02-2005_081-084.pdf
(
1672 KB
)
Pobierz
ep_02_081-084.indd
P O D Z E S P O Ł Y
TOPSwitch - nowoczesne
rozwiązania zasilaczy
Nie posmarujesz - nie pojedziesz. Po przeczytaniu takiego
stwierdzenia zapewne u większości Czytelników powstały dość
jednoznaczne skojarzenia z tym, o czym się głośno ostatnio
mówi w radiu i telewizji. Ale nie, nie będziemy pisać o
przekrętach i machlojkach naszych polityków. To nie ta gazeta...
Projektowanie zasilaczy jest dość
nieprzyjemnym – w moim mniema-
niu – zajęciem projektowym, jeśli
nie ogranicza się do zastosowania
„gotowca” w postaci zasilacza wtycz-
kowego i stabilizatora 7805 lub po-
dobnego. No, może trochę przesadzi-
łem. Umówmy się: użycie gotowe-
go stabilizatora nie jest w ogóle za-
jęciem projektowym. Prawdziwi kon-
struktorzy mogliby się poczuć obra-
żeni. Tymczasem odnoszę wrażenie,
że większość elektroników, w szcze-
gólności speców od „cyfrówki”, omi-
ja temat zasilaczy szerokim łukiem,
co w wielu przypadkach jest możli-
we, ale do czasu. Gdy w końcu sta-
niemy przed koniecznością samodziel-
nego opracowania całkowicie autono-
micznego urządzenia, niestety zasi-
lacz będzie jednym z wielu bloków
funkcjonalnych, nad którymi będzie-
my musieli trochę posiedzieć.
Wiadomo nie od dziś, że tym,
czego elektronicy nie lubią najbar-
dziej jest przykręcanie śrubek, wier-
cenie otworów i wykonywanie wszel-
kich elementów indukcyjnych. Nie-
stety, póki co, w każdym zasilaczu
co najmniej jeden taki element wy-
stąpić musi. Jest nim transformator,
a nierzadko dochodzą również dławi-
ki przeciwzakłóceniowe, itp. W kla-
sycznych zasilaczach transformato-
rowych z regulatorami szeregowymi
pojawia się także problem odprowa-
dzania ciepła z elementu wykonaw-
czego, a więc obliczenie lub co naj-
mniej empiryczne dopasowanie od-
powiedniego radiatora. Jest to zwią-
zane z nienajwyższą sprawnością ta-
kich konstrukcji. Parametr ten sta-
je się istotny, gdy chcemy opraco-
wać urządzenie odpowiadające mod-
nym ostatnio wymogom proekologicz-
nym. Tu musimy praktycznie zapo-
mnieć o starych, tradycyjnych kon-
figuracjach. Pora sięgnąć po najnow-
sze konstrukcje.
Flyback
Rozwiązaniem godnym polecenia
będą na pewno zasilacze typu
fly-
back
. Wbrew temu, co było powie-
dziane wcześniej, nie jest to wynala-
zek ostatnich lat. Podobna konfigura-
cja jest znana od niepamiętnych cza-
sów, przy czym do niedawna zakres
zastosowań nie wykraczał poza zasi-
lacze wysokiego napięcia stosowane
w monitorach. Okazuje się jednak, że
takie rozwiązanie układowe z powo-
dzeniem może być wykorzystywane
w większości współczesnych urządzeń
zarówno profesjonalnych, jak i ama-
torskich. Nie do pogardzenia są bar-
dzo korzystne parametry elektryczne
i funkcjonalne
flybacków
. Do najważ-
niejszych należy zaliczyć:
- szeroki dopuszczalny zakres wej-
ściowego napięcia przemiennego,
- praca zarówno w sieci 50 Hz jak
i 60 Hz,
- stosunkowo niewielka liczba ele-
mentów,
- praca bez radiatora w aplikacjach
o mocy do 30 W,
- miękki start zapobiegający powsta-
waniu przeciążeń i przepięć,
- automatyczne wznowienie pracy
po wystąpieniu zwarcia (oczywi-
ście po usunięciu przyczyny),
- programowanie ograniczenia prądo-
wego,
- niewielkie wartości pojemności
wejściowych kondensatorów filtru-
jących,
- niewielkie wymiary transformatora,
a co za tym idzie również całe-
go zasilacza,
- proste wejściowe filtry EMI,
- wysoka sprawność (>75%),
- niewielka moc strat w stanie
standby
.
