V nedávné minulosti mnoho výrobních společností začalo upouštět od transformátorových napájecích zdrojů pro jejich značnou hmotnost a značné celkové rozměry. Představte si transformátorový zdroj s výstupním výkonem 100-150 W, dokonce vyrobený na toroidním magnetickém jádru. Hmotnost takového zdroje bude přibližně 5-7 kg a o jeho rozměrech se nedá ani mluvit. S příchodem všech druhů mikroobvodů regulátoru PWM a vysokonapěťových výkonných tranzistorů MOSFET byly transformátorové zdroje nahrazeny pulzními, takže celkové rozměry a hmotnost napájecích zdrojů se několikrát snížily. Spínané zdroje nejsou výkonově horší než transformátorové, navíc jsou mnohem efektivnější. Účinnost moderních spínaných zdrojů dosahuje 95 %. Takové napájecí zdroje však mají své nevýhody:
2. Obtížnost nastavení kvůli výběru pasivních součástí ve svazku regulátoru PWM, v ochranném obvodu atd.
Tyto nedostatky také způsobují nepříjemnosti při diagnostice závad a jejich odstraňování.
Hlavní součásti klasického obvodu spínaného zdroje se zpětnou vazbou se skládají z následujících bloků.
1. Vstupní obvod (zahrnuje síťový filtr, diodový můstek a filtrační kondenzátory).
2. PWM regulátor.
3. Ochranné obvody (přepětí, přehřátí atd.)
4. Obvody stabilizace výstupního napětí.
5. Výkonný výstupní tranzistor MOSFET.
6. Výstupní obvod skládající se z diodového můstku a filtračních kondenzátorů.
Jak vidíte, počet aktivních komponent obsažených ve spínaném zdroji dosahuje několika desítek, což zvyšuje celkové rozměry zařízení a v důsledku toho vytváří řadu problémů při návrhu a ladění.
Společnost STMicroelectronics po analýze obtíží při navrhování spínacích zdrojů vyvinula unikátní řadu mikroobvodů, kombinující PWM regulátor, ochranné obvody a výkonný výstupní MOSFET tranzistor na jednom čipu. Série zařízení byla pojmenována VIPer.
Název VIPer pochází z výrobní technologie samotného MOSFET tranzistoru, jmenovitě Vertical Power MOSFET.
Funkční schéma jednoho ze zařízení rodiny VIPer je uvedeno na obrázku 1.
Rýže. 1.
Klíčové vlastnosti:
- nastavitelná spínací frekvence od 0 do 200 kHz;
- režim regulace proudu;
- jemný začátek;
- spotřeba střídavého proudu nižší než 1 W v pohotovostním režimu;
- vypnutí při poklesu napájecího napětí v případě zkratu (zkratu) nebo nadproudu;
- spouštěcí obvod integrovaný do čipu;
- automatický restart;
- ochrana proti přehřátí;
- nastavitelný proudový limit.
Příklad schematického schématu standardního zapojení jednoho ze zástupců rodiny VIPer je na obrázku 2.
Stejně jako u podobných mikroobvodů pro konstrukci spínaných napájecích zdrojů vyráběných společnostmi jako Power Integrations a Fairchild, řada mikroobvodů VIPer používá režim regulace proudu. Používají se dvě zpětnovazební smyčky – vnitřní proudová regulační smyčka a externí napěťová regulační smyčka. Když je MOSFET zapnutý, hodnota primárního proudu transformátoru je monitorována SenseFET a převedena na napětí úměrné proudu. Když toto napětí dosáhne hodnoty rovné Vcomp (napětí na pinu COMP (viz obr. 1) je výstupní napětí chybového zesilovače), tranzistor se vypne. Externí napěťová regulační smyčka je tedy určena hodnotou, při které vnitřní proudová smyčka vypne vysokonapěťový spínač. Je důležité poznamenat ještě jednu vlastnost mikroobvodů VIPer, která je staví na úroveň nad jejich konkurenty. Jedná se o schopnost pracovat na frekvencích dosahujících 300 kHz. Umožňuje ještě větší účinnost a použití menších transformátorů, což vede k miniaturizaci napájecího zdroje při zachování projektovaného výstupního výkonu.
Rýže. 2.
