1. Вступ
2. Базові параметри режиму управління силовим каскадом
3. обратноходового перетворювач
4. прямоходовой перетворювач
5. Двотактний прямоходовой перетворювач
6. Захист і безпека роботи
7. Блокування при аварійних ситуаціях
8. Вбудований динамічний джерело живлення
9. Режим зниженої частоти
10. Режим Soft-Skip
11. Зменшення ЕМІ за рахунок джиттера внутрішнього генератора (Internal frequency jittering)
12. Ramp compensation - компенсація пилоподібний сигнал зворотного зв'язку
13. Dual level OCP - дворівневий захист від струмового перевантаження
14. Структура ШІМ-контролерів NCP1237, NCP1238, NCP1287 і NCP1288
15. Функціональні відмінності мікросхем
16. ШІМ-контролер серії NCP1379 / 80
17. література

2010

У статті наводиться огляд ШІМ-контролерів компанії ON Semiconductor, які є прекрасною основою для побудови сучасних мережевих імпульсних джерел живлення. Відомий виробник і світовий експерт в області електроживлення та енергозбереження, компанія ON Semiconductor пропонує широку номенклатуру мікросхем ШІМ-контролерів для вибору. Мікросхеми характеризує невисока вартість, висока ефективність перетворення, економічність за рахунок зниження енергоспоживання в черговому режимі, висока надійність, що забезпечується наявністю комплексу вбудованих захистів, а також низький рівень ЕМВ.

Вступ

Мережеве джерело живлення - один з найбільш відповідальних вузлів в структурі електронної апаратури. Найбільш важливі параметри мережевого перетворювача: робочий діапазон вхідної напруги, споживана потужність в черговому режимі, габаритні розміри, надійність, електромагнітна сумісність і собівартість. Переважна більшість сучасної апаратури з живленням від мережі використовує імпульсні джерела живлення. Мережевий імпульсний джерело живлення забезпечує гальванічну розв'язку вихідних ланцюгів від напруги. Розв'язка забезпечується за рахунок використання імпульсного трансформатора в силовому ланцюзі і оптрона в колі зворотного зв'язку.

Ключовим елементом імпульсного мережевого джерела живлення є мікросхема ШІМ-контролера. Основна функція ШІМ-контролера - управління силовим транзистором (транзисторами), що стоять в первинному ланцюзі імпульсного трансформатора, і підтримку вихідної напруги на заданому рівні, використовуючи сигнал зворотного зв'язку. Структура сучасних ШІМ-контролерів забезпечує і додаткові функції, що підвищують ефективність і надійність джерела живлення:

• обмеження струму і шпаруватості імпульсів в ланцюзі управління силовими транзисторами;
• плавний запуск перетворювача після подачі живлення (Soft Start);
• вбудований динамічний джерело живлення від високовольтного вхідної напруги;
• контроль рівня вхідної напруги з усуненням «провалів» і «викидів»;
• захист від КЗ в ланцюзі силового трансформатора і вихідних ланцюгів вихідного випрямляча;
• температурний захист контролера, а також ключового елемента;
• блокування роботи перетворювача при зниженому і підвищеному вхідній напрузі;
• оптимізація управління для чергового режиму і режиму зі зниженим струмом в навантаженні (пропуск циклів або перехід на знижену частоту перетворення);
• оптимізація рівня ЕМВ.

Розглянуті в статті ШІМ-контролери не мають вбудованого силового транзистора, керуючого струмом в первинному ланцюзі силового трансформатора.

Базові параметри режиму управління силовим каскадом

Залежно від вимог конкретного застосування в контролері можуть використовуватися різні схеми вихідного каскаду управління силовим ключем, тип управління по ланцюгу зворотного зв'язку (по струму або по напрузі), а також різний частотний режим перетворення. Тип вихідного каскаду ШІМ-контролера визначає і топологію перетворювача.

Типи топології мережевих перетворювачів:

• обратноходового;
• прямоходовой;
• двотактний;
• полумостовой;
• бруківці;
• квазірезонансний.

