Преобразуватели на променливо в постоянно напрежение за PCB монтаж

Захранването на електронните устройства с променливо напрежение и необходимостта от осигуряване на постоянни напрежения за техните компоненти и блокове е наложило те да съдържат преобразуватели на променливо в постоянно напрежение. Тяхната най-проста разновидност, токоизправителите (Rectifier), продължава да има своето самостоятелно място, но съвременните преобразуватели с повече възможности и по-добри параметри обикновено представляват съчетание на токоизправител и ключов стабилизатор. За тях често се използва наименованието “AC-DC Converter”. Както много други блокове на електронни устройства и преобразувателите се разделят според конструкцията си на три големи групи - заемащи част от печатна платка (заедно с елементите на други блокове), модули за монтиране в апаратури и самостоятелни устройства. В статията се разглеждат първата група и частта от втората от модули за печатни платки, чиито размери във все повече случаи приближават тези на интегралните схеми (ИС).

Мостови токоизправители
Тези еднофазни токоизправители се реализират като ИС, четирите диода на която са свързани по добре известната схема Грец и могат да бъдат върху силициев кристал с PN преход (Bridge Rectifier, Full Bridge Rectifier, Silicon Bridge Rectifier) или да са диоди на Шотки (Schottky Diode Bridge), както и диоди на Шотки върху кристал от силициев карбид (Silicon Carbide Schottky Rectifier Bridge). Сред предимствата на последните е по-високата им работна температура.
Примери са дадени в табл. 1, като IF(AV) (или Io) е средноквадратичната стойност на максималния ток в права посока на диодите (Maximum Avarage Forward Current). Тя е в сила до определена околна температура (обикновено +25 или +40 °С), над която намалява по линеен закон и става 0 при максималната работна температура. В документацията това се дава като графика IF(AV)(T), която трябва да се има предвид при практическото им използване. Понякога има семейство графики за различни охлаждащи повърхности, върху които е монтиран мостът. Максималният импулсен ток (Peak Forward Surge Current) IFSM е на единична синусоида, насложена върху постоянния ток. Максималният постоянен обратен ток (Maximum DC Reverse Current) IR е през запушените диоди, когато върху тях е приложено максимално допустимото постоянно напрежение (Maximum DC Blocking Voltage) VDC. Стойността на IR обикновено е в сила при околна температура +25 °С, но с увеличаването й нараства приблизително по експонента (например при +125 °С може да е до няколко стотици пъти по-голям). Постоянното напрежение върху всеки отпушен диод (Maximum Forward Drop per Diode) VF нараства с тока през него и стойността му в каталозите обикновено се дава при IF(AV). Смисълът на максималното импулсно повтарящо се напрежение (Maximum Peak Repetitive Reverse Voltage) VRRM е ясен от неговото наименование и обикновено то е равно на VDC. Сред основните параметри е и максималната средноквадратична стойност на променливото напрежение (Maximum RMS Input Voltage) VRMS, а особеност е, че като работна температура по-често се дава тази на преходите на диодите TJ вместо околната ТА.
Обикновено мостовите токоизправители се предлагат като серия само с различаващи се стойности на обратните напрежения, което е отразено и в табл. 1. Част от мостовите токоизправители се отбелязват в каталозите като Glass Passivated Rectifier (напр. тези в редове 2 и 4), което означава нанасяне в процеса на изработка на структурата на PN диодите им на тънък слой стъкло в краищата на PN прехода с цел намаляване на IR. Особеност на моста в ред 5 е реализацията му с два диода на Шотки и два MOS транзистора с резултат по-малки VF и размери. Дадената на ред 6 ИС съдържа два еднакви моста, които могат да се използват независимо един от друг. Също с два моста е и ИС в ред 7.

Преобразуватели с ключов стабилизатор
Огромната част от преобразувателите трябва да осигуряват малко постоянно стабилизирано изходно напрежение (Output Voltage) Vo. Добре познатото на поколения специалисти използване на мрежов трансформатор в съвременните приложения е неприемливо, поради което масово се прилагат преобразуватели с мостов токоизправител (постоянно изходно напрежение около 40% по-голямо от мрежовото) и ключов стабилизатор (Switched Mode Power Supply) SMPS. Неписано правило е те да работят с мрежово напрежение VAC в широки граници например 90-264 V.

