Stručný návod pro návrh přístrojového napájecího zdroje

Stručný návod pro návrh přístrojového napájecího zdroje Michal Kubíček Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

Poznámka

Návod je koncipován jako stručný úvod pro začátečníky v oblasti návrhu neizolovaných napájecích zdrojů malého výkonu (přibližně do 50W).

Materiál vznikl za podpory grantu FRVŠ F1/a č. 1456 (rok 2011):

„Inovace laboratorní výuky předmětu Napájení elektronických zařízení “

strana 2

[email protected]

Požadavky

Je třeba definovat požadavky:  Rozsah vstupního napětí UIN_MIN, UIN_MAX  Požadované výstupní napětí UOUT  Maximální výstupní proud IOUT_MAX

 Kvalita (zvlnění) výstupního napětí – určuje vlastnosti výstupního filtru a volbu použití lineárního / spínaného regulátoru  Celková účinnost

strana 3

[email protected]

Možná realizace

Tři základní možnosti realizace lineární stabilizátor

UIN

spínaný stabilizátor

strana 4

UOUT

spínaný stabilizátor lineární stabilizátor

[email protected]

Vlastnosti realizací

Lineární stabilizátor + Velmi jednoduché zapojení + Rychlá odezva na změnu zátěže

+ Nízký šum na výstupu stabilizátoru (malé zvlnění) UIN = 8-20V

UOUT = 5V

7805

strana 5

[email protected]

– Vstupní napětí musí být vždy větší, než výstupní napětí – musí být zajištěn minimální úbytek napětí UDROP_MIN. Ten bývá cca 2 až 2,5V u běžných stabilizátorů, u tzv LDO stabilizátorů bývá i méně něž 100 mV – Při velkém rozdílu napětí nízká účinnost, závislá na rozdílu vstupního a výstupního napětí


Spínaný stabilizátor + Velmi vysoká účinnost (jen málo závislá na napájecím napětí)

– Složité zapojení, více součástek, zpravidla dražší

+ Snadno lze realizovat zdroje schopné dodat i desítky ampér

– Zdroj EM rušení

+ Vstupní napětí může být větší i menší, než požadované výstupní napětí + Menší rozměry a hmotnost

strana 6

[email protected]

– Výstupní napětí je zvlněné, nevhodné pro citlivé analogové obvody (nutná dodatečná filtrace)


Spínaný stabilizátor + LDO + Velmi vysoká účinnost (jen málo závislá na napájecím napětí)

– Složité zapojení, více součástek, zpravidla dražší

+ Snadno lze realizovat zdroje schopné dodat i desítky ampér

– Zdroj EM rušení

+ Vstupní napětí může být větší i menší, než požadované výstupní napětí + Menší rozměry a hmotnost + Výstupní napětí je bez zvlnění strana 7

[email protected]

Příklad použití: Lineární stabilizátor

strana 8

[email protected]

Příklady použití

Lineární stabilizátor Přístroj je napájen síťového adaptéru, na jehož výstupu je napětí 5V. Většina obvodů v přístroji pracuje na napětí 5V, část obvodů ale potřebuje napájecí napětí 3,3V, přičemž jejich celkový proudový odběr je do 80 mA. Lineární stabilizátor zde patrně vyhoví, výkonová ztráta je: PZ = UDROP ∙ IOUT_MAX = (5V – 3,3V) ∙ 0,08A = 0,136W Poznámka: při použití spínaného stabilizátoru ve stejné aplikaci lze očekávat účinnost při plné zátěži cca 85%, ztrátový výkon je pak přibližně: PZ = (1/ƞ – 1) ∙ UOUT ∙ IOUT_MAX = (1/0,85 – 1) ∙ 3,3V ∙ 0,08A = 0,047W Rozdíl příkonu 90 mW je při síťovém napájení zpravidla zanedbatelný (vzhledem k celkovému odběru zařízení)

strana 9

[email protected]


