Наше деловое партнерство www.banwar.org

Вступ

ККД джерела живлення - повинен бути головним чинником, на який треба орієнтуватися при проектуванні обратноходового імпульсного джерела живлення. Він може включати в себе безліч факторів - від розміру корпусу, в який поміщений джерело живлення до класу безпеки, якому він відповідає. При розробці джерела живлення багато чинників можуть негативно позначитися на підсумковому ККД. Це можуть бути такі, здавалося б безневинні фактори, як ємність накопичувальних конденсаторів, геометрія сердечника і конструкції трансформатора, вибір вихідного випрямляча та ін. В даному циклі статей ми постараємося порівняти ККД джерела живлення на базі мікросхем Power Integrations і ККД джерел живлення на базі інших рішень , розглянемо технології вимірювання ККД і виробити рекомендації, які необхідні для створення обратноходового джерела живлення з максимальним ККД.

Частина 1. Порівняння ІП на базі мікросхем TOPSwitch та ВП на базі дискретних елементів.

Для окремого випадку джерела живлення ККД, що досягається за допомогою використання мікросхем Power Integrations дорівнює або більше ККД ІП на базі ШІМ-контролера і дискретного MOSFET, навіть в разі, якщо використовується MOSFET з Rds (on) набагато менше ніж у еквівалентного в складі TOPSwitch. Причини цього стають зрозумілі, коли ми розберемо по деталях втрати потужності в ІП на базі Power Integrations та ВП на базі дискретних елементів. Для цих цілей були заміряні втрати потужності індустріального серійного джерела живлення (24 V, 34 W) з універсальним вхідним діапазоном при вхідній напрузі 120 вольт. Цей ІП (див. Схему на рис. 1) використовує мікросхему ШІМ-контролер 3842 і MOSFET транзистор 600 V, 1.2 ohm, що працює на частоті 76 kHz. Первинний ланцюг ВП була замінена на TOP 214, при цьому трансформатор, випрямляч і вихідні фільтри залишилися тими ж. В результаті ми отримали схему (див. Рис. 2). На цій схемі були також заміряні втрати потужності. Результати вимірів зведені в таблицю 1.

Рис.1 ІП на базі контролера 3842.

Рис.2 ІП на базі мікросхеми TOP214Y (Power Integrations).

Таблиця 1.

Тип джерела живлення

3842 + MOSFET (1.2 ohm, 600V)

TOPSwitch (3.6 ohm, 700V)

Порівняння дискретного ІП з ІП на базі Power Integrations (Vin = 120 VAC)

Вихідна потужність 34.27 W 34.21 W Вхідна потужність 39.38 W 38.63 W ККД 87% 88.6% Втрати потужності 5.11 W 4.42 W Робоча частота 76 KHz 100 KHz

Розподіл втрат потужності

Втрати при проведенні MOSFET Rds (on) 0.37 W 1.07 W Шунт 0.16 W - втрати при перемиканні втрати CV2f 0.43 W 0.32 W Перехресні втрати 1.08 W - Інші втрати Стартова ланцюг 1-2 W - ШІМ контролер 0.3 W 0.05 W Вихідний діод 1.0 W 0.98 W Ланцюг поглинання високовольтного викиду 1.2 W 1.07 W Інші втрати (фільтри, міст, трансформатор і ін.) 0.54 W 0.93 W

В результаті ККД ІП на базі мікросхем TOP 214 трохи краще, ніж у аналогічного на дискретних елементах, і це при тому, що Rds (on) мікросхеми TOP 214 на 3.6 ohm в три рази вище, ніж у дискретного ключа.