Niestety, jak to zwykle bywa,
oprócz zalet są i wady. Do najpoważ-
niejszych należy zaliczyć dość skom-
plikowaną budowę transformatora, co
ma szczególne znaczenie w przypadku
podjęcia decyzji o samodzielnym jego
wykonaniu. Drugą niedogodnością, z
jaką może się spotkać projektant, jest
dość rozbudowany algorytm oblicza-
nia poszczególnych elementów skła-
dowych zasilacza. Na szczęście pro-
ducenci podzespołów wykorzystywa-
nych w tych zasilaczach najczęściej
oferują odpowiednie oprogramowanie
w znacznym stopniu automatyzujące
ten etap tworzenia projektu. Jeśli na-
wet ktoś zdecyduje się na ręczne wy-
konanie obliczeń, to udostępnione w
Rys. 1. Podstawowa konfiguracja zasilacza
flyback
Elektronika Praktyczna 2/2005
81
P O D Z E S P O Ł Y
Rys. 2. Przebiegi prądowe w wybranych punktach
zasilacza
flyback
występujące w różnych trybach
pracy
szą uwagę skupimy na
układach TOPSwitch,
dla których został opra-
cowany specjalny ze-
staw ewaluacyjny, testo-
wany w naszej redakcji.
Jak już wiemy, projekto-
wanie zasilacza pracują-
cego w konfiguracji
fly-
back
nie jest zajęciem
łatwym, dysponując jed-
nak sprawdzonym algo-
rytmem obliczeniowym
z problemem tym moż-
na sobie jakoś poradzić
nawet nie będąc eksper-
tem w tej dziedzinie. A
na pomoc eksperta mo-
żemy w każdej chwili
liczyć. Będzie to jednak
tylko program PIExpert
(wraz z PIDesignerem),
który można pobrać ze
strony
http://www.powe-
rint.com/designsoftwa-
re.htm
. Programy te są
również dostarczane
na CDROM-ie w zesta-
wie ewaluacyjnym. Nie
rozwiążą one naszych
wszystkich wątpliwości.
Rzadko kiedy bowiem
udaje się, nawet przy
ich użyciu, zaprojekto-
wać zasilacz spełniający nasze zało-
żenia wstępne tak, by nie były zgła-
szane uwagi modułu optymalizujące-
go. Wtedy musimy jednak skorzystać
z nabytej gdzieś wiedzy na temat za-
silaczy
flyback
i umiejętnie dopaso-
wać parametry końcowe projektu.
Spróbujmy teraz zobaczyć jak
trudne jest projektowanie zasilacza
flyback
.
Podstawową konfigurację takiego
zasilacza przedstawiono na
rys. 1
. A
oto kolejne etapy obliczeń:
1. Określenie parametrów wejścio-
wych: V
ACMAX
, V
ACMIN
, - minimalna
i maksymalna wartość wejściowego
napięcia przemiennego [V], f
L
- czę-
stotliwość sieci (50 lub 60 Hz), V
0
- napięcie wyjściowe [V], P
0
- moc
wyjściowa [W], h- sprawność zasi-
lacza, Z - współczynnik tzw.
loss
allocation factor
.
2. Wybranie typu sprzężenia zwrot-
nego i napięcia V
B
(
bias voltage
).
Parametry te dobiera się na pod-
stawie odpowiedniej tabeli udo-
stępnianej w notach aplikacyjnych
(np. AN-32). Typ sprzężenia zale-
ży od przeznaczenia zasilacza, za-
kładanych kosztów i mocy wyjścio-
wej. Najprostsze obwody mogą się
składać z rezystora i diody Zenera,
bardziej skomplikowane wymagają
transoptorów lub zalecanych przez
producenta typów optycznych ukła-
dów sprzęgających.
3. Określenie minimalnego i maksy-
malnego napięcia stałego V
MIN
, V
MAX
oraz pojemności kondensatora wej-
ściowego C
IN
na podstawie napię-
cia wejściowego i mocy wyjściowej.
Pojemność dobiera się na podsta-
wie tabeli, napięcia zaś oblicza się
z podanych w notach aplikacyjnych
wzorów.
4. Określenie napięcia V
OR
i parame-
trów diody zabezpieczającej V
CLO
.
Przyjmuje się, że dla zasilacza z
wieloma wyjściami V
OR
=100 V, na-
tomiast dla pojedynczego wyjścia
V
OR
=120 V. W przypadku stosowa-
niu układów TOPSwitch-GX mak-
symalną moc uzyskuje się dla
V
OR
=135 V.