Същността на схемата им е дадена на Фиг. 1, известна е като преобразувател с натрупващ кондензатор (Flyback Topology), а работата й се управлява от контролера Contr, реализиран като ИС. Той има 3 основни функции, първата от които е управляване на транзистора Т чрез изхода си OUT. Чрез входа си CS той контролира тока на Т, който е пропорционален на изходния ток Io и поддържа практически неизменно Vo чрез връщане от блока FB на част от напрежението във входа VS. Този блок осигурява галванично разделяне с оптрон (контролерите в редове 4 и 5 на табл. 2) или чрез допълнителна намотка на Tr (редове 1-3). Поради високата честота fo на управляващите импулси (генерирани в Contr) на Т трансформаторът Tr е достатъчно малък. Мостовият токоизправител Rect плюс С1 е свързан към мрежата L-N. За простота постояннотоковото захранване на Contr не е показано на фиг. 1, като то се осигурява от Vo или от постоянното напрежение на Rect.
Сред основните параметри на контролерите е консумираният им постоянен ток ICC при нулев Io. Захранващото напрежение VCC на контролерите обикновено е в твърде широки граници, като в много случаи те представляват максималното му напрежение и минимално необходимото Vstart за започване на работа. В част от преобразувателите вместо С1 се поставя LC филтър за намаляване на смущенията от ключовия стабилизатор към мрежата.

Голяма част от контролерите се произвеждат в серии с различия на някои от параметрите на ИС, което трябва да се има предвид при ползването на каталози.
Самостоятелни контролери с ШИМ (PWM Controller). Тази разновидност на контролерите осигурява за външно свързания Т импулси с широчинноимпулсна модулация (ШИМ) и стабилизира Vo чрез промяна на техния коефициент на запълване d. Освен класическата аналогова ШИМ (Vo непосредствено променя d) се използва и цифрова ШИМ (Digital PWM), в която Vo се превръща в двоично число и след обработка от Contr променя d - с такава работи контролерът на ред 1 в табл. 2. Вместо ШИМ понякога се използват и други модулации за промяна на d – например контролерът на ред 2 е с честотноимпулсна модулация (Pulse Frequency Modulation, PFM) с неизменна продължителност на времето toff на запушен Т. Ползват се мощни високоволтови биполярни (контролерите на редове 1 и 2) и MOS (останалите контролери в табл. 2) транзистори с подчертано по-голям относителен дял на последните. Част от контролерите (редове 3 и 5) формират d чрез допълнително управляване на тока през Т (Current-Mode Converter). Полезно е да се добави, че по принцип някои от ИС имат по няколко разновидности (напр. дадените на редове 1 и 3) и че могат да се използват и в преобразуватели на постоянно в постоянно напрежение (DC/DC Converter). В част от устройствата с малка постояннотокова консумация, например “интелигентни” електромери, вместо мост се използва еднополупериоден токоизправител.

Безопасната работа на преобразувателите се осигурява чрез вградени в контролерите защити – от недопустимо голям ток Io (Over Current Protection) ОСР (използват се и означенията ОРР от Over Power Protection и SCP от Short Current Protection), недопустимо голямо Vo (Over Voltage Protection) OVP и превишаване на определена температура на ИС (Over Temperature Protection) OTP. Трябва да се прибави, че част от контролерите (например този в ред 4 на табл. 2) позволяват измерване и на околната температура чрез термистор, свързан към техен извод.

В табл. 2 с VFB и Vsense са означени максимално допустимите напрежения съответно на входове VS и CS и последното е необходимо за изчисляване на RS при даден Io. Токът IOUT е най-големият, който контролерът може да осигури за захранване на Т, а dmax е максималният коефициент на запълване на импулсите.
Характерни приложения на самостоятелните контролери с ШИМ са за реализация на преобразуватели за различни електрозахранващи мрежи (Universal-Input Off-line AC-DC Power Supply), в индустриални и битови устройства.
Контролери с вграден мощен транзистор. Реализират се и работят в съответствие със схемата на фиг. 1, като съдържат и транзистора Т с цел намаляване на заеманата площ. Освен логичния термин Off-Line PWM Controller with Integrated Power MOSFET се ползва и AC/DC Switcher поради работата на мощния транзистор като ключ. Основни параметри на контролери са дадени в табл. 3, в някои от които вместо ICC параметър е консумираната от тях мощност PD без захранване на товар. Токът IOUT е осигуряваният от контролера през първичната намотка на Tr, с VTmax е означено максимално допустимото на напрежение на Т и Po е максималната изходна мощност на ползващите го преобразуватели.