У таблиці 1 показані характеристики базових топологій схем, які використовуються при побудові імпульсних мережевих джерел живлення.

Таблиця 1. Базові топології схем, що застосовуються при побудові імпульсних джерел живлення

обратноходового перетворювач

Основна схема, по який виконано багато малопотужні імпульсні джерела живлення, - це обратноходового перетворювач (рис. 1). Ця схема перетворює одне постійна напруга в інше, регулюючи вихідна напруга за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) або частотно-імпульсної модуляції (ЧИМ). Модуляція ширини імпульсу - це метод управління, заснований на зміні ставлення тривалості включеного стану ключа до виключеного при постійній частоті. У обратноходового перетворювачі тривалість включеного стану ключа більше тривалості вимкненого стану для того, щоб більша кількість енергії було припасено в трансформаторі і передано в навантаження.

Мал. 1. Типова схема Flyback-перетворювача

прямоходовой перетворювач

Інша популярна конфігурація імпульсного джерела живлення відома як схема прямоходового перетворювача і показана на рис. 2. Хоча ця схема дуже нагадує обратноходового схему, є і деякі фундаментальні відмінності. Прямоходовой перетворювач накопичує енергію не в трансформаторі, а у вихідний котушці індуктивності (дроселі). Точки, що позначають початок обмоток на трансформаторі, показують, що, коли ключовий транзистор відкритий, у вторинній обмотці з'являється напруга, і струм тече через діод VD1 в котушку індуктивності. У цієї схеми велика тривалість включеного стану ключа щодо вимкненого стану, більш високий середній напруга у вторинній обмотці і більш високий вихідний струм навантаження.

Мал. 2. прямоходового перетворювач напруги мережі

Двотактний прямоходовой перетворювач

На рис. 3 показаний двотактний перетворювач, який є різновидом прямоходового перетворювача за винятком того, що обидва ключа включені в ланцюг первинної обмотки трансформатора.

Мал. 3. Схема двотактного прямоходового перетворювача

У номенклатурі ШІМ-контролерів ON Semi представлені мікросхеми, які мають різну топологію вихідного каскаду, тип управління, частотний режим управління, а також додаткові вбудовані функції. У таблиці 2 представлені основні параметри ШІМ-контролерів ON Semi, що випускаються в даний час.

Таблиця 2. Основні параметри ШІМ-контролерів ON Semi для мережевих імпульсних джерел живлення

Тип Топологія Режим регулювання Частота, кГц Режим Stand-by Захист від зниженої вхідної напруги UVLO, В Захист від КЗ на виході Блокування Режим Soft Start NCL30000 Flyback За току До 300 - - - - - NCL30001 Flyback За току До 150 - - - - - NCP1237 Flyback За току 65 - - + + + NCP1238 Flyback За току 65 - - + + + NCP1288 Flyback За току 65 - 10 + + + NCP1379 Flyback За току Варіюється + 9 + + + NCP1380 Flyback За току Варіюється + 9 + + + NCP1252 Forward за току До 500 + 9-10 + + + CS51221 Forward по напрузі До 1000 - + - + + CS5124 Flyback за току 400 - + - - + MC33025 Push-Pull за току або по напрузі 1000 - + + - + MC33060 Flyback По напрузі 200 - + - - + MC33067 Flyback По напрузі 1000 - + + - + MC33364 Flyback За току Варіюється + + - - - MC34060 мультирежимну По напрузі 200 - + - - - MC34067 Резонансний По напрузі - - + + - - MC44603 Flyback по струму або по напрузі До 250 + 9 + + + NCP1200 Flyback по струму 100 + - + - - NCP1203 Flyback За току 100 + + + - - NCP1207 Flyback За току До 1000 + + + + + NCP1216 Flyback За току 100 + - + - + NCP1217 Flyback За току 100 + + + + + NCP1219 Flyback За току 100 + 9 , 4 + + + NCP1230 Flyback За току 100 + + + + + NCP1252 Flyback / Forward За току До 500 + 9-10 + + + NCP1271 Flyback За току 100 + + + + + NCP1294 Flyback - До 1000 + + + + - NCP1308 Flyback За току Варіюється + + + + + NCP1337 Flyback За току Варіюється + + + + + NCP1338 Flyback За току Варіюється + + + + + NCP1351 Flyback За току Варіюється - - + + - NCP1377 Flybac k По току Варіюється + + - + + NCP1379 Flyback За току Варіюється + 9 + + + NCP1380 Flyback За току Варіюється + 9 + + + NCP1381 Flyback За току Варіюється + + + + + NCP1382 ​​Flyback За току Варіюється + + + + + NCP1392 Half-Bridge За току 250 - 9 - - + NCP1393 Half-Bridge За току 250 - 9 - - + NCP1395 Push-Pull За напругу 1000 + + + + + NCP1396 Push-Pull По напрузі До 500 + + + + + NCP1397 А / В Half-Bridge По напрузі 50-500 - 9,5 / 10,5 + + + NCP1562 Flyback По напрузі Дo 500 - + + + + NCV3843, UC3843 Flyback За току 52 - + + - + UC2842 / 43/44 Flyback по струму 52 - + + - - UC2843 / 44/45 Flyback по струму 52 - + + - - UC3842 / 44/45 Flyback по струму 52 - + + - - UC3845 Push-Pull по струму 52 - + + - +

Слід зазначити, що структура мікросхем ШІМ-контролерів останніх розробок дуже схожа. Основні відмінності визначаються типом топології, режимом регулювання (по току / напрузі), режимом частотного управління (частота постійна або варійована), а також логікою роботи при виявленні критичних ситуацій. Структура ШІМ-контролера містить логіку, задану автомат станів. Схема автомата переходів реалізована на компараторах, триггерах, таймерах і елементах логіки. Основні стану контролера: початковий пуск частотного генератора, вихід на робочий режим, адаптивне стеження за струмом навантаження і вибір оптимального режиму, виявлення критичних ситуацій, перехід в аварійний режим, автозбереження після збоїв.

Захист і безпека роботи

Мережеві перетворювачі повинні забезпечувати достатній рівень безпеки при роботі без деградації характеристик силових елементів в разі виникнення струмових перевантажень внаслідок коротких замикань в обмотках трансформатора або в навантаженні. КЗ виявляється в першу чергу по раптового зникнення сигналу зворотного зв'язку через оптрон. Потрібно відключити драйвер вихідного транзистора, щоб запобігти перегріву транзистора і насичення трансформатора. Однак і в процесі запуску сигнал зворотного зв'язку також відсутній деякий час. Потрібно ідентифікувати ці дві ситуації. У деяких недорогих контролерах захист від КЗ не реалізована. У таких випадках виникнення КЗ призведе до неконтрольованих наслідків і може в лічені секунди привести до руйнування силових елементів перетворювача. КЗ може бути декількох типів - в самій навантаженні, в обмотках, в електролітичному конденсаторі вихідного випрямляча, випрямних діодах. Введення детермініруемих станів збільшує складність автомата, але підвищує надійність роботи перетворювача.

Блокування при аварійних ситуаціях

При виборі відповідного для застосування контролера особливу увагу розробник повинен звертати на логіку автомата станів, особливо на логіку відпрацювання аварійних ситуацій. Перехід в аварійний режим при виявленні критичних ситуацій може передбачати як примусове обмеження струму, так і повне блокування роботи перетворювача. При блокуванні зупиняється задає ШІМ-генератор і забороняється подача активного сигналу для силового транзистора. Залежно від типу або модифікацій мікросхем можливі два сценарії блокування (Latch).

У першому випадку після спрацьовування блокування перетворювач «замикається» в цьому стані і не змінює його, навіть якщо умова, що викликала цей стан, вже пропало. Відновлення роботи перетворювача можливо лише після виключення напруга в електромережі та повторного включення живлення.

У другому випадку реалізуються спроби автозбереження (autorecovery) нормальної роботи перетворювача. Для цього в структурі контролера запускається таймер на час близько 1,5 с. Після закінчення цього часу контролер знову перевіряє наявність критичних ситуацій, і якщо вони зберігаються, блокування залишається. В цьому випадку світлодіодний індикатор мережевого джерела буде блимати з періодом 1,5 с. Автовідновлення відбувається тільки при спрацьовуванні по зниженню напруги.

Вбудований динамічний джерело живлення

Вбудований динамічний джерело струму стартового харчування (Dynamic Self-Supply, DSS) гарантує надійний запуск перетворювача і в той же час - низьке споживання в вимкненому стані. Вбудований динамічний джерело живлення значно спрощує дизайн імпульсного трансформатора, тому що відпадає необхідність у використанні додаткової обмотки для живлення мікросхеми.

Джерело динамічного харчування забезпечує харчування контролера при старті перетворювача, а також живить схему контролера в тих випадках, коли напруга живлення на обмотці харчування контролера короткочасно пропадає, наприклад при перевантаженнях. Стартовий генератор струму мікросхеми забезпечує плавний запуск перетворювача. Після запуску перетворювача харчування проводиться від живильної обмотки трансформатора. Є модифікації мікросхем, в яких немає джерела динамічного харчування і харчування проводиться завжди тільки від лінії високої напруги. З одного боку, це призводить до підвищення споживання, а з іншого - не вимагає наявності додаткової живильної обмотки трансформатора. Вхід високовольтного живлення має детектор зниженого харчування, який дозволяє вимкнути контролер (brown-out condition) або занадто висока напруга (line overvoltage). Цей захист працює як зі змінним, так і випрямленою вхідною напругою і не залежить від пульсацій напруги. У DSS використовується синхронний піковий детектор.

Режим зниженої частоти

У контролерах останніх розробок застосовується режим з переходом на знижену частоту (Frequency foldback). Перехід на знижену частоту відбувається, коли сигнал зворотного зв'язку стає нижче порога. Зниження частоти перетворення дозволяє зменшити споживання в черговому режимі.

Режим Soft-Skip

Режим пропуску частотних циклів дозволяє зменшити споживання в черговому режимі. Режим активізується по зменшенні рівня амплітуди сигналу зворотного зв'язку нижче встановленого порога. Soft-Skip і Frequency foldback реалізуються в одному структурному модулі контролера.

Зменшення ЕМІ за рахунок джиттера внутрішнього генератора (Internal frequency jittering)

Для контролерів, які працюють на фіксованій частоті, може використовуватися прийом введення малої частотної модуляції біля центральної частоти (джиттер). Наявність джиттера не впливає на роботу перетворювача, проте дозволяє «розмити» спектр ЕМІ і таким чином зменшити амплітуду електромагнітного випромінювання, індукованого в ланцюзі трансформатора та інших силових ланцюгів перетворювача.

Ramp compensation - компенсація пилоподібний сигнал зворотного зв'язку

В останніх розробках ШІМ-контрол-леров використовується компенсація пілообраз-ності сигналу зворотного зв'язку. Це дозволяє поліпшити режим стабілізації в процесі регулювання.

Dual level OCP - дворівневий захист від струмового перевантаження

Захист від підвищеного струму (Overcurrent Protection) в навантаженні і силових ланцюгах має два різних рівня. На низькому рівні контролер зберігає здатність до регулювання, але має довгий старт. На високому рівні при втраті сигналу регулювання запускається звичайний таймер. Це дозволяє джерела живлення короткочасно працювати в режимі критичної потужності. Струмовий захист залежить тільки від сигналу в ланцюзі зворотного зв'язку.

Наведені вище функції повною мірою реалізовані в останніх розробках мікросхем ШІМ-контролерів ON Semi - серіях мікросхем NCP1237 / 38/88 і NCP1379 / 80.

Структура ШІМ-контролерів NCP1237, NCP1238, NCP1287 і NCP1288

Мікросхеми цих типів практично ідентичні по цоколевке і схемою включення. У них використовується режим управління по струму з фіксованою частотою перетворення. Мікросхеми призначені для застосування в обратноходових перетворювачах (Flyback) c гальванічною розв'язкою (трансформатор, управління - зворотний зв'язок по напрузі через оптрон, по току - через додаткову обмотку силового трансформатора). На рис. 4 показана структурна схема ШІМ-контролера NCP1237.

Мал. 4. Структурна схема ШІМ-контролера NCP1237

Вбудована схема Dynamic Self-Supply (DSS) спрощує проектування і забезпечує зменшення додаткових елементів. Наявність режиму Soft-Skip з пропуском циклів забезпечує підвищення ефективності перетворення при малих навантаженнях зі збереженням низького споживання в черговому режимі. Також підтримується і зниження частоти перетворення до 31 кГц (frequency foldback) з гістерезисом. Поріг включення режиму - 1,5 В, зворотний перехід в робочий режим відбувається при перевищенні порога 1 В. При зниженні напруги сигналу зворотного зв'язку нижче порога 0,7 У активізується режим пропуску циклів Soft-Skip, який дозволяє зменшити споживання додатково, а також зменшити виникнення акустичного шуму на трансформаторі і конденсаторах, використовувати більш дешеві трансформатори. Вбудований двухпорогового захисний таймер служить для захисту при збоях і порушеннях роботи схеми управління внаслідок стрибків струму. Вбудована схема формування джиттера частоти забезпечує «розмивання» спектру і зменшення пікових рівнів ЕМВ. Контролер також включає нову схему високовольтного каскаду, яка спільно зі схемою старту дозволяє оцінювати рівень сигналу з струмового датчика як в ланцюзі змінного напруги, так і в ланцюзі постійного випрямленої напруги. ON Semiconductor використовує високовольтну технологію вхідних ланцюгів контролера, тому NCP1288 може підключатися по годує ланцюгах безпосередньо до шини високої напруги харчування.

Режим блокування для NCP1237 (рис. 5) може активізуватися по одному з двох умов: при підвищенні рівня напруги вище порогового на вході Latch за рахунок перенапруження або при зменшенні напруги нижче іншого заданого порогу за рахунок терморезистора з негативним температурним коефіцієнтом, що стоїть на силовому транзисторі.

Мал. 5. Типова схема включення ШІМ-контролера NCP1237

Токовий джерело HV startup забезпечує заряд конденсатора VCC до порогового напруги VCC (on) і працює, поки вхідна напруга більше VHV (start), забезпечуючи режим включення. Потім контролер виробляє плавний пуск Soft-Start, під час якого струм споживання лінійно зростає перед включенням режиму регулювання. Під час періоду плавного старту блокування ігнорується, а струм блокування подвоюється, забезпечуючи швидкий предзаряда конденсатора на вході виведення блокування.

У мікросхемах реалізована захист від короткого замикання на виході.

Частота перетворення - 65/100/133 кГц і визначається модифікацією мікросхем. Мікросхеми розраховані на використання в розширеному температурному діапазоні від -40 до +125 ° С, що особливо актуально для промислових додатків. Типові застосування контролерів:

• мережеві джерела живлення принтерів, моніторів;
• зарядні пристрої для акумуляторів;
• вбудовані мережеві джерела побутової апаратури.

Функціональні відмінності мікросхем

Для модифікацій мікросхем NCP1238B і NCP1288B є функції підтримки автозбереження (autorecovery). NCP1237 має схему двухпорогового OCP, в той час як NCP1238 його не має. Базові відмінності між мікросхемами серії показані в таблиці 3.

Таблиця 3. Базові відмінності модифікацій ШІМ-контролерів серії NCP12xx

Модифікація DSS Dual OCP Latch Auto Recovery NCP1237A + + + - NCP1237B + + - + NCP1238A + - + - NCP1238B + - - + NCP1287A Тільки HV + + - NCP1287B Тільки HV + - + NCP1288A Тільки HV - + - NCP1288B Тільки HV - - +

ШІМ-контролер серії NCP1379 / 80

Мікросхеми в першу чергу орієнтовані для застосування в мережевих адаптерах з високою потужністю (AC / DC Wall Adapters). Основна відмінність від серії NCP12xx - квазірезонансний режим, який і забезпечує високу струмовий навантажувальну здатність. При регулюванні використовується зворотний зв'язок по напрузі. На рис. 6 показана структурна схема мікросхеми ШІМ-контролера NCP1379.