Rodina VIPer má širokou škálu zařízení, která usnadňují výběr mikroobvodu, který splňuje zadané technické podmínky. Aktuálně dostupná zařízení, včetně nových produktů, jsou uvedena v tabulce 1.
Stůl 1. Souhrnná tabulka zařízení rodiny VIPer
| název | Ty si, V | Ucc max, V | R si, Ohm | Jsem min, A | F sw, kHz | Rám |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VIPer12AS | 730 | 38 | 30 | 0,32 | 60 | SO-8 |
| VIPer12ADIP | 730 | 38 | 30 | 0,32 | 60 | DIP-8 |
| VIPer22AS | 730 | 38 | 30 | 0,56 | 60 | SO-8 |
| VIPer22ADIP | 730 | 38 | 30 | 0,56 | 60 | DIP-8 |
| VIPer20 | 620 | 15 | 16 | 0,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20 (022Y) | 620 | 15 | 16 | 0,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20DIP | 620 | 15 | 16 | 0,5 | až 200 | DIP-8 |
| VIPer20A | 700 | 15 | 18 | 0,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20A(022Y) | 700 | 15 | 18 | 0,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer20ADIP | 700 | 15 | 18 | 0,5 | až 200 | DIP-8 |
| VIPer20ASP | 700 | 15 | 18 | 0,5 | až 200 | PowerSO-10 |
| VIPer50 | 620 | 15 | 5 | 1,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50 (022Y) | 620 | 15 | 5 | 1,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50A | 700 | 15 | 5,7 | 1,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50A (022Y) | 700 | 15 | 5,7 | 1,5 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer50ASP | 700 | 15 | 5,7 | 1,5 | až 200 | PowerSO-10 |
| VIPer53DIP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | až 300 | DIP-8 |
| VIPer53SP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | až 300 | PowerSO-10 |
| VIPer53EDIP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | až 300 | DIP-8 |
| VIPer53ESP | 620 | 17 | 1 | 1,6 | až 300 | PowerSO-10 |
| VIPer100 | 700 | 15 | 2,5 | 3 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100 (022Y) | 700 | 15 | 2,5 | 3 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100A | 700 | 15 | 2,8 | 3 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100A (022Y) | 700 | 15 | 2,8 | 3 | až 200 | PENTAWATT H.V. |
| VIPer100ASP | 700 | 15 | 2,8 | 3 | až 200 | PowerSO-10 |
Čipy VIPer jsou k dispozici v různých provedeních balení, jak je znázorněno na obrázku 3.
Rýže. 3.
Balíček PowerSO-10 je vývojem ST Microelectronics. Toto pouzdro je určeno k povrchové montáži na měděnou podložku na povrchu desky plošných spojů připojené k vývodu výkonového tranzistoru.
Tabulka 2 uvádí doporučení společnosti STMicroelectronics pro nahrazení podobných zařízení od jiných výrobců zařízeními z rodiny VIPer. Tato tabulka byla sestavena z materiálů poskytnutých STMicroelectronics. Zařízení VIPer uvedená v tabulce nejsou pin-to-pin analogy zařízení jiných výrobců. Data byla sestavena na základě podobných parametrických vlastností.