Контролери СV/CC (Constant-Voltage, Constant-Current Controller, CV/CC Switcher). Съществуващите отдавна стабилизирани токоизправители осигуряват в нормален работен режим постоянно напрежение (CV) върху товара си, като при надхвърляне на определен негов ток автоматично преминават в режим на неизменен ток (СС). Същият принцип се използва и за предпазване от повреда на масовите ИС на постояннотоковите стабилизатори. С известни видоизменения, но при запазване на същността му, той е задължителен при зареждането на литиеви и други акумулатори. Това обяснява съществуването на контролери CV/CC, които освен за зарядни устройства на всякакви портативни устройства имат приложения в класически постояннотокови захранвания, такива за работа в режим „Очакване” (Standby Supply) на телевизионни приемници и компютри, бяла техника и на много други места. Свързването и действието им по принцип съответстват на даденото за фиг. 1, като чрез допълнителна намотка на Tr се следи Vо на преобразувателя и частта VFB от него се подава на вход VS на контролера. Пропорционалното на тока Io напрежение VCS върху резистора RS постъпва на другия вход CS, а смяната на режима на работа се извършва от блокове в контролера.

Основните параметри на няколко съвременни контролери, които ползват външно свързан мощен транзистор, са дадени в табл. 4. Този на ред 2 е част от серия от дванадесет ИС с дадените стойности на Po и програмируемо компенсиране на съпротивлението на проводниците за връзка с товара (Programmable Cable Compensation) – чрез свързване на резистор към специален извод се компенсира очакваният пад на напрежение върху тях и напрежението на диода D на фиг. 1. За всяка от изходните мощности има по три ИС – без компенсация и с такава на 3% и 6% от стойността на напрежението върху товара. Контролерът на ред 3 има 6 разновидности с компенсация и различни възможности за измерване на околната температура чрез свързване на термистор.

Контролери за квазирезонансни преобразуватели (Quasi-Resonant Controller). Квазирезонансните преобразуватели с натрупващ кондензатор (Quasi-Resonant Flyback) отново ползват схемата на фиг. 1, но при работата й транзисторът Т се отпушва за сравнително кратко време и върху кондензатора С2 се натрупва малък електрически заряд. Той изцяло се изчерпва в началото на запушването на Т и до края на това състояние възникват затихващи колебания. Резултатът е намаляване на енергийните загуби в преобразувателя (по-малка PD) и намаляване на създаваните електромагнитни смущения в сравнение със случая на частично разреждане на кондензатора. Този принцип налага блокът FB задължително да е свързан към изхода на преобразувателя (показаното на фиг. 1) и да ползва оптрон. Основните приложения на тази разновидност на преобразувателите са в адаптери и зарядни устройства за прибори с батерийно захранване, но се използват и в индустриални апаратури, офис оборудване и бяла техника за осигуряване на Ро до 100 W.

В табл. 5 са дадени примери за подходящи контролери с ШИМ (цифрова ШИМ в контролера на ред 2), като тези на редове 1-3 са с външен мощен MOS транзистор, а на ред 4 – с вграден транзистор. Последният контролер е част от девет ИС с VTmax, равно на 500 V, 650 V и 800 V и осигурявана Ро една от стойностите 60 W, 67 W, 70 W и 80 W. За тях е предвидено чрез външен радиатор стойността на PD да може да се увеличи.

Преобразуватели за светодиодно осветление
Неизменният интензитет на излъчваната от LED светлина изисква фиксирана стойност на техния ток, която трябва да се осигури от преобразувателя. Основното използвано за контролерите наименование е Offline LED Lighting Controller. В зависимост от начина на свързване на LED към електрическата мрежа съществуват два типа преобразуватели. Първият са понижаващите преобразуватели без галванично разделяне (Non Isolated Buck Type Converter) с основна схема на фиг. 2.

