovu, oxidu a polovodièe) CONTROL – oznaèení øídicího vstupu obvodù TOPSwitch (control = øízení) cos j – úèiník – kapacita kondenzátoru mìkkého startu (SS = soft start) CSS [F] CT [F] – kapacita vstupu CONTROL proti SOURCE CuL – oznaèení pro mìdìný vodiè s lakovou izolací CX [F] – kapacita blokovacího kondenzátoru

A

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

13

CXT [F] D DC/DC

– kapacita primárního vinutí transformátoru – oznaèení diody na schématu – pøevodník ze stejnosmìrného napìtí na vstupu na stejnosmìrné napìtí na výstupu, obvykle o jiné velikosti èi polaritì (DC = direct current = pøímý, stejnosmìrný proud) – maximální hodnota støídy spínání (DC = duty cycle = pracovní cyklus DCMAX [%] = obvykle pomìr doby sepnutí k dobì periody, nìkdy i pomìr doby sepnutí k dobì rozepnutí) – minimální hodnota støídy spínání DCMIN [%] dI/dt [A/s] – rychlost nárùstu (nebo poklesu) proudu v èase, strmost nárùstu proudu DIA [mm] – prùmìr vodièe (dia = diameter = prùmìr) DIAS [mm] – prùmìr sekundárního vodièe DIL – oznaèení typu pouzdra integrovaného obvodu (DIL = dual in line = vývody ve dvou øadách) DIP-8 – oznaèení typu pouzdra integrovaného obvodu s osmi vývody DRAIN – oznaèení elektrody obvodù TOPSwitch, na kterou je uvnitø struktury pøipojen i drain (kolektor) interního tranzistoru MOSFET du/dt [V/s] – rychlost nárùstu (nebo poklesu) napìtí v èase, strmost nárùstu napìtí EA – oznaèení pro chybový zesilovaè na schématu (EA = error amplifier = chybový zesilovaè) EMI – oznaèení pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMI = electromagnetic interference = elektromagnetické vzájemné pùsobení) ESL [W] – efektivní sériový odpor cívky (ESL = effective serial L = efektivní sériový – odpor – cívky) ESR [W] – efektivní sériový odpor kondenzátoru (ESR = effective serial resistor) – kmitoèet sítì (L = line = sí) f L [Hz] fS [Hz] – kmitoèet spínání, pøepínání (S = switch = pøepínání) FREQUENCY – oznaèení vývodu obvodu TOPSwitch, pomocí kterého lze nastavovat hodnotu spínacího kmitoètu HV RTN – oznaèení výstupního zemního vodièe (HV RTN = high voltage return = návrat vysokého napìtí) – efektivní hodnota støídavého proudu (AC = alternating current = støíIACRMS [A] davý proud, RMS = root mean square = støední kvadratická hodnota = efektivní hodnota) – støední hodnota proudu (AVG = average = prùmìr) IAVG [A] IC [A] – nabíjecí proud vstupu CONTROL ICTRL [A] – proud øídicí elektrody CONTROL obvodu TOPSwitch – proud elektrody DRAIN obvodu TOPSwitch, s níž je uvnitø struktury ID [A] spojen drain (kolektor) interního MOSFET tranzistoru IDC1 [A] – vybíjecí proud øídicí elektrodou CONTROL pøi interním tranzistoru MOSFET sepnutém (DC = discharge current = vybíjecí proud)

14

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

IDC2 [A]