 |
||
| LNK562P | — | VIPER12ADIP |
| LNK562G | — | VIPER12AS |
| LNK563P | — | VIPER12ADIP |
| LNK564P | — | VIPER12ADIP |
| LNK564G | — | VIPER12AS |
| TNY274G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY275P | — | VIPER12ADIP VIPER22ADIP |
| TNY275G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY276P | — | VIPER12ADIP VIPER22ADIP |
| TNY276G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY277P | — | VIPER12ADIP VIPER22ADIP |
| TNY277G | — | VIPER12AS VIPER22AS |
| TNY278P | — | VIPER22ADIP VIPER53EDIP |
| TNY278G | — | VIPER22AS VIPER53ESP |
| TNY279P | — | VIPER22ADIP VIPER53EDIP |
| TNY279G | — | VIPER22AS VIPER53ESP |
| TNY280P | — | VIPER22ADIP VIPER53EDIP |
| TNY280G | — | VIPER22AS VIPER53ESP |
| TOP232P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TOP232G | — | VIPer22AS VIPer20ADIP |
| TNY264P | FSD210B FSQ510 FSQ510H |
VIPer12ADIP |
| TNY264G | — | VIPer12AS |
| TNY266P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY266G | FSDM311L | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY267P | FSDH0170RNB FSDL0165RN FSQ0165RN FSQ0170RNA |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY267G | FSDL0165RL | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY268P | FSDH0265RN FSDH0270RNB FSDM0265RNB FSQ0265RN FSQ0270RNA |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY268G | — | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY253P | — | VIPer12ADIP |
| TNY253G | — | VIPer12AS |
| TNY254P | — | VIPer12ADIP |
| TNY254G | — | VIPer12AS |
| TNY255P | — | VIPer12ADIP |
| TNY255G | — | VIPer12AS |
| TNY256P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TNY256G | — | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TNY256Y | — | VIPer20A |
| TOP221P | — | VIPer12ADIP |
| TOP221G | — | VIPer12AS |
| TOP221Y | — | VIPer12ADIP |
| TOP222P | FSDM311 FSQ0165RN FSQ311 |
VIPer22ADIP VIPer20ADIP |
| TOP222G | — | VIPer22AS VIPer20ASP |
| TOP222Y | — | VIPer20A |
| TOP223P | FSDL0165RN FSQ0165RN |
VIPer50A |
| TOP223G | — | VIPer50ASP |
| TOP223Y | — | VIPer50A |
| TOP224P | FSDH0265RN FSQ0265RN |
VIPer50A |
| TOP224G | — | VIPer50ASP |
| TOP224Y | KA5H0280RYDTU KA5M0280RYDTU |
VIPer50A |
| TOP226Y | KA5H0365RYDTU KA5H0380RYDTU KA5L0365RYDTU KA5L0380RYDTU KA5M0365RYDTU KA5M0380RYDTU |
VIPer100A |
| TOP227Y | — | VIPer100A |
| TOP209P | FSDM0565RBWDTU | VIPer12ADIP |
| TOP209G | — | VIPer12AS |
| TOP210PFI | — | VIPer12ADIP |
| TOP210G | — | VIPer12AS |
| TOP 200 YAI | — | VIPer22ADIP VIPer20A |
| TOP201YAI | — | VIPer50A |
| TOP202YAI | — | VIPer50A |
| TOP203YAI | — | VIPer100A |
| TOP214YAI | — | VIPer100A |
| TOP204YAI | — | VIPer100A |
Rýže. 4.
Na závěr bych rád poznamenal, že STMicroelectronics poskytuje vývojářům balíček bezplatného softwaru pro výpočet parametrů napájecího zdroje založeného na čipech z rodiny VIPer.
Balíček VIPer Design Software má přístupné a intuitivní rozhraní, které umožňuje nastavit libovolný z potřebných parametrů a obdržet hotové schéma se seznamem použitých komponent, grafy a oscilogramy procesů.
Pro technické informace, objednání vzorků a dodání kontaktujte prosím COMPEL. E-mailem:
EEPROM v novém miniaturním balení
V březnu 2007 společnost STMicroelectronics oznámila uvedení známých čipů EEPROM (kapacita od 2 do 64 kBit; s rozhraním SPI nebo I 2 C) v miniaturním provedení 2x3 mm MLP8 (ML - Micro Leadframe). Z hlediska výkonových charakteristik je nový vývoj srovnatelný se svým předchůdcem, mikroobvodem 4x5 mm (v balení S08N), může však výrazně ušetřit místo na desce plošných spojů a také snížit náklady na konečné zařízení. .
STMicroelectronics je první společností, která uvedla na trh kompletní řadu EEPROM řady v tak malém balení. Super tenké pouzdro (pouze 0,6 mm) s plochými kolíky umístěnými na obou stranách, počet paměťových cyklů až 1 milion (!), schopnost ukládat potřebná data po dobu více než 40 let - to vše dělá z mikroobvodu důstojným zástupcem své rodiny.
Nový vývoj je určen pro aplikace v širokých oblastech moderní mikroelektroniky: digitální fotoaparáty a videokamery, miniaturní MP3 přehrávače, různé dálkové ovladače, herní konzole, bezdrátová zařízení, Wi-Fi systémy.
Vydání nového mikroobvodu je naplánováno na druhou polovinu roku 2007, ale vzorky lze objednat již nyní.
