Käytä edistyneitä hakkurimikropiirejä tehokkaiden, monipuolisten ja pienitehoisten AC/DC-virtalähteiden toteuttamiseen

Kirjoittaja Bill Schweber

Julkaisija DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa

Pienitehoisia enintään 10 W:n AC/DC-virtalähteitä käytetään laajalti kodin himmentimissä, kytkimissä, antureissa, kodinkoneissa, esineiden internetissä (Internet of Things, IoT) ja teollisuuden ohjauslaitteissa. Niiden käyttöjakso on suhteellisen lyhyt, ja niiden kuorma on valmiustilassa pitkiä aikoja, mutta virtalähteen täytyy ”herätä” nopeasti, kun laite aktivoidaan.

Tällaisten virtalähteiden suunnittelu on periaatteessa helppoa: aloitat muutamalla diodilla verkkovirran tasasuuntausta varten, lisäät ohjainmikropiirin, laitat suodatinkondensaattorit lähtöön, lisäät muuntajan, jos tarvitaan erotusta, ja tehtävä on valmis. Näiden virtalähteiden luonnissa on kuitenkin huomattavia eroja näennäisestä yksinkertaisuudesta huolimatta.

Niiden on täytettävä perusvaatimukset eli tuottaa stabiili DC-lähtöjännite, ja täyttää useita haasteellisia käyttäjäturvallisuutta, kuormituksen aikaista hyötysuhdetta ja valmiustilan hyötysuhdetta koskevia viranomaismääräyksiä. Lisäksi suunnittelijoiden täytyy ottaa huomioon fyysiseen layoutiin, tukikomponentteihin, luotettavuuteen, suorituskyvyn arviointiin, sertifiointiin ja kotelointiin liittyvät ongelmat ja pyrkiä samalla myös minimoimaan tilantarve ja kustannukset sekä lyhentämään markkinoilletuontiaikaa.

Tässä artikkelissa esitellään yrityksen Power Integrations korkeasti integroitu verkkovirralle tarkoitettu hakkuriohjainmikropiirien tuoteperhe ja osoitetaan, miten sen avulla voidaan vastata näihin haasteisiin

Integroitu MOSFET ja ohjainmikropiiri

Power Integrations -yrityksen kahdeksan erilaista verkkovirralle tarkoitettua hakkuriohjainmikropiiriä sisältävässä LinkSwitch-TNZ-tuoteperheessä yhdistyvät 725 V:n MOSFET-tehokytkin sekä virtalähdeohjain yhteen SO-8C-koteloa käyttävään komponenttiin. Kukin monoliittinen mikropiiri tarjoaa erinomaisen jännitepiikkien kestokyvyn, oskillaattorin, korkean jännitteen hakkurivirtalähteen itsebiasointiin, taajuusvärinän, nopean (syklikohtaisen) virtarajoituksen, hystereettisen lämpösammutuksen sekä lähdön ja tulon ylijännitesuojapiirit.

Laitteet voivat muodostaa ei-erotetun ratkaisun ytimen, kuten jännitteenalennusmuunninratkaisun (kuva 1). käyttämällä LNK3306D-TL-mikropiiriä, jonka lähtövirta on 225 mA tai 360 mA valitusta johtavuustilasta riippuen. Ne voidaan myös konfiguroida ei-erotetuiksi jännitteenalennus-jännitteenkorotus-virtalähteiksi, jotka tarjoavat jopa 575 mA:n lähtövirran.

Kaaviossa Power Integrations LinkSwitch-TNZ ei-erotettu jännitteenalennusmuunninKuva 1: Tämä tyypillinen ei-erotettu LinkSwitch-tuoteperheen mikropiiriä käyttävä jännitteenalennusmuunninratkaisu on vain yksi monista mahdollisista topologioista, jotka näillä laitteilla voidaan toteuttaa. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Vaikka kaksoiseristetyt tai muulla tavoin AC-johdotusvioilta suojatut kuormat eivät tarvitse galvaanista eristystä, jotkin laitteet tarvitsevat sitä. LinkSwitch-TNZ-komponenttien käyttäminen yleistulon tarjoavassa erotetussa flyback-ratkaisussa on tällaisessa tilanteessa parempi valinta. Komponentit tarjoavat tässä topologiassa jopa 12 W:n lähtötehon.

LinkSwitch-TNZ-tuoteperheen mikropiirit tarjoavat erilaisia lähtövirtoja ja teholuokkia topologiasta riippuen (taulukko 1).