– vybíjecí proud øídicí elektrodou CONTROL pøi interním tranzistoru MOSFET rozepnutém – proud vývodem FREQUENCY IF [A] ILIMIT [A] – proud omezení, limitace obvodu TOPSwitch (limit = hranice, mez) ILIMIT int [A] – proud interního (vnitøního) omezení obvodem TOPSwitch IM [A] – maximální hodnota proudu IM(DC) [A] – maximální hodnota proudu – proudová hranice mezi spojitým a nespojitým režimem èinnosti spíIOB [A] naného zdroje – špièková hodnota primárního proudu IP [A] IPRI [A] – proud primárním vinutím transformátoru IR [A] – zvlnìná hodnota primárního proudu IRIPPLE [A] – efektivní hodnota zvlnìného proudu (ripple = vlnìní) IRMS [A] – efektivní hodnota primárního proudu ISEC [A] – proud sekundárním vinutím transformátoru ISP [A] – špièková hodnota sekundárního proudu – efektivní hodnota sekundárního proudu ISRMS [A] IUV [A] – proud podpìtí (UV = under voltage = pod napìtí = podpìtí) j [A/mm2] – proudová hustota KJA [K/W] – tepelný odpor mezi pøechodem (junction = pøechod) a okolím (ambient = okolí) – tepelný odpor mezi pøechodem a pouzdrem souèástky KJC [K/W] (case = pouzdro) – koeficient pomìru zvlnìného a špièkového proudu KRP [%] (RP = ripple peak = zvlnìní – špièka) L [H] – indukènost L – oznaèení cívky (tlumivky) na schématu Le [cm] – efektivní délka magnetické siloèáry jádra transformátoru LED – oznaèení pro svítivou diodu na schématu (LED = light emitting diode = svìtlo emitující dioda) Lg [m] – velikost „vzduchové“ mezery v magnetickém obvodu jádra transformátoru (Lg = length gap = délka mezery) – maximální hodnota indukènosti cívky LMAX [H] LMIN [H] – minimální hodnota indukènosti cívky LP [H] – indukènost primárního vinutí transformátoru M [mm] – velikost (délka) izolaèní vzdálenosti mezi okrajem vinutí a cívkou transformátoru MOSFET – oznaèení unipolárního tranzistoru (MOS = metal oxide semiconductor = kov oxid polovodiè), øízeného polem (FET = field effect transistor = tranzistor s efektem elektrického pole) MULTIFUNCTION – oznaèení vícefunkèní elektrody obvodù TOPSwitch øady FX

A

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

15

N NB NJ [1/V]

– oznaèení vinutí transformátoru – poèet závitù zpìtnovazebního vinutí (B = bias = ovlivnit) – konstanta transformátoru, urèující poèet závitù na jeden volt daného vinutí – poèet závitù primárního vinutí transformátoru NP NS – poèet závitù sekundárního vinutí transformátoru OD [mm] – prùmìr vodièe vèetnì tloušky jeho izolace (OD = out diameter = = vnìjší prùmìr) – prùmìr sekundárního vodièe vèetnì tloušky jeho izolace ODS [mm] ON/OFF – oznaèení vstupu, kterým lze obvod TOPSwitch zapínat a vypínat (pøechod z aktivní èinnosti do neaktivní a naopak) OV – pøepìtí (OV = over voltage = pøepìtí) P [W] – výkon P1 [W] – pøíkon, primární výkon – ztrátový výkon pøepínacími ztrátami PCXT [W] PF – oznaèení pro úèiník (cos j) v USA (Power Factor = výkonový faktor) PFC – korekce úèiníku (Power Factor Correction = korekce výkonového faktoru) – ztrátový výkon obvodù TOPSwitch vedením proudu sepnutým PIR [W] interním tranzistorem MOSFET – maximální hodnota závìrného (B = bias = ovlivnit) špièkového napìtí PIVB [V] na usmìròovací diodì zpìtnovazebního usmìròovaèe (PIV = peak inverse voltage = špièkové závìrné napìtí) – maximální hodnota závìrného špièkového napìtí na usmìròovací PIVS [V] diodì sekundárního usmìròovaèe – minimální hodnota výkonu PMIN [W] PN – oznaèení pro PN pøechod (polovodièové diody, tranzistoru, ...) PO, POUT [W] – výstupní výkon (O = output = výstup) PPEAK [W] – špièkový výkon PWM – zkratka pro oznaèení pulznì šíøkové modulace jako regulaèního principu spínaného zdroje (PWM = pulse width modulation = pulznì šíøková modulace) R – oznaèení odporu na schématu – ohmická hodnota odporu RA, RB [W] RC – oznaèení pro RC èlen, tj. pro dvojici odpor a kondenzátor RCD – oznaèení pro ochranný obvod na primáru transformátoru, složený z odporu, kondenzátoru a diody – odpor diody D v propustném smìru RD [W] RDS(ON) – odpor kanálu interního tranzistoru MOSFET v obvodu TOPSwitch mezi kolektorem (DRAIN) a emitorem (SOURCE) v sepnutém stavu (ON)