Implementace mnoha funkcí moderních domácích spotřebičů je z velké části založena na použití mikrokontrolérů a přídavných obvodů. Ačkoli konvenční transformátory se železným jádrem mohou zajistit izolaci od střídavého proudu, nízkonapěťové napájecí zdroje pro mikroprocesory, jejichž výstupy řídí výkonové spínače připojené k síti, vyžadují další vrstvu elektrické izolace, jako jsou optočleny nebo spínací transformátory.
Návrháři se mohou vyhnout potížím a výdajům za přidávání dalších izolačních komponent k neizolovanému AC vedení. Pokud však získání jednoho nízkého napětí pomocí autonomního spínaného zdroje nezpůsobuje žádné potíže, představuje získání několika napětí určitý problém a vyžaduje poměrně složitý návrh.
Alternativně můžete použít jednočipový ovladač spínacího měniče, jako je ten vyrobený (IC 1 na obrázku 1), pomocí kterého vytvoříte ze střídavého síťového napětí dvě stabilizovaná napětí o celkovém výkonu až 3,3 W 88 V až 265 V. . Se jmenovitými hodnotami součástek uvedenými na obrázku poskytuje obvod zátěž s napětím -5 V ± 5 % při proudu do 300 mA a -12 V ± 10 % při proudu do 150 mA.
Viper22A obsahuje generátor hodin 60 kHz, referenční napětí, obvody tepelné ochrany a vysokonapěťový výkonový MOSFET schopný rozptýlit několik wattů energie. Přestože je Viper22A k dispozici v 8kolíkovém balení, vyžaduje k provozu pouze čtyři kolíky: vstup VDD, zpětnovazební vstup FB a zdrojové a vypouštěcí kolíky MOSFET. Zbývající piny - záložní napájecí vstup a přídavné vypouštěcí kontakty - slouží ke zlepšení odvodu tepla do desky plošných spojů.
Rezistor R 4 omezuje vstupní proudové rázy a zároveň slouží jako ochranná pojistka. U diody D 1 je střídavé napětí sítě usměrněno na efektivní hodnotu asi 160 V a vyhlazeno filtrem na prvcích C 1, R 1, L 1, a C 2. Kromě vyhlazení DC zvlnění filtr snižuje elektromagnetické rušení na úroveň, která splňuje požadavky evropské normy 55014 CISPR14. Dodatečné snížení emisí ve vedení zajišťuje tlumící kondenzátor C 9, zapojený paralelně s diodou D 1.
Kondenzátor C 3 akumuluje kladný náboj během doby, kdy je MOSFET zavřený, a uvolňuje jej, aby přiváděl napětí V DD do IC 1, když je MOSFET otevřený. Zpětné napětí diody D 3 může dosáhnout součtu špičkového usměrněného síťového napětí a maximálního výstupního stejnosměrného napětí, takže jako diodu D 3 by měla být zvolena dioda s rychlou obnovou dimenzovaná na špičkové zpětné napětí 600 V.
Pro zpětnou vazbu, která uzavírá regulační smyčku, se používá napětí V OUT2. Součet napětí báze-emitor tranzistoru pro všeobecné použití PNP Q 1 a zpětného napětí zenerovy diody D 6 nastavuje napětí V OUT2 na -5 V. Zenerova dioda D 7 posouvá napětí na zpětnovazebním vstupu mikroobvod IC 1 do jeho lineárního rozsahu 0 ... 1 V. Pro eliminaci vysokých frekvencí Pro generování generování ve zpětnovazebním obvodu musí být vodiče vedoucí ke kondenzátoru C 4 co nejkratší. Dvě vinutí cívky L2 jsou navinuta na feritovém jádru činky TDK SRW0913; Poměr závitů vinutí určuje výstupní napětí V OUT1. Pro udržení stabilizace, když není na výstupu V OUT1 žádná zátěž a na V OUT2 je plná zátěž, je mezi V OUT1 a společné zemnící vedení připojen přídavný odpor R 5.
Popis
Mikroobvody jsou určeny pro konstrukci galvanicky oddělených měničů se zpětnou vazbou (flyback měniče) s konstantním Uin od 35 do 400 V (variabilní Uin od 85 do 300 V), Uout od 2,5 do 150 V a proudy do 30 A. Režim stabilizace proudu resp. řízené omezení proudu, funkce automatického restartu a měkkého startu, ochrana proti přepětí a přetížení, možnost externí synchronizace a řízení vypnutí - umožňují navrhovat kompaktní a vysoce spolehlivé napájecí zdroje s účinností až 90 %. V tabulce 1 poskytuje hlavní charakteristiky mikroobvodů VIPer od STMicroelectronics.