Lineární stabilizátor Nyní je třeba vybrat obvod, který má při daném proudu (0,08A) maximální dovolený úbytek napětí (UDROP_MAX) menší, než je hodnota UDROP_MAX ≤ UDROP = UIN – UOUT = 5V – 3,3V = 1,7V Tomuto požadavky nevyhoví klasické stabilizátory řady 78xx Je třeba vybrat z tzv. LDO regulátorů, vyhoví například typ LM1117, který je k dostání jak v provedení na 3,3V, tak v provedení nastavitelném – výstupní napětí lze regulovat pomocí odporového děliče v rozsahu UREF až (UIN – UDROP) tedy 1,25V až 3,7V

strana 10

[email protected]


Lineární stabilizátor Verze s pevným výstupním napětím (LM1117-3.3)

Verze s nastavitelným výstupním napětím (LM1117-ADJ)

Při výběru velikosti a typu kondenzátoru (keramický, tantalový, elektrolytický) je vždy nutné postupovat dle katalogového listu obvodu!!! Obrázky převzaty z katalogového listu obvodu LM1117: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1117-n.pdf

strana 11

[email protected]


Lineární stabilizátor Vhodný integrovaný stabilizátor lze snadno najít a vybrat pomocí webových nástrojů, které jsou k dispozici na stránkách výrobců těchto obvodů.

Příklad: Texas Instruments

Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com)

strana 12

[email protected]


Lineární stabilizátor Vhodný integrovaný stabilizátor lze snadno najít a vybrat pomocí webových nástrojů, které jsou k dispozici na stránkách výrobců těchto obvodů. Nalezeno celkem 112 vhodných integrovaných obvodů!!!


strana 13

[email protected]

Příklad: Texas Instruments

Příklad použití: Spínaný stabilizátor

strana 14

[email protected]


Spínaný stabilizátor Přístroj je napájen z baterie o nominálním napětí 12V. Většina obvodů v přístroji ale pracuje na napětí 3,3V, přičemž jejich celkový proudový odběr je až 5A (příkon 16,5W). Ideální aplikace pro spínaný stabilizátor (účinnost odhadneme na 85%): PZ = (1/ƞ – 1) ∙ UOUT ∙ IOUT_MAX = (1/0,85 – 1) ∙ 3,3V ∙ 5A = 2,9W Poznámka: při použití lineárního stabilizátoru ve stejné aplikaci by byl ztrátový výkon příliš velký. Zařízení by muselo být chlazeno velkým chladičem a bylo by tak velmi těžké, velké a drahé: PZ = (UIN – UOUT) ∙ IOUT_MAX = (12V – 3,3V) ∙ 5A = 43,5W

strana 15

[email protected]


Spínaný stabilizátor Výrobci spínaných stabilizátorů dnes nabízejí tři typy realizace, přičemž každá má své výhody a nevýhody a ne pro každé parametry lze najít všechny tři realizace:  Spínaný stabilizátor (s integrovanými tranzistory)  Spínaný regulátor (s externími tranzistory)

 Modul regulátoru

strana 16

[email protected]


Spínaný stabilizátor Spínaný stabilizátor (s integrovanými tranzistory) + Jednoduché zapojení + Nízká cena + Malá plocha na plošném spoji – Menší účinnost – Menší variabilita návrhu


strana 17

[email protected]


Spínaný stabilizátor Spínaný regulátor (s externími tranzistory) + Vysoká účinnost + Velká variabilita + Pro větší výkony – Složité zapojení – Dražší – Větší plocha na plošném spoji


strana 18

[email protected]


Spínaný stabilizátor Modul regulátoru + Dobrá účinnost + Spíše pro větší výkony + Ihned k použití, ověřená funkčnost + Velmi jednoduché zapojení – Málo flexibilní – Drahé


strana 19

[email protected]


