Интегрални AC/DC преобразуватели

ЕлектроникаСп. Инженеринг ревю - брой 7/2019 • 04.11.2019

Интегрални AC/DC преобразуватели

Стефан Куцаров

Използваният от десетилетия в стабилизираните токоизправители с мрежово захранване голям и тежък трансформатор отстъпи мястото си в съвременните електронни устройства на много по-малък, работещ на честоти поне няколко десетки kHz. Функционирането при тези честоти изисква друга структура на токоизправителите, наричани вече интегрални AC/DC преобразуватели (AC/DC Converter) поради ползването на една или (по-рядко) две специализирани интегрални схеми (ИС). Сравнително по-малък е относителният дял на принципно още по-малките безтрансформаторни преобразуватели, които също са разгледани в статията. Независимо че ИС за преобразувателите съществуват вече 20-ина години и за разработката на нови устройства продължават да се предлагат модели от миналото десетилетие, в нея са намерили място само пуснати на пазара след 01.01.2014 г. и главно такива от последните 4 години.

 

Преобразуватели с управление в първичната намотка

Те представляват комбинация на мостов токоизправител и ключов стабилизатор (SMPS) с входно напрежение от електрозахранващата мрежа и едно, и рядко повече стабилизирани постоянни напрежения VOUT. Структурата на преобразувателите се изяснява чрез опростената блокова схема на фиг. 1, в която с прекъснати линии са блоковете, ползвани само в част от преобразувателите.

 

 

Действието им се управлява от контролера Contr, означаван обикновено като AC/DC Controller или Offline Controller и свързан в първичната намотка на трансформатора Tr, което определя наименованията Primary-Side Regulation (PSR) и Primary Side Control на преобразувателя. Основното предназначение на филтъра F е отстраняване на електромагнитните смущения (EMI) към мрежата поради високочестотните импулси от Contr. Функциите му се разширяват в зависимост от модела на преобразувателя например чрез прибавяне на ИС за разреждане на капацитета му (X2 Capacitor Discharger), каквато е NCP4810 на ON Semiconductor.

Мостовият токоизправител BR е диоден и неговото постоянно напрежение чрез веригата BIN осигурява напрежението VIN на входа IN на Contr. В зависимост от вида на BIN максималното VIN е няколко десетки или няколко стотици V. Блокът PFC (Power Factor Correction) е за подобряване на cosj на преобразувателя (примери за ползваните за реализацията му ИС са дадени в следващия раздел).

Означението на мощния транзистор Т показва, че той е MOSFET, като освен външен може да е вграден в Contr - това е отбелязано в колона 2 на табл. 1. В такъв случай веригата BIN и изход G не съществуват, вход IN е дрейнът на транзистора и към него е свързана първичната намотка на Tr. Транзисторът е високоволтов, като непрекъснато се появяват технологични новости за реализацията му: например този в контролера на ред 7 на табл.1 е SiC-MOSFET с напрежение BVDSS=1700 V, докато в контролерите от серията ICE5ARxxxxBZS на Infineon се използва Superjunction MOSFET. В контролери с външен транзистор често BIN е заместена с резистор или не е поставена и той трябва да е високоволтов – това са дадените на редове 4-6 и 8 в табл. 1.

 

 

Напрежението върху резистора R е за задействане на максималнотоковата защита, а чрез намотката W2 и елементите D и С2 на вход VСС се осигурява захранващото напрежение VСС на контролера. В някои контролери, например даденият на ред 6, същото напрежение се ползва и за защита от недопустимо големи изходно напрежение VOUT (Over Voltage Protection, OVP) и температура в ИС (Over Temperature Protection, OTP). Веригата за обратна връзка FB осигурява чрез Contr стабилизация на VOUT заедно с галваничното му разделяне от вход VFB.

В част от контролерите, каквито са дадените на редове 1, 2 и 9 в табл. 1, стабилизацията се осъществява чрез техни блокове (primary side control technology) и FB не съществува. Токоизправителят R2 осигурява второ стабилизирано напрежение VOUT2. Съществено е да се има предвид, че с малки изключения в каталожната документация се описва действието на контролера и често се дават схеми за свързването му и дори изчисления на стойностите на свързаните към тях външни елементи. Понякога са прибавени и параметрите на реализирани с контролера преобразуватели, например този на ред 1.