Taulukko: Power Integrations LinkSwitch-TNZ-tuoteperhe tukee useita konfiguraatioitaTaulukko 1: LinkSwitch-TNZ-tuoteperhe tukee useita konfiguraatioita, topologioita ja toimintatiloja. Jokaisella ratkaisulla on erilainen enimmäislähtövirta tai tehoraja. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Konseptista toteutukseen

LinkSwitch-TNZ-tuoteperheen korkea integraatiotaso ja joustavuus helpottavat suunnittelijan tehtävää. Sertifioidun ja toimituskelpoisen virtalähderatkaisun kehittämiseen liittyy monia haasteita:

  1. Hyötysuhteeseen ja turvallisuuteen liittyy haasteellisia pakollisia vaatimuksia. Niitä hankaloittaa tarve tarjota virtaa valmiustilassa ja täyttää silti samalla haasteelliset valmiustilan virran hyötysuhdetta koskevat määräykset. LinkSwitch-TNZ-mikropiirit tarjoavat luokkansa parhaan hyötysuhteen kevyellä kuormituksella ja mahdollistavat virransyötön useampiin järjestelmäominaisuuksiin noudattaen samalla valmiustilamääräyksiä, joihin kuuluvat:
    • Euroopan komission (EC) kodinkoneita koskeva asetus (1275), joka määrää, että laitteet saavat kuluttaa enintään 0,5 wattia valmiustilassa tai poissa päältä -tilassa
    • Energy Star -versio 1.1 älykotien energianhallintajärjestelmille (SHEMS) , joka rajoittaa älyvalaistuksen ohjauslaitteiden kulutuksen valmiustilassa 0,5 wattiin
    • Kiinan GB24849, joka rajoittaa mikroaaltouunien virrankulutuksen poissa päältä -tilassa 0,5 wattiin.

LinkSwitch-TNZ-mikropiirit täyttävät nämä vaatimukset ja lisäksi vähentävät komponenttien määrää 40 % tai enemmän erilliskomponentteja käyttäviin ratkaisuihin verrattuna. Nämä hakkurimikropiirit mahdollistavat ±3 %:n reguloinnin verkon ja kuorman yli. Niiden virrankulutus ilman kuormaa on alle 30 mW ulkoisella biasjännitteellä ja mikropiirien valmiustilan virta on alle 100 µA.

  1. Mahdollistaa turvalliset verkkovirtaliitännät kahdella johtimella ilman nollajohdinta ja kolmen johtimen kytkentöjä. Tämä kolmas johdin puuttuu monista kuormista, kuten himmentimistä, kytkimistä ja antureista. Tähän liittyy riski liian suuresta ja mahdollisesti vaarallisesta vuotovirrasta. Standardi määrittelee enimmäisvuotovirran eri olosuhteissa. LinkSwitch-TNZ-mikropiirien alle 150 µA:n vuotovirta kahden johtimen ratkaisuissa ilman nollajohdinta alittaa tämän enimmäisarvon.
  2. Sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) päästörajojen puitteissa pysyminen. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi LinkSwitch-TNZ-oskillaattori käyttää hajaspektritekniikkaa, joka lisää pientä 4 kilohertsin (kHz) taajuusvärinää 66 kHz:n nimelliskytkentätaajuuden ympärillä (kuva 2). Taajuusvärinän modulointinopeudeksi on asetettu 1 kHz, jolloin EMI-päästöjen vähentäminen on optimaalista sekä keskimääräisten että kvasihuippupäästöjen osalta.

Kaavio sääntelyrajan alittavista EMI-päästöistäKuva 2: Jotta EMI-päästöt pysyisivät sääntelyrajan alapuolella, LinkSwitch-TNZ-oskillaattori käyttää hajaspektritekniikkaa, joka luo 4 kHz:n hajonnan 66 kHz:n nimelliskytkentätaajuuden ympärille. (Kuvan lähde: Power Integrations)

  1. Verkkovirran nollapisteen ylitysten tunnistus minimaalisilla lisäkomponenteilla ja virrankulutuksella. Tätä tunnistusominaisuutta tarvitaan valokatkaisimissa, himmentimissä, antureissa ja pistokkeissa, jotka kytkevät ja katkaisevat verkkovirran määräajoin releen tai triakin avulla.

Älykodin ja rakennusautomaation (HBA) tuotteet ja laitteet käyttävät nollapistesignaalia kytkemisen ohjaukseen kytkentäkuormituksen ja järjestelmän virtapiikkien minimoimiseksi.

Laitteet käyttävät vastaavasti usein erillistä nollapisteen ylityksen tunnistuspiiriä moottorin ja mikrokontrolleriyksikön (MCU) ajoituksen ohjaamiseen. Näissä sovelluksissa tarvitaan myös lisävirtalähdettä langattomia yhteyksiä, hilaohjaimia, antureita ja näyttöjä varten.