Stůl 1. Hlavní charakteristiky čipů VIPer od STMicroelectronics
| Typ | Uсi max, V | Rsi, Ohm | Ic max, A | Pmax, W | Fsw. kHz | Typy případů |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VIPer20 | 620 | 16 | 0,5 | 20 | až 200 | |
| VIPer20A | 700 | 18 | 0,5 | 20 | až 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer20B | 400 | 8,7 | 1,3 | 20 | až 200 | |
| VIPer50 | 620 | 5 | 1,5 | 50 | až 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer50A | 700 | 5,7 | 1,5 | 50 | až 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer50B | 400 | 2,2 | 3 | 50 | až 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer100 | 620 | 2,5 | 3 | 100 | až 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer100A | 700 | 2,8 | 3 | 100 | až 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer100B | 400 | 1,1 | 6 | 100 | až 200 | Pentawatt HV, PowerSO-10, Pentawatt HV (022Y) |
| VIPer12A | 730 | 30 | 0,36 | 15 | 50 | DIP-8, SO-8 |
| VIPer22A* | 730 | 17 | 0,63 | 25 | 50 | DIP-8, SO-8 |
| VIPer30ALL* | 650 | 12 | 0,9 | 25_45 | až 300 | Pentawatt HV (022Y), DIP-8, PowerSO-10, TO-220FP-5L, SO-8 |
| VIPer50ALL* | 650 | 5,4 | 2 | 40_70 | až 300 | Pentawatt HV (022Y), PowerSO-10, DIP-8, TO-220FP-5L |
| * - ve vývoji | ||||||
Rýže. 1. Blokové schéma PWM regulátorů rodiny VIPer
Rýže. 2. Návrh obvodu napájecího zdroje na bázi VIPer100
Klíčové vlastnosti Nastavitelná spínací frekvence - od 0 do 200 kHz; Výhody Stejně jako u podobných čipů rodiny TOPSwitch vyráběných společností Power Integrations, i čipy rodiny VIPer využívají aktuální režim ovládání. Používají se dvě zpětnovazební smyčky – vnitřní proudová regulační smyčka a externí napěťová regulační smyčka. Když je MOSFET zapnutý, hodnota primárního proudu transformátoru je monitorována SenseFET a převedena na napětí úměrné proudu. Když toto napětí dosáhne hodnoty rovné Vcomp (napětí na pinu COMP je výstupní napětí chybového zesilovače), tranzistor se vypne. Externí napěťová regulační smyčka je tedy určena hodnotou, při které vnitřní proudová smyčka vypne vysokonapěťový spínač
. režim regulace proudu;
. jemný začátek;
. spotřeba střídavého proudu nižší než 1 W v pohotovostním režimu;
. vypnutí při poklesu napájecího napětí v případě zkratu (zkratu) nebo nadproudu;
. spouštěcí obvod integrovaný do čipu;
. automatický restart;
. ochrana proti přehřátí;
. nastavitelný proudový limit.
Režim řízení proudu zaručuje dobré omezení v případě zkratu. V tomto případě se sníží napětí zpětnovazebního vinutí a tím Vdd (napětí na pinu VDD) dosáhne úrovně 8 V. V tomto případě se aktivuje podpěťová ochrana UVLO a tranzistor se vypne. Zapne se vysokonapěťový zdroj spouštěcího proudu, který nabije externí kondenzátor C4 (obr. 2) na úroveň 11 V (podle toho bude doba restartu záviset na kapacitě C4), v tomto okamžiku dojde k pokusu pro zapnutí zdroje napájení v provozním režimu.
V případě potřeby lze vnitřně omezený špičkový proud snížit omezením napětí na pinu Vcomp, což je užitečné pro vzdálené vypnutí celého napájecího zdroje prostřednictvím externího signálu.
Důležitou výhodou rodiny VIPer je extrémně široký rozsah pracovního cyklu – od 0 do 90 %. Integrace napájení Řada IC TOPSwitch je známá tím, že během nečinného provozu vyžaduje malé zatížení předřadníkem, aby se napájení udrželo v regulačních mezích.