Масови са приложенията на този вид преобразуватели в адаптерите (AC Adapter) на преносими комуникационни устройства, във вградените в тези устройства блокове за зареждане на акумулаторите им, в захранващите блокове на индустриални съоръжения, в медицински прибори, в битовата електроника и т. н.

В табл. 1 са дадени основни сведения за контролери, предназначени за разглеждания тип преобразуватели, като колона 4 съдържа и консумираната мощност PD в работен режим. По-рядко се дава консумираната липса на товар (no-load power) мощност PINNL, а тя е съществен параметър, тъй като преобразувателите често се оставят свързани към мрежата, без да се ползват. Например в контролера на ред 4 в табл. 1 тя е 20 mW, а в тези на редове 5 и 9 е не повече от 30 mW. В същата колона са двете гранични стойности на VСС. При подаване на мрежово напрежение кондензаторите С1 и С2 започват да се зареждат и когато напрежението на С2 достигне прага на включване (Start-up threshold) VCC(ST), контролерът започва да работи и действието му е осигурено при намаляване на VCC до блокиращото напрежение (Undervoltage lockout threshold) VCC(UVL).

С ICC е отбелязан консумираният от ИС ток (Operating Current), а fSW (Operating Frequency) е работната честота на преобразувателя, която е на генерираните в контролера импулси и получавани на неговия изход G. Без да е параметър на контролера в каталожната информация, често се дава максималната изходна мощност PLmax на ползващите го преобразуватели.

Същността на работата на преобразувателите изисква те да имат защити за изключването им при излизане на определени техни величини извън зададени граници и автоматично възстановяване на действието при нормализиране на работните условия. Наборът от защити зависи от модела на контролера, а за реализацията им в него са вградени необходимите блокове. Също в зависимост от модела са неговите изводи за напреженията, задействащи защитите.

Класическата максималнотокова защита (Overcurrent Protection) OCP може да изключва товара, а разновидността й само за намаляване на тока му се нарича защита от претоварване (Overload Protection) OLP. Понякога към ОСР е прибавена защита от много бързо нарастване на тока през товара (Abnormal OCP) АОСР, например при късо съединение на намотка в трансформатора. Разновидност е и защитата от късо съединение на изхода на преобразувателя (Output Short Circuit Protection) OSCP.

Тъй като при късо съединение изходното напрежение силно намалява, се ползва и наименованието защита при ниско изходно напрежение (Output Undervoltage Protection). Съществуват три напрежителни защити, като се използва една или повече от тях. Защитата от VСС над определена стойност е Overvoltage Protection (OVP), а тази под друга стойност е Undervoltage Protection (UVP, UVLO). Третата (Line Overvoltage Protection) LOV се задейства при недопустимо голямо мрежово напрежение. По-рядко се използва защитата от надхвърляне на максималната изходна мощност (Overpower Protection) OPP.

За температурната защита (Over Temperature Protection) OTP е съществен хистерезисът, представляващ разликата между температурите на изключване (Thermal Shutdown) и включване на преобразувателя със стойности около 30°С. Съществено е да се отбележи, че всички защити имат като параметър времето за задействането им със стойности около 30 μs. Защитите в конверторите на разглежданите преобразуватели са дадени в колона 5 на табл. 1. Тъй като повечето контролери са част от серия с неголеми различия, в някои от параметрите или вида на корпуса в същата колона е и техният брой.

Най-често се използват преобразуватели със стабилизирано изходно напрежение VOUT, за които са контролерите на редове 3 и 6-8 в табл. 1. Съществуват модели на преобразуватели и със стабилизиран IOUT, за каквито са контролерите на редове 9 и 10 със задаване на желания режим на работа чрез подходящо свързване на изводи на контролера.