Tämä saavutetaan yleensä toteuttamalla erillinen piiri, jolla tunnistetaan verkkovirran nollapisteen ylitys ja ohjataan ensisijaisen teholaitteen päällekytkentäsiirtymää vähentäen samalla kytkentähäviöitä ja virtapiikkiä. Tämä lähestymistapa vaatii paljon komponentteja ja synnyttää paljon häviöitä kuluttaen joskus lähes puolet valmiustilan virtabudjetista.

LinkSwitch-TNZ-mikropiirit puolestaan tarjoavat tarkan signaalin, joka kertoo, että sinimuotoinen AC-verkkojännite on nollajännitteessä. LinkSwitch-TNZ-mikropiirien nollapisteen ylityksen tunnistus kuluttaa alle 5 mW, joten järjestelmät voivat vähentää valmiustilan virtahäviöitä vaihtoehtoisiin lähestymistapoihin verrattuna, jotka vaativat vähintään kymmenen erillistä komponenttia ja synnyttävät 50–100 mW:n jatkuvan tehohäviön.

Entä sitten X-kondensaattori?

Verkkovirran EMI-suodattimissa käytetään X- ja Y-luokan kondensaattoreita, joilla minimoidaan EMI/RFI-häiriöiden syntyminen. Ne kytketään suoraan verkkovirtatulon vaihejohtimeen ja nollajohtimeen (kuva 3).

Kaavio: EMI-suodatus vaatii X- ja Y-luokan suodatuskondensaattoritKuva 3: EMI-suodatus vaatii X- ja Y-luokan suodatuskondensaattorit AC-verkkovirtaan, mutta X-luokan kondensaattori vaatii toimenpiteitä verkkovirran katkaisun jälkeen, jottei käyttäjäturvallisuus vaarantuisi. (Kuvan lähde: www.topdiode.com)

Turvallisuusvaatimukset edellyttävät, että EMC-suodattimien X-kondensaattori puretaan, kun verkkovirta katkaistaan. Tämä varmistaa, että varastoitunut jännite ja energia eivät jää vaihejohtoon pitkäksi aikaa katkaisun jälkeen. Suurin sallittu purkautumisaika määräytyy alan standardien, kuten IEC 60950 ja IEC 60065, mukaan.

Perinteinen tapa varmistaa tarvittava purkautuminen on lisätä purkuvastuksia rinnakkain X-kondensaattorin kanssa. Tämä lähestymistapa synnyttää kuitenkin tehohäviöitä. Parempi ratkaisu on lisätä X-kondensaattorin purkamistoiminto, jonka aikavakion käyttäjä voi asettaa. LNK3312D-TL-piirin kaltaiset mikropiirit käyttävät tätä lähestymistapaa. Tuloksena on vähäisempi piirilevytilan tarve, alhaisemmat materiaalikustannukset (BOM) ja parempi luotettavuus.

Virtalähteet ja muuntimet tarvitsevat useita suojausominaisuuksia. Kaikkiin LinkSwitch-TNZ-tuoteperheen mikropiireihin on integroitu:

  • pehmeä käynnistys, joka rajoittaa järjestelmäkomponenttien rasitusta käynnistyksen aikana
  • automaattinen uudelleenkäynnistys havaittaessa oikosulku tai avoin silmukka
  • lähdön ylijännitesuojaus
  • verkkovirtatulon ylijännitesuojaus
  • hystereettinen ylikuumenemissuojaus.

Mikropiiristä kokonaiseen ratkaisuun

Vaikka mikropiiri olisi kuinka hyvä tai täynnä ominaisuuksia, se ei voi olla yksinään täydellinen ja käyttövalmis AC/DC-muunnin, koska monia komponentteja ei voi eikä pidä integroida kyseiseen komponenttiin. Näitä ovat esimerkiksi massasuodatuskondensaattorit, ohituskondensaattorit, induktorit, muuntajat ja suojakomponentit. Ulkoisten komponenttien tarve esitetään ei-erotetussa 6 V:n ja 80 mA:n kiinteän jännitteen virtalähteessä, joka tarjoaa LNK3302D-TL-piiriin perustuvan nollapisteen ylityksen tunnistuksen (kuva 4).

Kaavio täydelliseen ja turvalliseen ei-erotettuun yleistuloon tarvittavista ulkoisista komponenteista (suurenna klikkaamalla)Kuva 4: Kuvassa esitetään ulkoiset komponentit, jotka tarvitaan täydelliseen ja turvalliseen ei-erotettuun yleistulon tarjoavaan 6 V:n ja 80 mA:n kiinteän jännitteen virtalähteeseen, joka sisältää LNK3302D-TL-mikropiiriin perustuvan nollapisteen ylityksen tunnistuksen. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Lisäksi on huomioitava esimerkiksi pinta- ja ilmavälille asetetut turvallisuuteen liittyvät vähimmäismitat. Tällöin huomataan, että kokonaisen ratkaisun kehittäminen onkin vaikeaa. LinkSwitch-TNZ-mikropiiriperhe helpottaa tehtävää. Jos käytetään esimerkiksi 66 kHz:n kytkentätaajuutta, tarvittavia magneettisia osia on saatavana useilta toimittajilta tavallisena hyllytavarana. Lisäksi Power Integrations tarjoaa referenssimalleja.