5. Ustalenie parametru K
p
określają-
cego kształt impulsów prądowych.
Układ może pracować w trybie tzw.
ciągłym lub nieciągłym (
rys.
2
).
Obliczenia prowadzi się w ogólnym
przypadku na podstawie podanego
wzoru. Dla typowego napięcia zasi-
lającego 230 VAC i trybu ciągłego
można przyjąć: Kp=0,6. Współczyn-
nik ten nie może przekraczać war-
tości podanych w specjalnej tabeli.
6. Określenie współczynnika D
MAX
na
podstawie V
MIN
i V
OR
Obliczenia na
podstawie podanych wzorów.
7. Obliczenie wartości szczytowej prą-
du pierwotnego I
P
. Obliczenia na
podstawie podanych wzorów.
8. Obliczenie wartości RMS prą-
du pierwotnego I
RMS
. Obliczenia na
podstawie podanych wzorów.
9. Dobranie typu układu TOPSwitch-
-GX na podstawie wejściowego na-
pięcia przemiennego, napięcia wyj-
ściowego i mocy wyjściowej, bazu-
jąc na charakterystykach zamiesz-
czonych w nocie AN-29. Ze wzglę-
dów ekonomicznych należy wybrać
minimalną wersję układu spełniają-
cą założone parametry.
10. Ustalenie wartości I
LIMIT
oraz
współczynnika K
I
dla zewnętrznego
ograniczenia prądu I
LIMIT
. Obliczenia
na podstawie wzorów i wskazówek
podanych w nocie aplikacyjnej.
11. Weryfikacja typu układu poprzez
sprawdzenie wartości prądu I
P
i po-
nownie I
LIMIT
.
12. Obliczenie indukcyjności uzwo-
jenia pierwotnego. Obliczenia na
podstawie podanych wzorów.
13. Dobór parametrów rdzenia i kar-
kasu transformatora na podstawie
notach aplikacyjnych algorytmy po-
zwolą na w miarę bezstresowe prze-
brnięcie przez tę fazę projektu. Aby
- jak to nasi dziadowie mawiali - po
próżnicy nie gadać, prześledzimy po-
niżej tok obliczeniowy przykładowego
zasilacza
flyback
. Z przyczyn obiek-
tywnych nie będziemy zbyt głęboko
wchodzić w szczegóły, a w razie ko-
nieczności należy ich szukać w no-
tach katalogowych i aplikacyjnych.
Przykładowe obliczenia zasilacza
flyback wykorzystującego elementy
TOPSwitch-GX firmy Power
Integrations
Jednym z wiodących producentów
podzespołów przeznaczonych do budo-
wy zasilaczy impulsowych jest istnie-
jąca od 1988 roku firma Power Inte-
grations. W jej ofercie można znaleźć
układy serii LinkSwitch, DPA-Switch,
TinySwitch i TOPSwitch. Każda nich
została opracowana pod kątem zróżni-
cowanych zastosowań, takich jak: ła-
dowarki, popularne zasilacze wtyczko-
we, zamienniki klasycznych regulato-
rów liniowych do zastosowań domo-
wych i profesjonalnych, przetwornice
DC-DC, energooszczędne, tanie zasila-
cze do zastosowań uniwersalnych. Na-
82
Elektronika Praktyczna 2/2005
P O D Z E S P O Ł Y
Rys. 3...7. Zrzuty ekranowe programu PIExpert
wiązania są przedstawione w nocie
AN-32.
36. Dobranie parametrów prostowni-
czego mostka wejściowego.
Ufff. Koniec. Nie było łatwo, ale
ostrzegałem, że nie będzie. Analo-
giczny proces obliczeniowy poka-
zano już tylko w skrócie, na kilku
zrzutach ekranowych programu PIE-
xpert (
rys.
3...7
). W praktycznych
obliczeniach na pewno pojawi się
mnóstwo dodatkowych wątpliwości.
Już po wstępnym zapoznaniu się z
dokumentacją widać, że nasze oba-
wy może wzbudzać transformator,
w szczególności jego praktyczna re-
alizacja. Pomocą dla konstruktora
będzie nota aplikacyjna wyjaśniająca
szczegóły projektowania tego pod-
zespołu. Nota ta jest dostępna pod
adresem:
http://www.powerint.com/
PDFFiles/an18.pdf
. Gdyby okazało
się, że zadanie to przekracza jednak
zdolności wykonawcze (co jest wy-
soce prawdopodobne), można sko-
rzystać z gotowych produktów ofe-
rowanych przez wielu producentów.