16

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

RE [W] RIL [W] RLS [W] RZD2 [W] SFe [m2] SMD SMD-8 SOURCE T [s] T1 T100 [s] tC [s] TC [1/cm] THD Tj [°C] TO-220-7B tOFF [s] tON [s] U UACMAX [V] UACMIN [V] UB [V] UBE [V] UCES [V] UCLO [V] UCTRL [V] UD, UF [V] UD2 [V] UDB [V] UDS [V] UDS(ON) [V]

A

– interní snímací odpor v TOPSwitch – odpor nastavení omezení proudu – odpor nastavení velikosti hranice podpìtí a pøepìtí – odpor Zenerovy diody ZD2 v pracovním bodì za kolenem její charakteristiky v závìrném smìru – prùøez jádra transformátoru – sufrace mounting devices = povrchová montហsouèástek – typ pouzdra integrovaného obvodu s osmi vývody pro SMD montហ– oznaèení pro elektrodu obvodù TOPSwitch, která je internì spojena s emitorem (source) tranzistoru MOSFET – doba periody spínání – oznaèení transformátoru na schématu – doba periody napìtí po dvoucestném usmìrnìní sítì 50 Hz – doba po kterou vede dioda vstupního usmìròovaèe proud (C = conducting = vedení, vodivý) – poèet závitù daného vodièe, který se vejde na 1 cm šíøky vinutí cívky – oznaèení pro zkreslení v USA (THD = total harmonic distortion = = celkové harmonické zkreslení) – teplota pøechodu (J = junction = pøechod) – typ pouzdra obvodù TOPSwitch se sedmi pozicemi pro vývody, ale jen s pìti skuteènými vývody – doba vypnutí, rozepnutí – doba sepnutí – oznaèení integrovaného obvodu na schématu – nejvyšší možná efektivní hodnota støídavého (síového) vstupního napìtí spínaného zdroje – nejnižší možná efektivní hodnota støídavého (síového) vstupního napìtí spínaného zdroje – hodnota zpìtnovazebního napìtí – napìtí na bázovém pøechodu bipolárního tranzistoru v propustném smìru (mezi bází a emitorem) – saturaèní napìtí bipolárního tranzistoru – indukované napìtí na primárním vinutí transformátoru – napìtí mezi øídicí elektrodou CONTROL a elektrodou SOURCE (zem) obvodu TOPSwitch – napìtí na diodì v propustném smìru (F = forward = pøední) – propustné napìtí na diodì D2 – propustné napìtí na diodì zpìtnovazebního usmìròovaèe – propustné napìtí na diodì sekundárního usmìròovaèe – napìtí mezi elektrodami DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch pøi jeho sepnutí A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

17

UDSmax [V]

– maximální napìtí mezi elektrodami DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch – napìtí mezi elektrodami DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch v jeho UDSo [V] rozepnutém stavu – stejnosmìrné vstupní napìtí (na kondenzátoru C1 zdroje) UIN [V] ULED [V] – napìtí na svítivé diodì (LED) optronu v propustném smìru UMS [V] – napìtí mezi vývody MULTIFUNCTION a SOURCE UO, UOUT [V] – výstupní napìtí UOV [V] – velikost pøepìtí, pøi kterém reaguje pøepìová ochrana obvodù TOPSwitch – velikost závìrného napìtí na diodì (R = reverse = zpìtný) UR [V] UREF [V] – velikost referenèního napìtí (obvykle obvodu TL431) – velikost podpìtí, pøi kterém reaguje podpìová ochrana obvodù UUV [V] TOPSwitch UV – oznaèení pro podpìtí (UV = under voltage = podpìtí) – napìtí na Zenerovì diodì v pracovním bodì v závìrném smìru za UZD2 [V] kolenem její VA charakteristiky VA – zkratka pro voltampérovou charakteristiku souèástky – maximálné hodnota tloušky stìny cívky WF(max) [m] WT(min) [m] – celková šíøka cívky vèetnì tloušky boèních stìn (pro možnost zjištìní, zda se taková cívka vejde do jádra) Z [W] – impedance – impedance vstupní elektrody CONTROL proti SOURCE ZC [W] ZD – oznaèení pro Zenerovu diodu na schématu, také ZD1, ZD2, ... h [%] – úèinnost p – Ludolfovo èíslo (3,14159...) DICTRL [A] – zmìna proudu øídicí elektrodou CONTROL DID [A] – zmìna proudu elektrodou DRAIN DUOUT [V] – zmìna výstupního napìtí zdroje DUREF [V] – zmìna referenèního napìtí FM [Wb] – maximální (špièková) hodnota magnetického toku jádra tRR [s] – vypínací doba diody (RR = reverse recovery time = doba závìrného zotavení)

18

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

ÚVOD Obvody TOPSwitch Firma Power Integrations, Inc. 5245 Hellyer Avenue San Jose, CA 95138 USA vyrábí nìkolik øad obvodù TOPSwitch. Tyto obvody lze vzhledem k jejich jednoduchosti pøirovnat k tøísvorkovým lineárním monolitickým stabilizátorùm a lze je považovat za souèasné optimum øešení spínaných zdrojù o výkonu do 250 W. V ÈR se prodávají vybrané obvody, urèené pro napájení ze sítì 230 V, tj. obvody TOP2xx. Napø. fa GM Electronic inzeruje (ke dni 14. 11. 2001) následující typy tìchto obvodù: W\S 723<$, 723<$, 723<$, 7233), 723<$,

VNOþtVOR     

FHQD.þ     

Všechna zapojení, která jsou uvedena s obvody TOP1xx jsou urèena pro støídavé napìtí sítì 110 V a lze je pøi použití obvodù TOP2xx aplikovat i na síové napìtí 230 V po zdvojnásobení poètu primárních závitù transformátoru. Detailní katalogové listy všech obvodù pro možnost porovnání jednotlivých typù jsou na adrese http://www.powerint.com/datasheets.htm, z tìchto katalogových listù vycházejí i zde uveøejnìné parametry.

Transformátory Všechny obvody TOPSwitch jsou pøednostnì urèeny do zapojení s transformátorem a zpìtnou vazbou, a již z výstupu nebo ze samostatného sekundárního zpìtnovazebního vinutí. Protože transformátor jako souèástku nelze koupit hotový a je nutno jej vždy individuálnì vinout, je zde vìnována zpùsobu zhotovení velká pozornost. Vlastní návrh transformátoru pak je dán programem v Excelu od fy Power Integrations, Inc., který si lze volnì zkopírovat po pøihlášení na adrese http://www.powerint.com/designsoftware.htm. Program je však poplatný americké provenienci a tak v øadì bodù se oznaèování velièin liší od evropských zvyklostí. Pokud by nìkterý ètenáø mìl zájem o jeho èeskou mutaci, lze se obrátit na autora pomocí e-mailu. Magnetické materiály pro konstrukci jader transformátorù, ale i další díly jako jsou kostry cívek a vodièe nejsou obvykle bìžnì na trhu. Velký sortiment tìchto materiálù však prodává jak osobnì, tak i na dobírku fa Elektronika JD&VD, Meèovská 378/3, 193 00 Praha Horní Poèernice, jejíž nabídku najdete na adrese http://www.ferity.cz/. Vede prakticky celý sortiment firmy Pramet Šumperk, jako jsou jádra (E, EI, EDT, EC, EF, toroidy apod.) vèetnì cívkových koster, montážních spon a samopájecích vodièù.

A

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

19

Firma prodává i kusové množství, ceník je na uvedené adrese. Pro odbìr ve vìtším množství je možno se obrátit i na adresu http://www.tr.edb.cz/unilex.htm, kde inzeruje firma, navíjející transformátory, cívky i odrušovací tlumivky.

Schémata zapojení Pøestože jsou si všechna schémata zapojení spínaných zdrojù s obvody TOPSwitch do znaèné míry podobná, byl pro pøehlednost popisu zvolen zpùsob kreslení vždy celého zapojení a ne jen zmìnìné èásti. Na nìkterých schématech je vedením vodièù zdùraznìno spojení souèástek v jediném zemním bodu, ale tento zpùsob spojování platí samozøejmì pro všechna uvedená zapojení. V jednotlivých popisech zapojení se i opakují nìkolikrát stejná fakta tak, aby se omezil poèet odkazù a ètenáø nemusel èíst celou knihu pøi studiu jednoho zapojení. Nìkterá schémata vycházejí z profesionálních výrobkù – spínaných napájecí zdrojù øady ST200 (v knize je nejèastìji zmiòovaný typ ST202A). Jedná se o finální výrobky urèené pro telekomunikaèní techniku, které nejsou bohužel na trhu bìžnì dostupné.

Bezpeènost Vzhledem k tomu, že všechna zapojení jsou pøímo galvanicky spojena se sítí, existuje zejména pøi oživování velké nebezpeèí úrazu a to jak dotykem na fázový vodiè proti zemi, tak dotykem mezi fázovým a nulovým vodièem. Pro oživování tìchto typù zdrojù se doporuèuje používat oddìlovacího transformátoru 1 : 1 (230 V/230 V). Takové transformátory nejsou bìžnì k dispozici, ale lze je snadno nahradit dvojicí transformátorù. Nejvhodnìjší jsou toroidní transformátory 230 V/12 V pro osvìtlovací techniku, které se vyrábìjí a standardnì prodávají pro celou škálu potøebných výkonù. Pøipojíme-li na výstup takovéhoto transformátoru stejný další, ale v opaèném pøevodu, dostaneme výsledkem oddìlovací transformátor. Pøi jeho použití již je výstupní napìtí 230 V vzhledem k zemi plovoucí a dotykem na jeden z vodièù již nemùže dojít k úrazu. Samozøejmì nebezpeèí dotyku mezi obìma výstupními vodièi trvá. Z hlediska bezpeènosti pøi vlastním provozu zdroje je nutno vìnovat mimoøádnou péèi realizaci transformátoru, který musí vyhovovat zejména z hlediska izolaèních vzdáleností jak jednotlivých vinutí, tak potom i pøipojením na plošný spoj.

Mìøení Pro všechny spínané zdroje obecnì platí omezená možnost užívat pøi mìøení støídavých mìøících pøístrojù, které obvykle nemají možnost mìøit skuteènou efektivní hodnotu daného prùbìhu. Vìtšina pøístrojù mìøí støední hodnotu po usmìrnìní a tuto hodnotu pøevádí koeficientem 1,11 na hodnotu efektivní, zobrazovanou na displeji. Koeficient 1,11 však platí pouze pro sinusový prùbìh a jakákoliv odchylka od tohoto sinusového prùbìhu znamená, že tyto pøístroje užít nelze. Proto je nejèastìjší užívání osciloskopù, které prùbìhy zobrazují vìrnì. Vìtšina osciloskopù má však svoji zem spojenu se zemí sítì a tím ve všech zapojeních spínaných zdrojù, kde je na vstupu mùstkový usmìròovaè jsou tyto osciloskopy vlastnì nepoužitelné. Øešením je užít osciloskop se speciálním vstupem, jehož vstupní svorka nižšího potenciálu

20

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

A

mùže „plavat“ na pomìrnì vysokém napìtí, nebo užít dvoukanálový osciloskop v diferenciálním zapojení a koneènì užít oddìlovací transformátor (viz výše) a zemnit osciloskopem právì ten jeden jediný mìøený bod zapojení, kam pøipojujeme zem mìøicí sondy. Pøestože spínané zdroje s obvody TOPSwitch lze považovat v souèasných aplikacích za „horkou“ novinku, existuje kromì firemní literatury velmi málo aplikaèních publikací. Je možno jen doufat, že tato publikace se stane vodítkem pro širší aplikaci tìchto obvodù, které se dostaly teprve nedávno na nᚠtrh. Publikace byla zpracována v rámci øešení úkolu Rozhodování a øízení pro prùmyslovou výrobu, Vývoj inteligentních prùmyslových automatù a prostøedí pro jejich obsluhu 34-99136 – Napájecí zdroje prùmyslových automatù. Pokud by vznikly nìjaké pøipomínky, pøípadnì dotazy, lze se obrátit na autora prostøednictvím e-mailové adresy [email protected]

A

A. KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ

NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY

TOPSWITCH

21