Постоянното напрежение от токоизправителя Rect-С1 постъпва на понижаващ преобразувател, образуван от генератора на ШИМ в Contr и външните елементи L, D и С2. Основната задача на Contr е да поддържа тока на последователно свързаните (string) диоди LED чрез външния MOS транзистор Т, протичащ и през RS. Транзисторът се управлява чрез изход Gate, а основното предназначение на вход EN е за включване и изключване на преобразувателя. Допълнителна и ползвана само в някои случаи негова функция е чрез външни ШИМ импулси да осигури регулиране на интензитета на светлината на LED (димиране), каквито са контролерите в редове 1, 2, 4 и 6 на табл. 6. Обикновено захранващото напрежение на контролера се осигурява от това на моста чрез прост стабилизатор с ценеров диод. Контролери за този тип преобразуватели са дадени на редове 1 и 6 от табл. 6.

Вторият и по-масово използван тип са преобразувателите с галванично разделяне на LED от електрическата мрежа (редове 2-5), чиято схема по принцип се различава от дадената на фиг.1 само по липсата на веригата с FB, тъй като не е необходимо стабилизиране на изходното напрежение. И в двата типа преобразуватели освен класическата ШИМ се използват нейни разновидности, например споменатата PFM. Трябва да се прибави, че при разработката на контролери производителите се стремят с тях да могат да се реализират различни видове ключови стабилизатори за преобразувателите, схеми на които се дават в каталозите, а тази възможност се отбелязва като “Various converter topologies support”. Полезна възможност за практическите приложения на преобразувателите е те да могат да работят съвместно с масово разпространените (като прибори) димери (TRIAC Dimmer), които се свързват между тях и електрическата мрежа. Наличието на такава възможност се отбелязва в документацията на контролерите (TRIAC-Dimmable Controller).
Типичните контролери за реализация на този тип преобразуватели в табл. 6 са с външен мощен MOS транзистор, а с възможности за димиране са дадените на редове 1, 2 и 6. Напреженията UVT (от UnderVoltage Threshold) и OVT (OverVoltage Threshold) представляват съответно долната и горната граница на захранващото напрежение VCC на контролера, при достигане на които той спира работата на преобразувателя. Очевидно UVT замества Vstart в разгледаните досега контролери, а UVT е нов параметър, реално за защита при прекъсване на веригата на товара (Output Open), тъй като това води до повишаване на VCC. Максималното напрежение на изхода на контролерите за подаване на гейта на Т е VOUT, а максималният му импулсен ток е IOUT. Характерът на приложенията на преобразувателите определя по-голямата вероятност от късо съединение на товара, поради което контролерите имат и защита от него. Тя се задейства и изключва товара (Hiccup Shutdown) при напрежение VHС (по-голямо от VSENSE) на входа CS, а токът, при който става това, е Hiccup Current.

Контролерът на ред 1 от табл. 6 позволява реализацията  на преобразуватели по схемите на фиг. 1 и фиг. 2 за напрежения 90-264 V. Желаната стойност на fo се задава чрез външен резистор, а димирането се извършва с тиристор, управляван от специален изход на ИС. Особеност на контролера на ред 2 е наличието на вход ZCD, който едновременно следи преминаването на мрежовото напрежение през нулата и осигурява защита от недопустимо големи изходни напрежения, която се задейства при OVP=5,5 V. За намаляване на създаваните електромагнитни смущения честотата fo не е фиксирана, а се променя в зависимост от мрежовото напрежение. Контролерът на ред 3 осигурява нежелани относителни промени на тока до 4% на тока през LED и има два режима на работа – за получаване на голям cos и на малки пулсации на тока през LED, установявани чрез външен резистор с определено съпротивление. Чрез друг резистор се избира работа на контролера по схемите на фиг. 1 и фиг. 2. В квазирезонансен режим е предвидено да работи контролерът на ред 4, който може да се пуска в действие непосредствено от мрежовото напрежение с максимално допустима амплитуда 800 V. Чрез оптрон (освен с RS) може да се контролира токът през LED. Допълнителна възможност е ползването на контролера за реализация на стабилизатори на напрежение. В същия режим може да работи и контролерът на ред 5, като ШИМ импулсите му имат dmax=99%. Стойността на fo зависи от изходната мощност на преобразувателя – при над 30% от максималната се работи със 130kHz, докато при по-малка мощност fo намалява. Последният контролер от табл.6 има 3 разновидности, като дадената на ред 6 е TypeC, позволяваща димиране с d между 1% и 100%, тази с означение ХС9401А е предвидена за осигуряване на максимален cos, а ХС9401В – за много стабилен ток през LED. И трите могат да работят с мрежово напрежение 85-270 V, както и по схемата на фиг. 2 с променливо напрежение 12 V и постоянно 12 V.