Мал. 6. Структура мікросхеми NCP1379

Динамічне харчування для фази запуску в мікросхемах цієї серії не використовується. Харчування подається постійно через резистор від вхідних шини вхідної напруги і через діод - з живильної обмотки трансформатора. NCP1379 і NCP1380 забезпечують ультранизьким споживання в черговому режимі, а також високу ефективність роботи зі зниженою струмовим навантаженням за рахунок переключення на знижену частоту.

Блокування для мікросхем серії NCP1379 / 80, на відміну від мікросхем серії NCP1237 / 38/87/88, відбувається за іншими умовами. Реалізований захист від перевищення потужності в навантаженні Over Power Protection (OPP), або підвищеного струму. Як токового датчика використовується додаткова обмотка трансформатора. Сигнал з обмотки подається на висновок 1 мікросхем NCP1379 / 80. За сигналом на вході виведення 1 контролюється не тільки умова початкового пуску по точці перетину нуля (Zero Crossing Detection), але і оцінюється перевищення струму в навантаженні вище критичного порога. На рис. 7 показана типова схема включення ШІМ-контролера NCP1379.

Мал. 7. Типова схема включення ШІМ-контролера NCP1379

У мікросхемах NCP1379 / 80 реалізована внутрішня термозахист (Internal Shutdown).

Таблиця 4. Базові відмінності модифікацій ШІМ-контролерів серії NCP1379 / 80

модифікація Режим блокування роботи (Latch) Режим з пуском таймера автозбереження після блокування (autorecovery) Захист від перенапруги (OVP) і термозахист (OTP) Захист від зниження харчування (Brown Out) + захист від перенапруги (OVP) NCP1379 - + - + NCP1380A + - + - NCP1380B - + + - NCP1380C + - - + NCP1380D - + - +

Відмінності між модифікаціями мікросхем NCP1380 визначаються логікою схем початкового запуску і роботою ланцюгів захисту.

У модифікаціях або реалізується блокування (Latch), або дозволяється автовідновлення після збою (AutoRecovery). Блокування спрацьовує при виявленні підвищеного струму в ланцюзі навантаження, наприклад при короткому замиканні. Умова короткого замикання визначається таймером тривалістю 80 мс. Якщо підвищений струм детектується більше 80 мс, то ситуація оцінюється як аварійна і робота перетворювача блокується.

Захист від перенапруги, зниженої напруги на вході, а також захист від перегріву вихідного транзистора реалізується за допомогою двухпорогового детектора, що стоїть на вході виведення 7 мікросхем NCP1379 / 80. Слід тільки врахувати, що не всі типи захистів реалізуються відразу в одній мікросхемі, а тільки певні комбінації. Чотири модифікації мікросхеми NCP1380 дозволяють вибрати набір певних захистів.

Відповідно, трохи відрізняються і типові схеми включення для модифікацій NCP1380 (рис. 8, 9).

Мал. 8. Типова схема включення модифікацій мікросхем NCP1380A / B

Мал. 9. Типова схема включення модифікацій мікросхем NCP1380C / D

Розглянуті ШІМ-контролери призначені для тих додатків, де стійкість до жорстких умов експлуатації та вартість пристрою - ключові фактори вибору.

література

1. AND8344 / D Implementing an LCD TV Power Supply with the NCP1392B, NCP1606 and NCP1351B Prepared by: Jaromir Uherek ON Semiconductor.
2. Ромадіна І. Контролери ON Semiconductor для мережевих джерел живлення з економічним черговим режимом // Компоненти та технології. 2009. № 7.
3. Datasheet NCP1237 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
4. Datasheet NCP1288 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
5. Datasheet NCP1379 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-line Supplies.
6. Datasheet NCP1380 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-Line Supplies.

Завантажити статтю в форматі PDF

повідоміті про помилки