Prawdę mówiąc, najczęściej będzie
to najrozsądniejsza decyzja, tym bar-
dziej, że gotowe podzespoły są do-
stępne nawet u polskich dystrybu-
torów, np.
http://www.feryster.com.pl/
polski/loader.html
.
Przed rozpoczęciem poważnego
stosowania zasilaczy
flyback
bazują-
cych na elementach TOPSwitch-GX
na pewno warto się z nimi zapo-
znać praktycznie. Najlepszą metodą
będą próby prowadzone w oparciu
częstotliwości kluczowania f
s
oraz
mocy P
0
. W zamieszczonej w no-
cie AN-32 tabeli znajdują się typo-
we rdzenie zalecane do współpracy
z układami TOPSwitch.
14. Ustalenie liczby warstw uzwoje-
nia pierwotnego L oraz liczby zwo-
jów uzwojenia wtórnego N
s
. Obli-
czenia wykonuje się iteracyjnie.
15. Obliczenie liczby zwojów uzwo-
jenia pierwotnego N
P
oraz liczby
zwojów uzwojenia
bias
N
B
.
16. Określenie parametrów mechanicz-
nych uzwojenia pierwotnego.
17...22. Sprawdzenie parametrów B
M
,
C
MA
i L
g
. Może się okazać koniecz-
ne iteracyjne wykonanie obliczeń
dla różnych wartości parametrów
L i N
S
oraz parametrów rdzenia i
karkasu. Obliczenia prowadzi się
na podstawie podanych wzorów, ta-
bel i zaleceń.
23. Sprawdzenie, czy B
P
≤4200. Je-
śli się okaże konieczne, to nale-
ży zmniejszyć I
LIMIT
i K
I
. Ogranicze-
nie indukcji w rdzeniu do wartości
0,42·T jest konieczne dla zapewnie-
nia, aby rdzeń transformatora się
nie nasycał.
24. Obliczenie wartości szczytowej
prądu uzwojenia wtórnego I
SP
.
25. Obliczenie wartości RMS prądu
uzwojenia wtórnego I
SRMS
.
26. Określenie parametrów mechanicz-
nych uzwojenia wtórnego.
27. Obliczenie prądu tętnień konden-
satora wyjściowego I
RIPPLE
.
28. Obliczenie szczytowej wartości
napięcia inwersyjnego dla uzwojenia
pierwotnego i
bias
- PIV
S
, PIV
B
.
29. Dobranie diody zabezpieczają-
cej na podstawie napięcia V
OR
oraz
typu wyjścia. Preferowane typy za-
warte są w tabeli zamieszczonej w
nocie aplikacyjnej AN-32.
30. Dobranie wyjściowej diody pro-
stowniczej. Doboru dokonuje się na
podstawie parametrów podzespołów
zawartych w tabeli zamieszczonej
w nocie aplikacyjnej AN-32.
31. Dobranie kondensatora wyjściowe-
go. W zależności od napięć i prą-
dów wyjściowych zalecane są po-
jemności 330 mF oraz 1000 mF pro-
ponowanych producentów.
32. Określenie parametrów L i C fil-
tru wyjściowego. Wartość indukcyj-
ności mieści się w przedziale od
2,2 mH do 4,7 mH.
33. Dobranie prostownika obwodu
bias
na podstawie tabeli.
33. Dobranie kondensatora obwodu
bias
. Praktycznie zawsze stosuje
się kondensator ceramiczny 0,1 mF/
50 V.
34. Dobranie kondensatora i rezy-
stora szeregowego wyprowadzenia
CONTROL. W praktyce stosuje się
kondensator elektrolityczny 47 mF/
10 V i rezystor 6,8 V/0,25 W.
35. Dobranie konfiguracji obwodu
sprzężenia zwrotnego. Zalecane roz-
Dodatkowe informacje
Nazwa
flyback
stosowana w odniesieniu do topologii
zasilaczy prawdopodobnie pochodzi od nazwy
transformatorów wysokiego napięcia wykorzystywa-
nych niegdyś w monitorach. W transformatorach
takich wysokie napięcie ładujące pojemność CRT
jest generowane przez gwałtowny zanik pola ma-
gnetycznego w rdzeniu podczas szybkiego powrotu
plamki. Wiązka elektronów powraca (
fly back
) na
pozycję początkową nowej linii. Do pracy w takich
warunkach wymagane są transformatory specjalnej
konstrukcji - zupełnie nie nadają się do tego
rozwiązania klasyczne.