Модули за печатни платки
Освен наименованието AC-DC Power Supply for PCB се използват AC-DC Converter и AC/DC Power Module. Основната схема на модулите е дадената на фиг. 1 заради галваничното разделяне на изхода от входа. Към двете задължителни ИС (мостовият токоизправител и контролера) могат да се прибавят и други, например за реализация на синхронен токоизправител вместо диода D. Две са масово използваните конструкции на модулите – платката с елементите им е залята с епоксиден компаунд, за да отговаря на изискванията за невъзпламеняемост (Encapsulated Module), и без отворен тип (Open Frame Module).
Обикновено модулите се произвеждат в серии за различни стойности на мрежовото напрежение (Input Voltage), което освен променливо VAC обикновено може да е и постоянно VDC. Всеки от моделите в серията е с различно постоянно изходно напрежение Vо и максимален изходен ток Iomax, а в зависимост от максималната изходна мощност Po = VoIomax тя може да има една или повече групи. Обикновено различен за всеки от моделите е и коефициентът на полезно действие (Efficiency), представляващ отношението в проценти на Po и подаваната от мрежата променливотокова мощност и нарастващ с увеличаване на Vo на модула. Консумираният от него ток ICC е обратнопропорционален на VAC, докато максимално допустимата амплитуда Iinrush на токовия импулс при включване към мрежата нараства с увеличаване на VAC на модулите. Обикновено производителите посочват и границите на честота на мрежовото напрежение, която може да е 47-63 Hz или 47-440 Hz за устройства в авиацията. Нежеланите относителни изменения Vo на Vo обикновено са в сила при Iomax, честотата fo е на генератора им, а Visol е максимално допустимото напрежение между входа и изхода (I/O Isolation Voltage).

Поради принципа на действие на преобразувателите върху Vo има пулсации и шум, чиято сума е изходното напрежение на пулсации (Ripple&Noise) Vripple, измервано от връх до връх. При ползването му като параметър трябва да се има предвид, че той е при определен капацитет на кондензатора между клемите за Vo. Също параметър е максимално допустимата стойност Comax на този капацитет. Експлоатационният срок на модулите, който реално представлява времето до първа повреда (Mean Time Between Failure) MTBF, е в сила при работа с Iomax и две околни температури – 25 °С и максималната, като разликата между двете стойности е няколко пъти.

За безопасна работа на модулите те имат различни защити в зависимост от модела, като практически задължителни са максималнотоковата (Overload Protection) и от късо съединение (Short Circuit Protection), към които често се прибавя тази от изходно напрежение над максимално допустимото (Overvoltage Protection).
В табл. 7 са основните параметри на модули, като скобите в колона 2 показват броя им в серията.
Масово разпространени са и модули с по-големи Ро,. Серията TUNS50F на Cosel съдържа три модула за 5 V/10 A, 12 V/4,2 A и 24 V/2,1 A, които работят с VAC=85-264 V, имат  между 79% и 86% и размери 58,4x37,3x12,7 mm. В производствената гама на Murata Power Solutions присъства серията MVAD040 от 4 модула 5 V/6 A, 12 V/3,34 A, 24 V/1,67 A и 48 V/0,84 A за VAC=90 V-264 V и VDC=120 V-300 V с  между 85,3% и 89% при размери 101,6x50,8x28,5mm с впечатляващия MTBF>1000 khrs. Актуален пример (от юни 2015 г.) са и двете серии мощни токоизправители FARM1xxx за Ро=750W и FARM2xxx за Po=1000W на Vicor с Vo между 250 и 370 V, =96% и размери 57,9x55,9x12,7 mm.