VIPer tuto nevýhodu nemá. V klidovém režimu přecházejí do režimu jednotlivých proudových impulsů, což umožňuje regulaci sekundárního vinutí. V tomto případě napětí na pomocném vinutí překročí 13 V a uvede chybový zesilovač do stavu logické nuly. Tranzistor se vypne a zdroj pracuje s téměř nulovým pracovním cyklem. Když Vdd dosáhne prahové hodnoty pro zapnutí, zařízení se opět na krátkou dobu zapne. Tyto cykly se opakují s vynechanými spínacími periodami a ekvivalentní pracovní frekvence v tomto režimu je mnohem nižší než v normálním režimu, což má za následek výrazné snížení spotřeby střídavého proudu. Pohotovostní režim odpovídá německému standardu Blue Angel (spotřeba energie méně než 1 W u systémů v pohotovostním režimu).
Další důležitou výhodou VIPeru je nastavitelná frekvence konverze až do 200 kHz pomocí externího RC řetězce. Taktovací frekvence 200 kHz umožňuje zmenšit velikost transformátoru a výstupního vyhlazovacího LC filtru a tím i celého napájecího zdroje jako celku. Také pin OSC umožňuje synchronizaci napájení z externího zdroje signálu.
Je třeba poznamenat, že zlepšené tepelné vlastnosti rodiny čipů VIPer ve srovnání s rodinou TOPSwitch Power Integrations. Tepelný odpor pouzdra RJA VIPer Pentawatt dosahuje 60ºC/W a pouzdra PowerSO-10 dosahuje 50ºC/W. Pouzdro PowerSO-10 je zároveň velmi výhodné při použití technologie povrchové montáže a lze jej instalovat na kontaktní měděnou podložku na povrchu desky plošných spojů se širokým substrátem připojeným k vývodu výkonového tranzistoru.
Nejnovějším vývojem jsou nové čipy z rodiny VIPer. Jedná se o VIPer20AII, VIPer50AII se spínací frekvencí až 300 kHz a dále VIPer12A s pevnou spínací frekvencí 50 kHz a maximálním výstupním výkonem 12 W v pouzdrech DIP-8 a SO-8. Zajímavé je srovnání technických charakteristik dvou podobných rodin vysokonapěťových PWM regulátorů TOPSwitch od Power Integrations a VIPer od STMicroelectronics (tabulka 2).
Stůl 2. Srovnávací charakteristiky VIPer a TOPSwitch
Viktor Petrovič Oleynik,
technický specialista SEA - Electronics,
V poslední době jsou žárovky, které mají velmi omezený zdroj asi 1000 hodin, a výbojky se zdrojem asi 20 000 hodin energicky nahrazovány LED analogy, které mohou fungovat bez výměny mnohem déle - 100 000 hodin. Mezi umělými zdroji světla mají nejvyšší účinnost přeměny elektrické energie na světlo, což nutí vlády mnoha zemí včetně Ruska důrazněji zavádět energeticky úsporné technologie v osvětlovací technice. To je také usnadněno neustálým poklesem nákladů na ultra jasné LED v důsledku konkurence světových výrobců.
Bohužel většina domácích LED svítidel používá jednoduché síťové zdroje s předřadným kondenzátorem. A to navzdory skutečnosti, že známé nevýhody posledně jmenovaného (proudový ráz při zapnutí, úzký rozsah síťového napětí odpovídající přípustným proudovým limitům přes LED, stejně jako možnost poškození v důsledku přerušení zátěže) vedou k předčasnému selhání žárovek. To znamená, že takové obvodové řešení v zásadě nemůže zajistit efektivní dlouhodobý provoz LED světelných zdrojů s předpokládaným zdrojem 100 000 hodin.
Navrhovaný návrh jednoduchého, malorozměrového síťového SMPS pro LED lampu (obr. 1) je bez těchto nedostatků a přes svou vysokou provozní spolehlivost je velmi levný (asi 50 rublů bez LED). Použití počítačově podporovaných konstrukčních nástrojů pro toto zařízení umožňuje radioamatérovi nezávisle měnit rozsah a počet připojených LED.
Činnost takového pulzního snižovacího stabilizátoru napětí a fyzikální principy jeho činnosti jsou popsány na (obr. 1c a obr. 2.6).