Различни са функциониращите по два начина, дадени на редове 1 и 2. При IOUT до определена стойност се осигурява UOUT=const (CV mode), а при надхвърлянето й автоматично се преминава в режим CC mode с IOUT=const. Подобен е контролерът на ред 5, който в CV mode осигурява UOUT между 5 и 20 V, в режим CC mode върху товара може да има напрежение 3-20 V, както и напрежение 3-6 V при работа като зарядно устройство. По принцип CC mode е подходящ за зареждане на разновидностите на литиевите акумулатори.

Специфичен е даденият на ред 4 в табл. 1, който освен за преобразуватели с даденото в таблицата VIN може да се ползва и за захранвания на комуникационни устройства с постоянно напрежение между 36 и 72 V.

 

Контролери за cosφ

Интегралните AC/DC преобразуватели поради наличието на трансформатори в тях се явяват индуктивни товари за електрозахранващата мрежа. Това е причина само част от тяхната входна мощност (Apparent Power, Total Power) PIN с измерение VА да се превръща в полезна мощност POUT на товара в изхода им с измерение W.

Отношението POUT/PIN е факторът на мощност (Power Factor) PF, означаван още като cosj. Един от начините за подобряване на PF, т. е. приближаването му до 1, в електрическите мрежи се осъществява чрез прибавяне по подходящ начин на кондензатор. В преобразувателите от предния раздел той е заместен от контролер за cosj със свързан към негов извод кондензатор. Това е блок PF на фиг.1 и представлява ИС с типично наименование Power Factor Correction (PFC) Controller. Осигуряваният PF от контролерите не е константа, а нараства с увеличаване на POUT. Често в каталожните данни присъстват и графики PF(POUT).

Приложенията на контролерите за cosφ са аналогични на тези в предния раздел, като характерни са ключовите стабилизатори на телевизионни приемници и светодиодното осветление. В табл. 2 са дадени контролери с външен мощен MOS транзистор, като VMAIN е мрежовото напрежение на преобразувателя, а VSUP(ST) и VSUP(UVP) са съответно максималното и минималното им захранващо напрежение. Допълнителна защита е тази от късо съединение на изхода (Short Circuit Protection) SCP. При използването на контролерите трябва да се имат предвид различията в начина на свързването им в преобразувателите, които задължително са изяснени в техническата документация.

 

 

PFC контролерът на ред 1 в табл. 2 е предназначен за преобразуватели с непрекъснато действие (Continuous Conduction Mode) CCM и се препоръчва да работи с моста GBU8J на Vishay. Контролерът осигурява специфичната защита Input Voltage Brownout Protection (BOP) от мрежово напрежение под минимално допустимата стойност, при задействането на която преобразувателят се изключва. Контролерът от ред 2 работи съвместно със свързания към напрежението му LLC резонансен контролер ТЕА1995Т на NXP, като общата за двата PIN_NO е под 75 mW. Контролерът на ред 3 е предназначен главно за захранване на светодиоди чрез ключов стабилизатор с вход за регулиране на тока им (димиране). Типичната стойност на VOUT на контролера от ред 4 е 300 V и начинът за ползването му за реализация на стабилизатори зависи от потребителя.

Същото се отнася и за контролера на ред 5 с VOUT=390 V, може да работи и със захранващо напрежение VСС=10-26 V от външен източник. В документацията му са предложени две схеми със стойностите на външните елементи и препоръки за реализацията на печатната платка.

Дадената на ред 6 ИС съдържа освен контролер за cosφ и такъв за LLC преобразувател с управление в първичната намотка. Към тях са прибавени драйвер за токоизправителя, микропроцесорен блок с памет, блок за интерфейсите UART и I2C, 10-битов аналогово-цифров преобразувател за напреженията от защитите и VLINE. Всичко това, заедно с шината за обмен на данни, определя контролера като цифров, също захранван от външно VСС=9,5-19 V. Контролерът от последния ред на табл. 2 разпознава краткотрайни прекъсвания на мрежовото напрежение, а при максималната си работна температура разсейва 619 mW.