Spínaný stabilizátor Pro každou aplikaci je nutné zvážit pro a proti konkrétních řešení. Stránky výrobců jsou opět výborným vodítkem při tomto rozhodování:


strana 20

[email protected]


Spínaný stabilizátor Některé realizace jsou podporovány výrobcem (zdarma) poskytovaným návrhovým softwarem, který umožňuje velmi jednoduchý návrh spínaného zdroje


strana 21

[email protected]


Spínaný stabilizátor

Ukázka výstupu návrhového SW Hotové zapojení měniče s vybraným řídicím integrovaným obvodem, potřebnými externími součástkami a s jejich konkrétními hodnotami (typy) K dispozici jsou také obvodové analýzy, BOM (materiálová rozpiska), doporučené rozložení součástek na plošném spoji, atd. Hodnoty součástek lze do značné míry měnit a sledovat tak vliv na parametry stabilizátoru


strana 22

[email protected]





strana 23

[email protected]





strana 24

[email protected]





strana 25

[email protected]

Příklad použití: Spínaný stabilizátor + LDO

strana 26

[email protected]


Spínaný stabilizátor + LDO Přístroj je napájen z baterie o nominálním napětí 12V. Napájené zařízení má následující požadavky na napájecí větve: • 5V / 5A – silová část • 3,3V / 0,2A – digitální řízení • 2,5V / 1A – citlivé analogové obvody – nelze přímo připojit na výstup spínaného stabilizátoru, nutné použít lineární stabilizátor Zde je vhodné použít kombinaci spínaných a lineárních stabilizátorů.

strana 27

[email protected]


Spínaný stabilizátor + LDO 2,8W

12V/5V spínaný

5,0A

silová část

0,07W

12V/3,3V spínaný

0,2A

digitální řízení

9,5W 12V/2,5V lineární Nevhodné řešení Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90%

strana 28

[email protected]

1,0A

citlivé analogové obvody



5,0A

12V/5V spínaný

silová část

0,44W 0,2A

12V/3,3V spínaný


0,7W

3,3V/2,5V lineární Varianta 1 Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90%

strana 29

[email protected]

1,0A




5,0A

12V/5V spínaný

silová část

0,44W 0,2A

5V/3,3V spínaný


0,7W

3,3V/2,5V lineární Varianta 2 Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90%

strana 30

[email protected]

1,0A




5,0A

12V/5V spínaný

silová část

0,07W 0,2A

12V/3,3V spínaný 0,3W

0,2W

12V/2,7V spínaný

2,7V/2,5V lineární

Varianta 3 Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90%

strana 31

[email protected]

1,0A




Spínaný stabilizátor + LDO Mezi jednotlivými variantami je třeba vybrat podle konkrétních požadavků na složitost (spolehlivost) systému, cenu, velikost zdroje a celkovou účinnost. Návrh spínaných zdrojů i lineárního stabilizátoru odpovídá postupu popsanému dříve v této prezentaci. Pozor! U varianty 1 a 2 je třeba výstup spínaného stabilizátoru 3,3V dimenzovat na proud, který je roven součtu výstupního proudu větvě 3,3V a proudu větve 2,5V, tedy celkem 1,2A!

strana 32

[email protected]

www Někteří výrobci integrovaných stabilizátorů ON Semicondutcor

http://www.onsemi.com/

Texas Instruments

http://www.ti.com/

Fairchild

http://www.fairchildsemi.com/

Linear Technology

http://www.linear.com/

National Semicondutcor

http://www.national.com/

Analog Devices

http://www.analog.com/

Maxim

http://www.maxim-ic.com/

ST Microelectronics

http://www.st.com/

Taiwan Semiconductor

http://www.ts.com.tw/

NXP

http://www.nxp.com/

ROHM

http://www.rohm.com/

Diodes Inc.

http://www.diodes.com/

Freescale

http://www.freescale.com/

...

strana 33

[email protected]

Stručný návod pro návrh přístrojového napájecího zdroje

Recommend Documents