Proto se blíže podíváme na sekvenci návrhu síťového převodníku pro napájení 17 ultrasvítivých LED použitých v popisovaném zařízení (obr. 1). Mezi nimi jsou EL1-EL8 – standardní 5mm LED diody LC503TWN1-15G a EL9-EL11 – čipové LED ARL-5060WYC, po 3 kusech. v obdélníkovém pouzdře PLCC6 o rozměrech 5x5 mm s přípustným propustným proudem do 40 mA a úbytkem napětí v propustném směru cca 3,2 V na každé diodě. Tato volba LED v autorské kopii je způsobena potřebou osvětlit klávesnici počítače. První LED diody mají malý vyzařovací úhel - 15° při polovičním výkonu, druhé - velký - 120°. V důsledku toho nebudou v celkovém světelném bodu žádné ostré hranice a osvětlení ve středu je větší než na okraji. Barevný odstín takového světelného zdroje je průměrný mezi studenou a teplou bílou, což je dáno parametry použitých LED.
Z konstrukčních důvodů je stejný typ LED zapojen do série, výsledkem jsou ty, které jsou znázorněny na Obr. 1 dva obvody (po 8 resp. 9 LED), které jsou zapojeny paralelně přes proud omezující odpory R2 a R3 Výstupní napětí převodníku pro oba obvody je voleno na 32 V se zatěžovacím proudem 40 mA.
Pro návrh převodníku byl použit program Non-Isolated VIPer Design Software v.2.3 (NIVDS), který je popsán v článku. Interval síťového napětí byl ponechán zvolený programem standardně 88...264 V. Byl použit regulátor PHI - čip VIPer22A s převodní frekvencí 60 kHz, režim přerušované konverze (DCM - Discontinuous Current Mode), výstupní napětí - 32 V při proudu 40 mA. Indukčnost akumulační tlumivky L1, vypočtená programem, byla 2,2 mH. Další parametry měniče: účinnost - 74%, maximální amplituda proudu spínacího tranzistoru mikroobvodu DA1 - 169 mA, jeho maximální teplota - 47 °C, efektivní hodnota odběru proudu - 17 mA při maximálním síťovém napětí 264 PROTI.
Tlumivka L1 je modifikovaná vysokofrekvenční DM-0,1 500 μH. Pro zvýšení jeho indukčnosti na 2,2 mH jsou ke stávajícímu vinutí přidány 2 vrstvy po 100 závitech drátu PEV-2 o průměru 0,12 mm, aniž by se změnil směr vinutí. Izolace mezi přidanými vrstvami, stejně jako celkové zakrytí škrticí klapky, se provádí lepicí páskou. Vodiče induktoru jsou ohnuté pro montáž na desku s plošnými spoji ne blíže než 5 mm od feritového těla, jinak dojde k poškození vodičů vinutí z výroby. Místo upravené tlumivky DM-0.1 můžete použít tlumivky KIG-0.2-2200 nebo SDR1006-2200.
Výkres desky plošných spojů převodníku, vyrobeného z jednostranně fólií potaženého sklolaminátu o tloušťce 1...1,2 mm, je na Obr. 2 a jeho vzhled je znázorněn na Obr. 3. Kondenzátor C1 je připájen s mezerou 7...8 mm k desce, protože musí být nakloněn ke středu desky tak, aby zapadl do použité základny z vypálené úsporné žárovky.
Převodník může používat importované oxidové kondenzátory s maximální provozní teplotou 105 °C. Kondenzátory C2 a C5 jsou fóliové nebo keramické se jmenovitým napětím minimálně 50 V. Tavná propojka FU1 je drát z pojistky se jmenovitým proudem 1 A. Slot chrání desku při přepálení FU1. Slot však není potřeba, pokud je propojka nahrazena tavnou pojistkou v keramickém pouzdře (z řady VP1-1, VP1-2) nebo bezpečnostním rezistorem R1-25 (nebo podobným importovaným odporem 8 ... 10 ohmů). Při použití bezpečnostního rezistoru se odpor rezistoru R1 sníží na 10...12 Ohmů.