 

Контролери за управление на синхронни токоизправители

Синхронните токоизправители (Synchronous Rectifier) SR се реализират чрез замяна на диода във вторичната намотка на Tr от фиг.1 с мощен MOS транзистор. В по-рядко използваните резонансни конвертори транзисторите са два (редове 4, 7 и 8 на табл. 3), а действието и особеностите на SR са изяснени в документацията на контролера от ред 2 в табл. 3. Основното предимство от замяната е значително по-малкото напрежение дрейн-сорс на транзистора от това на диода и съответно намаляването на разсейваната мощност. Това е съществено в AC/DC преобразувателите с малки размери и напълно оправдава поставянето на допълнителен контролер за управляване на транзистора. Неговото англоезично наименование e Secondary-Side Synchronous Rectifier Controller и същността на свързването му в ползващи SR преобразуватели се вижда от опростената им блокова схема на фиг. 2.

 

 

Нейната част към първичната намотка на Tr е логично повторение на съответната от фиг. 1, поради което тя липсва в документацията на контролери без веригата за отрицателна обратна връзка FB. В контролери с FB към частта са прибавени само необходимите елементи за нея. Самата верига е реализирана с оптрон, за да няма галванична връзка между елементите в първичната и вторичната намотка на Tr.

Освен показаното реализиране на транзистора Т2 като външен на контролера той може и да е вграден. Такъв е контролерът на ред 3 в табл. 3, а производителят му предлага и AR30N60 основно за адаптери и зарядни устройства (включително за USB Type-C). Изходното напрежение VOUT на преобразувателите се подава на вход VСС на контролера за постояннотоковото му захранване. Съществена особеност е, че за осигуряване на нормалното им функциониране е необходим правилен подбор на контролерите в двете намотки, поради което в каталозите на тези за вторичната намотка обикновено се дава препоръчваният или препоръчваните за първичната намотка.

 

 

От многобройните параметри на контролерите в табл. 3 са дадени основните статични: изходно напрежение VOUT, на което според фиг. 2 е равно захранващото напрежение VCC на контролера, минималната стойност VST на VСС, стойността VUVL, при която контролерът престава да работи, напрежението VG на извода за свързване към гейта на управлявания транзистор заедно с максималния ток IG на този извод, консумираният ток ICC в работен режим на контролера и стойността му IST в режим на очакване (energy-save current, disable mode current), консумираната мощност PD и максималната работна честота на преобразувателя. За разлика от преобразувателите с управление в първичната намотка тук са необходими много по-малко защити. Най-често се използва UVLO за изключване на контролера при захранващо напрежение VUVL и по-рядко ОVР за регистриране надхвърляне от VOUT на определена стойност.

Таблица 3 отразява разнообразието на контролерите, като всички дадени са Flyback ключови стабилизатори. Специфичният със своето действие контролер от ред 1 ползва технологията Qualcomm Quick Charge 3.0 за бързо зареждане на акумулаторите на преносими устройства и чрез вградения си интерфейс USB BC1.2 изпраща към първичната намотка необходимите данни за това. За зареждане по същата технология, но без вграден USB, е контролерът от ред 5.

Представените на редове 2, 3, 6 и 7 са предвидени за ключови стабилизатори с прекъснато действие според технологията DCM Flyback, към която при този от ред 2 са прибавени CCM Flyback и квазирезонансни (QR Flyback). Освен с последните контролерът на ред 7 позволява работа и в Forward ключови стабилизатори и полумостови резонансни LLC converter.

За двата MOS транзистора в преобразувателите на редове 4, 7 и 8 са необходими две вторични намотки на Tr и два блока за управлението им, но последните се реализират с един контролер. И накрая контролерът на ред 6 има възможност за зареждане на акумулатори по метода CV/CC (постоянно напрежение/постоянен ток).

 

Специфични видове преобразуватели

Те са с по-ограничени приложения, но не е изключено с усъвършенстване на технологиите използването им да нарасне.

Безтрансформаторни преобразуватели за класически електрически мрежи. Това са мрежите с напрежения 220 и 127 V, а наименованието на преобразувателите показва липсата на трансформатора в схемите на фиг. 1 и фиг. 2 и съответно на галваничното разделяне на VOUT от мрежовото напрежение (Non-Isolated Type Convertor). Предимствата от намаляване на размерите на преобразувателите и по-малките загуби на енергия в тях (Energy Saving Converter) все още се ползват рядко поради необходимостта от високоволтов мощен MOSFET.