Всі втрати обох джерел живлення можна розділити на 2 великі категорії - втрати при проведенні і втрати при перемиканні. Втрати при проведенні у дискретного ІП - близько 0,37 Вт плюс 0,16Вт (обумовлені шунтовим резистором). У схеми на TOPSwitch втрати набагато вище 1.07 W через більш високого Rds (on). Однак при цьому мікросхема використовує свій внутрішній Rds (on) і не потребує зовнішнього шунт, відповідно на ньому нічого немає падіння потужності. Втрати на перемикання можна розділити на 2 підкатегорії - це втрати CV 2 f і перехресні. Втрати CV 2 f обумовлені запасанием енергії в паразитних ємностях трансформатора і MOSFET ключа, при цьому вся ємність повинна бути розряджена на початку кожного робочого циклу. Перехресні втрати обумовлені кінцевим часом на перемикання MOSFET транзистора. Під час включення і виключення є короткий проміжок часу, коли відбувається перекриття напруги і струму в транзисторі. Повільний MOSFET транзистор матиме довший період перекриття і відповідно більш високі втрати. Втрати CV 2 f джерела живлення на базі TOPSwitch складають всього 74% від втрат дискретного ВП. Це пояснюється роботою TOPSwitch на частоті 100 KHz при тому, як дискретний ІП працює на 76 KHz. Обидва дизайну використовують один і той же трансформатор, тому втрати CV 2 f обумовлюються меншою вихідний ємністю TOP 214, яка становить одну десяту від вихідний ємності дискретного MOSFET. Перехресні втрати при перемикання TOPSwitch дуже малі, ними можна знехтувати, коли як перехресні втрати на перемикання дискретного ІП складають 1,08 Вт.

Ця різниця виходить завдяки низькій вихідний ємності внутрішнього MOSFET транзистора мікросхеми PI, а також малому часу перемикання. Сумарні втрати TOP 214 складають 1,39 Вт проти 2,04 Вт - дискретного ВП.

Крім цього джерела живлення на мікросхемах Power Integrations і дискретних елементах відрізняються по споживанню енергії стартовою схемою і схемою управління. Ці втрати показані в таблиці 1. Втратами схеми на PI можна знехтувати, коли як втрати дискретної схеми становлять близько 30 мВт. Мікрсохеми TopSwitch мають в своєму складі стартову ланцюг, яка автоматично відключається після старту мікросхеми, тому, коли мікросхема знаходиться в робочому режимі, стартова схема не споживає. Більшість схем на базі 3842+ MOSFET використовують резистор, підключений на високу напругу для забезпечення старту схеми. При цьому постійне споживання такого елемента схеми складе 1-2 Вт. Споживання контролера вбудованого в мікросхему TOPSwitch набагато менше споживання схеми на 3842 (50 мВт проти 300 мВт). Втрати в контролері обумовлені споживанням схеми контролера, а також потужністю, необхідної для управління MOSFET транзисторів. MOSFET мікросхеми TOPSwitch - це пристрій зробленої за жорсткими технологічним допуском з малою ємністю затвора, і практично нульовий ємністю Міллера, відповідно для роботи з таким транзистором потрібна вкрай мала потужність. Контролер TOPSwitch - ця мікросхема, виконана по CMOS технології, для роботи якої потрібно 5,7 вольта 2,5 mA при максимальному робочому циклі і 6,5 mA при мінімальному.

Втрати на вихідному випрямлячі практично однакові. Втрати на ланцюгу поглинання високовольтного викиду менше при використанні TOPSwitch (це пояснюється більш високою робочою частотою). Робота на більш високій частоті обумовлює більш низькі пікові струми в первинній обмотці, менше запасається паразитного енергії, обумовленої індукцією розсіювання, відповідно це обумовлює менші втрати в ланцюзі поглинання високовольтного викиду.

З вище написаного можна зробити висновок, що ККД джерела живлення на мікросхемі Power Integrations як мінімум не менше, а як максимум більше, ніж ККД джерела живлення на дискретних елементах.

Рекомендації по тому, які прийоми застосовуються для збільшення ККД на базі мікросхем Power Integrations - читайте в наступній статті циклу.

Бандура Геннадій

Макро Груп