LED zátěž R2R3EL1 – EL11 je osazena na další desce plošných spojů z oboustranného fóliového sklolaminátu o tloušťce 0,5... 1 mm (obr. 4). Polygonální fóliová část ve středu desky je navržena tak, aby odváděla teplo z LED EL9-EL11 pro povrchovou montáž. Proudové omezovací rezistory R2 a R3 jsou PH1-12 standardní velikosti 1206. Obě desky jsou vzájemně spojeny připájením tří kusů měděného drátu o průměru 0,7 mm a délce přibližně 7 mm v odpovídajících kontaktních ploškách, na které jsou umístěny kusy dutých plastových tyčí z kuličkových ložisek jako omezující rukojeti nápravových skříní Dva vodiče napájejí desku s LED diodami a třetí zajišťuje potřebnou tuhost konstrukce. Při spojování jsou sousední strany bez prvků na obou deskách. Krátké kousky drátu se vloží do otvorů kontaktních ploch označených hvězdičkami a připájejí se na obou stranách. Nejprve je vhodné pomocí LATR ověřit stabilitu výstupního napětí 32 V v celém rozsahu změn síťového napětí (88 ... 264 V), přičemž místo LED diod budou použity rezistory s celkovým odporem 800 Ohmy jsou připojeny na místo a místo omezujících odporů R2 a R3 se dočasně připájejí trimry s odporem 150 Ohmů Při měření dávejte pozor na elektrický šok, protože všechny prvky zařízení jsou galvanicky připojeny k napájecí síti. Všechny změny se provádějí pouze ve vypnutém stavu. Trimrové rezistory se nastavují dielektrickým šroubovákem. Proud každým obvodem LED je monitorován miliampérmetrem Přestože použité LED umožňují propustný proud až 40 mA s odpovídajícím zvýšením jasu, pro dosažení udávané životnosti LED je proud nastaven na 20 mA. odpory. Přibližně 5 minut po zapnutí se tepelné podmínky LED stabilizují, takže je nutné dodatečné nastavení proudu. Pokud je k dispozici jeden miliampérmetr, proud v každém obvodu LED se upravuje postupně. Nakonec jsou ladicí odpory nahrazeny konstantami nalezeného odporu.
Pomocí nástroje Waveforms vám program NIVDS umožňuje simulovat režimy ovladače PHI. Na Obr. Na obrázku 5 je schéma pulzního proudu v regulátoru při síťovém napětí 220 V, které se prakticky shoduje s výsledky kontrolních měření. Interval O...1,5 μs odpovídá rozpojenému stavu spínacího tranzistoru mikroobvodu DA1 (dopředný zdvih měniče). Modrá barva znázorňuje graf proudu v akumulační tlumivce při zpětném zdvihu měniče. Interval 1,5 ... 13 μs odpovídá fázi přenosu energie akumulované škrticí klapkou při dopředném zdvihu na zátěž. Interval 13...16,6 μs je tzv. mrtvá pauza v provozu převodníku, kdy ve výstupním obvodu dochází k volným tlumeným oscilacím napětí a proudu. Tyto oscilace jsou názorněji znázorněny diagramem napětí na zdroji tranzistoru vůči společnému silovému vodiči (obr. 6), kde je dobře patrné, že dochází k tlumeným oscilacím napětí vzhledem k úrovni 32 V, odpovídající výstupní napětí převodníku. Výstupní filtr C4C5 snižuje zvlnění výstupního napětí na 300 mV.
Jak je vidět z Obr. 5 a 6 je špičkový proud spínacího tranzistoru mikroobvodu (169 mA) několikanásobně menší než maximální přípustná hodnota 700 mA, napětí na kolektoru tohoto tranzistoru (300 V) je také menší než maximální přípustná hodnota. 730 V. Tím je zajištěn provoz měniče s velkou rezervou elektrické pevnosti, která spolu s tepelnou ochranou zabudovanou v čipu a ochranou proti zkratu a přerušení zátěže zaručuje mnohaletý spolehlivý provoz popsané zařízení.
Vzhled LED lampy je na obr. 7. Používá reflektor z vadné baterky.
Literatura
1. Kosenko S. Vlastnosti činnosti indukčních prvků v jednocyklových měničích. - Rádio. 2005. č. 7. s. 30-32.
2. Kosenko S. Automatizovaný návrh malých SMPS na mikroobvodech VIPer - Rádio, 2008, č. 5, str. 32. 33.