Типичен пример е интегралната схема BM2P134QF на ROHM, пусната на пазара през 2018 г. Тя има вграден superjunction MOSFET с максимално напрежение VDS=650 V и типично VOUT=13 V, като стойността му може да се увеличава чрез добавяне на външен ценеров диод. Изходният ток е 0,8 А, има вградени ОVР, UVLO, ОСР и ОРР.

ИС е с работен температурен обхват TA=-40÷+105°C при размери 6,2x5x1,71 mm. Също с вграден MOSFET е VIPer115 на STMicroelectronics, която в при мрежово напрежение 85-265 V може да осигурява изходна мощност 6 W. Чрез резистивен делител се задава VOUT между 4,5 и 30 V, а вградените защити са UVLO, OCP, OSCP и ОТР. Съществена практическа особеност е ползването на ИС и за преобразуватели с управление в първичната намотка, вкл. такива с отрицателно VOUT. Работният температурен обхват е TJ=-40÷+150°C при размери 4,9x3,9x1,25 mm.

Безтрансформаторни преобразуватели за нисковолтови мрежи. Освен в жилищни, търговски и индустриални сгради тези мрежи, обикновено с напрежения до 49 V, се ползват в самолети, кораби, влакове и камиони. За преобразувателите в подобни мрежи е предвидена серията LT4320/LT4320I от 14 модела контролери на Analog Devices за мрежово напрежение до 80 V. Предназначени са за управление на мостов токоизправител, реализиран с мощни MOSFET вместо диоди (Ideal Diode Bridge). Мостът може да осигурява VOUT=9-72 V при максимален ток 10 А, като предимството му е около 5 пъти по-малкото нагряване на транзисторите в сравнение с диоден мост. Единствената вградена защита е UVLO, работният температурен обхват на модела LT4320HDD-1 от серията е TJ=-40÷+125°C при размери 3x3x0,75 mm.

Линейни преобразуватели (AC/DC Linear Voltage Regulator). Предимството им спрямо разгледаните дотук съответства на това на линейните пред ключовите постояннотокови стабилизатори. Типични приложения са в системи за сградна автоматизация и някои типове сензори. Главно за приложения, където създаваните от ключовите преобразуватели електромагнитни полета са недопустими (например в електромери), е серията от 8 модела TPS7A78 на Texas Instruments с пазарно представяне в началото на 2019 г. Принципът й на действие е заимстван от преобразувателите с натрупване на заряд (DC/DC Charge Pump), поради което не използва трансформатор. Работи с мрежово напрежение 70-270 V, като вграденият линеен стабилизатор осигурява напрежение VOUT=1,25-5 V с толеранс ±1%, задавано чрез резистивен делител, и максимален IOUT=120 mA. Вградените защити са UVLO и ОСР, работният температурен обхват TJ=-40ё+125°C при размери 5x4,4x1,1 mm.

 

Модули

По-големите размери на модулите спрямо тези на ИС реално не са пречка за реализацията на повечето стационарни устройства. Към предимството на модулите за непосредствено монтиране в прибори и съответно скъсяване на времето за разработката им се прибавят възможностите за реализиране на по-големи VOUT и PL, наличието на модели с повече от едно VOUT и такива произвеждани с параметри по заявка на клиента. В зависимост от конструкцията съществуват модули за монтаж върху печатни платки (PCB Mount), върху шасито на апаратурите (Chassis Mount), върху носещи релси (DIN Rail) и стойки (Rack Mount).

 

 

В табл. 4 са представени модули за печатни платки с основни приложения в електроуреди, компютърни, комуникационни и индустриални системи, измерителни уреди. Практически всички модули са със стабилизирано VOUT и пулсации, както на линейни постояннотокови стабилизатори. Дадените на редове 3 и 5 осигуряват две захранващи напрежения, а една от разновидностите на последния е с VOUT=20 V и PL=100 W.

 



ЕКСКЛУЗИВНО

Top