Kun tarvitaan erotettu virtalähde, RDK-877-referenssimalli (kuva 5) on 6 W:n erotettu flyback-virtalähde, joka tarjoaa LNK3306D-TL-mikropiiriin perustuvan nollapisteen ylityksen tunnistuksen.

Kuvassa Power Integrations RDK-877-referenssimalliKuva 5: 6 W:n RDK-877-referenssimalli tarjoaa erotuksen, käyttää flyback-topologiaa ja perustuu LNK3306D-TL-mikropiiriin. (Kuvan lähde: Power Integrations)

Virtalähteen tulojännitealue on 90 VAC – 305 VAC, lähtö 12 V, jännite 500 mA ja virrankulutus ilman kuormaa alle 30 mW koko verkkovirta-alueella. Valmiustilassa tehoa on käytettävissä yli 350 mW, ja aktiivitilan hyötysuhde täyttää DOE6- ja EC CoC (v5) -vaatimukset yli 80 %:n hyötysuhteella nimelliskuormituksella. Malli täyttää myös johtuvia EMI-häiriöitä koskevat standardien EN 55022 ja CISPR-22 B-luokan vaatimukset.

Yhteenveto

Pienitehoisen AC/DC-virtalähteen suunnittelu ja toteutus voi vaikuttaa yksinkertaiselta. Suorituskyky- ja hyötysuhdetavoitteiden, turvallisuus- ja viranomaismääräysten sekä kustannusten, tilantarpeen ja markkinoilletuonnin aikavaatimusten täyttäminen tekee siitä kuitenkin haastavan tehtävän. Hakkurimikropiirit, kuten Power Integrations LinkSwitch-TNZ-tuoteperheen yhdistetty ohjain ja MOSFET, helpottavat tehtävää huomattavasti. Nämä mikropiirit tukevat eri tehotasoja, ja niitä voidaan käyttää erilaisissa virtalähdetopologioissa. Lisäksi ne sisältävät sellaisia tärkeitä ominaisuuksia kuten nollapisteen ylityksen tunnistuksen ja X-kondensaattorin purkamisen.

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

Tietoja kirjoittajasta

Image of Bill Schweber

Bill Schweber

Bill Schweber on elektroniikkasuunnittelija, joka on kirjoittanut elektronisista viestintäjärjestelmistä kolme oppikirjaa samoin kuin satoja teknisiä artikkeleita, mielipidepalstoja sekä tuotekuvauksia. Aikaisemmissa rooleissaan hän on toiminut teknisen verkkosivuston hallinnoijana useissa EE Times -lehden aihekohtaisissa sivustoissa, samoin kuin EDN-lehden päätoimittajana ja analogiapuolen toimittajana.

Analog Devices, Inc. -yrityksessä (analogisten ja sekasignaalimikropiirien johtava myyjä) Bill toimi markkinointiviestinnässä (suhdetoiminta). Tämän seurauksena hän on toiminut teknisen PR-toimen molemmilla puolilla, esitellyt yrityksen tuotteita, kertomuksia ja viestejä medialle sekä ottanut niitä vastaan.

Ennen MarCom-roolia Analogilla Bill toimi avustavana toimittajana yrityksen kunnioitetussa teknisessä julkaisussa ja työskenteli myös yrityksen tuotemarkkinoinnissa sekä sovellussuunnitteluryhmissä. Ennen näitä rooleja Bill työskenteli Instron Corp. -yrityksessä tehden käytännön analogipiirien ja päävirtapiirien suunnittelua ja järjestelmäintegraatiota materiaalitestauskoneiden ohjausta varten.

Hän on suorittanut Massachusettsin yliopistossa MSEE- ja Columbian yliopistossa BSEE-tutkinnon ja toimii rekisteröitynä ammatti-insinöörinä. Hänellä on myös korkeampi radioamatöörilisenssi. Bill on myös suunnitellut, kirjoittanut ja esittänyt verkkokursseja useista suunnitteluaiheista, mukaan lukien MOSFET:tien perusteet, AD-muuntimen valinta sekä ledien ohjaus.

Tietoja tästä julkaisijasta

DigiKeyn kirjoittajat Pohjois-Amerikassa