Elektronika Praktyczna 2/2005
83
P O D Z E S P O Ł Y
Rys. 8. Schemat blokowy układu TOPSwitch-GX I jako ewentualna ciekawostka
tranzystor mocy MOSFET. Jest też
blok sterowania PWM współpracują-
cy z układem miękkiego startu oraz
blokiem regulacji i ograniczenia prą-
du oraz obwodem wykrywającym
napięcie wejściowe. Pracą poszcze-
gólnych bloków steruje odpowied-
nio opracowana część cyfrowa ukła-
du TOPSwitch-GX. Tranzystor mocy,
komparatory analologowe, przerzut-
niki, bramki, wzmacniacze operacyj-
ne, a więc sporo elementów zasad-
niczo różniących się funkcjonalno-
ścią, a nawet technologią. Wszystko
w jednej strukturze. Myślę, że opra-
cowanie takiego układu było spo-
rym wyzwaniem dla inżynierów fir-
my Power Integrations.
Czy skórka warta jest wypraw-
ki? Nie ukrywam, że po pierwszych
swoich próbach z układami TOP-
Switch daleki jestem od nazwania
się specjalistą w dziedzinie projek-
towania zasilaczy
flyback
, ale nie
o to przecież chodzi. Wszystko jest
kwestią tylko sporej praktyki, któ-
rą nabywa się w czasie. Nie trze-
ba jednak być wybitnym znawcą,
żeby zauważyć niezaprzeczalne za-
lety tego typu rozwiązań. Może
fly-
backi
nie zainteresują amatorów, ale
zdziwiłbym się, gdyby przeszli obok
nich obojętnie specjaliści, szczegól-
nie zaangażowani w produkcję róż-
nego typu urządzeń elektronicz-
nych. A wiadomo przecież nie od
dziś, że każdy sprzęt elektroniczny
będzie działał lepiej, jeśli zostanie
włączony do zasilania.
Jarosław Doliński, EP
jaroslaw.dolinski@ep.com.pl
o zestaw ewaluacyjny. Wraz z goto-
wym do pracy zasilaczem otrzymu-
jemy „czystą” płytkę drukowaną oraz
próbki (2 szt.) układów TOP245P,
dzięki którym możemy łatwo zreali-
zować własną wersję projektu. Na
wyróżnienie zasługuje bardzo staran-
nie i dokładnie opracowana doku-
mentacja techniczna. Oprócz wiedzy
ogólnej uzyskujemy z niej również
bardzo konkretną pomoc w pracach
obliczeniowych, a własne koncepcje
możemy weryfikować analizując bar-
dzo liczne gotowe aplikacje - łado-
warki akumulatorów, przetwornice,
zasilacze dla odtwarzaczy DVD, itp.
Czym właściwie jest
TOPSwitch-GX?
No ładnie, potrafimy już niemal
samodzielnie projektować zasilacze
pracujące w konfiguracji
flyback
, a
nie wiemy, co się kryje wewnątrz
niepozornie wyglądającego układu
TOPSwitch-GX. Dogłębna wiedza na
ten temat właściwie nie jest nam
specjalnie potrzebna, ale z czystej
ciekawości odkryjemy wieczko ukła-
du i przeszlifujemy jego strukturę.
Budowa wewnętrzna TOPSwitcha
jest przedstawiona na schemacie
blokowym (
rys.
8
). Najważniejszym
elementem jest wysokonapięciowy
Dodatkowe informacje
Zestaw ewaluacyjny dla układów TOPSwitch-GX
udostępniła redakcji firma Memec - autoryzowany
dystrybutor Power Integrations. Informacje: Memec
Polska Sp. z o.o., 44-101 Gliwice, ul. Sowińskiego
5, tel. (032) 238-03-60
84
Elektronika Praktyczna 2/2005
Plik z chomika:
decha9191
Inne pliki z tego folderu:
02-2005_010-015.pdf
(880 KB)
02-2005_024-027.pdf
(3043 KB)
02-2005_017-023.pdf
(869 KB)
02-2005_035-038.pdf
(754 KB)
02-2005_028-032.pdf
(651 KB)
Inne foldery tego chomika:
01
03
04
05
06
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin