Сучасний ринок джерел живлення пропонує розробнику широкий вибір різних виробів електроніки, кожне з яких в тій чи іншій мірі готове до вирішення поставлених перед інженерами завдань. Дана стаття має на меті розглянути та допомогти вибрати оптимальні рішення з пропозицій найбільш відомих гравців ринку імпульсних джерел живлення.

Вступ

Раніше системам харчування в функціональній схемі на етапі проектування дуже часто приділялася увага вже на завершальній стадії, багато фахівців недооцінювали їх можливість щодо вдосконалення вироби в цілому. Останнім часом тенденції розвитку електронної промисловості поставили на перший план перед розробниками такі завдання, як зменшення енергоспоживання, масогабаритних характеристик, часу розробки і кінцевої вартості виробу. Такі вимоги змінили колись другорядне відношення до вузлів здійснення живлення пристрою, адже багато в чому саме від них залежить здатність кінцевого продукту бути конкурентоспроможним, витримуючи жорсткі вимоги ринку.

На сьогоднішній день провідні позиції в цій області традиційно займає компанія Power Integration. Продукція цієї фірми добре відома, технологія застосування багаторазово відпрацьована, що і є фактором, який переважує чашу ваг в її сторону.

Як конкуруючих продуктів розглянемо пропозицію в області джерел живлення від компанії Fairchild Semiconductor. Ця компанія вже давно зарекомендувала себе в області силової електроніки, пропонуючи недорогі, якісні і багатофункціональні рішення. Як правило, продукція цього виробника орієнтована на області, які потребують високого ступеня надійності і продуктивності.

Джерела живлення

Фактично всі вироби електронної промисловості мають потребу в харчуванні постійним струмом від акумуляторної батареї або джерела живлення. Крім того, більшість приладів має підвищені вимоги до його якості. Напруга необхідно регулювати і захищати від виникаючих пульсацій. Всього існує три типи силових перетворювачів:

• DC \ DC-конвертер;
• AC \ DC-джерело живлення;
• DC \ AC-інвертор.

Ідеальний джерело повинен формувати необхідні значення напруг, незважаючи на зміну навколишньої температури, навантаження або вхідної напруги. При цьому він повинен володіти 100% -ної ефективністю. На рис. 1 можна побачити недоліки реального джерела живлення.

Мал. 1. Реальний джерело живлення

На сьогоднішній день існують лінійні і імпульсні джерела живлення . Імпульсне перетворення цікаво через високу ефективність і питомої потужності. У таблиці порівнюються деякі з основних особливостей лінійних та імпульсних джерел живлення. Стабільність по напрузі і струму зазвичай краще у лінійних джерел харчування, іноді на порядок, але в імпульсних джерелах живлення часто використовуються лінійні вихідні стабілізатори, що поліпшують параметри вихідної напруги.

Таблиця. Порівняння імпульсних і лінійних джерел харчування

Параметр Лінійні Імпульсні Нестабільність по вхідній напрузі,% 0,02-0,05 0,05-0,1 Нестабільність по струму навантаження,% 0,02-0,1 0,1-1,0 Вихідні пульсації, мВ 0,5 -2 25-100 ККД,% 40-55 60-95 Середня питома потужність, Вт / дм3 30 140 Час відновлення, мкс 50 300 Час утримання, мкс 2 32

Нарешті, імпульсні джерела живлення мають більш широкий діапазон вхідних напруг. Діапазон вхідних напруг лінійних джерел харчування зазвичай не перевищує 10% від номінального значення, що має прямий вплив на ККД. У імпульсних джерел вплив зміни величини вхідної напруги на ККД дуже незначне або взагалі відсутня, а широкий робочий діапазон вхідних напруг дає можливість працювати при сильних змінах напруги мережі (до 40%). Найбільш часто застосовується (завдяки своїм перевагам) є схема обратноходового перетворювача (рис. 2). Розроблено безліч мікросхем управління даними перетворювачами. Існують як мікроскладення, що використовують зовнішній силовий транзистор, так і включають силовий елемент в свій склад, що зменшує його габарити.

Мал. 2. Схема обратноходового перетворювача з согласующим трансформатором і гальванічною розв'язкою

В недалекому минулому реалізація методу широтно-імпульсної модуляції і контролю характеристик здійснювалася за рахунок дискретних елементів. Поява інтегральних схем, що беруть на себе ці функції, набагато спростило процес розробки і в кілька разів зменшило габаритні розміри джерел живлення (рис. 3). Лідерами у виробництві інтегральних схем управління джерелами живлення є компанії Power Integrations і Fairchild Semiconductor.

Мал. 3. Еволюція джерел живлення

Регулятори напруги компанії Power Integrations

компанія Power Integrations спеціалізується в області контролерів управління для імпульсних перетворювачів напруги. Продукція фірми Power Integrations багаторазово описувалася в різній літературі, тому ми лише коротко торкнемося її виробів і деяких технічних особливостей.

Зупинимося, як приклад, на лінійці TinySwitch-II . Слово «Tiny» в назві цього сімейства говорить про те, що вся серія регуляторів має дуже невеликі розміри. Мікросхеми можуть знаходити застосування в блоках харчування стільникових телефонів, цифрових фотокамер, комп'ютерів, антенних підсилювачах і ін. Компанія Power Integrations пропонує їх в двох видах корпусів - DIP-8B і SMD-8B.

Типова схема включення представлена ​​на рис. 4. Мікросхеми цієї серії мають чотири активних виведення, наступного призначення:

• DRAIN (D) підключений до стоку вихідного ключа МОП-транзистора. Ключовий висновок здійснює запуск і харчування мікросхеми.
• BYPASS (BP) підключений до зовнішнього конденсатору для підтримки внутрішньої напруги 5,8 В.
• ENABLE / UNDER-VOLTAGE (EN / UV) виконує функцію дозволяє входу і відстежує нестабільність напруги через підключення до лінії постійної напруги.
• SOURCE (S) - схема управління, поєднана з витоком МОП-транзистора.

Мал. 4. Схема включення мікросхеми TinySwitch-II

Компоненти Power Integrations прості в застосуванні, і це становить їх найважливіше відмітна властивість.

Сімейство мікросхем FPS виробництва компанії Fairchild Semiconductor

Продукція компанії Fairchild Semiconductor відмінно зарекомендувала себе на ринку високопродуктивних систем, там, де потрібні надійна, ефективна робота імал енергоспоживання. В даний час компанія пропонує найширший асортимент напівпровідникових пристроїв для промислового, автомобільного, телекомунікаційного та комп'ютерного обладнання.

На відміну від компанії Power Integrations, що спеціалізується тільки в області мікросхем управління живленням, спектр продукції Fairchild Semiconductor набагато ширше (рис. 5) і включає в себе практично всі активні компоненти для джерел живлення:

• контролери імпульсних джерел живлення;
• дискретні елементи (силові транзистори, IGBT, діоди і збірки);
• оптопари;
• регулятори напруги.

Мал. 5. Продукція Fairchild Semiconductor для джерел живлення

Найбільш цікавими є продукти серії Green FPS - високоінтегровані перемикачі потужності, що включають польовий транзистор і ШІМ-контролер з управлінням по струму, що дозволяє знизити споживання в режимі очікування і електромагнітне випромінювання (ЕМВ), а також скоротити число елементів і займану площу на платі. Продукти цієї лінійки задовольняють параметрам «ініціативи 1 Вт» Міжнародного енергетичного агентства.

Мікросхеми серії FPS на змінну напругу 265 В мають споживання 0,1 Вт в режимі очікування. Одним із прикладів цієї лінійки є мікросхема FSDH0265RN, розроблена спеціально для живлення різної побутової і офісної техніки, що застосовується також у сфері телекомунікацій.

Мікросхема включає в себе:

• транзистор SenseFET;
• ШІМ-контролер;
• високоточний частотний осцилятор.

Додаткові функції:

• схема запуску з м'яким стартом;
• частотна модуляція для зменшення ЕМІ;
• високоточне значення робочої частоти;
• невеликий робочий струм (~ 3 мА).

Схеми захисту:

• термозахист;
• обмежувач струму;
• захист від перевантаження по струму і напрузі;
• регульоване значення пікового струму.

Типова схема включення даних мікросхем наведена на рис. 6.

Мал. 6. Застосування продуктів серії FPS в джерелах живлення

Лінійка пропонується в корпусах 8DIP і 8LSOP з наступними призначеннями висновків:

• GND - земля;
• Vcc - напруга живлення мікросхеми;
• Vfb- ланцюг зворотного зв'язку;
• Ipk - установка обмеження струму через транзистор;
• Vstr - ланцюг зв'язку з випрямленою змінною напругою;
• Drain - висновок польового транзистора, з'єднаний з первинної обмоткою трансформатора.

З огляду на вимоги ринку до зниження споживаної енергії в режимі очікування, компанія Fairchild Semiconductor передбачила регулювання активного режиму (burst) роботи мікросхеми (рис. 7). Як відомо, цей режим роботи характеризується найбільшим витратою енергії. При зменшенні напруги зворотного зв'язку до Vактів1 = 500 мВ мікросхема автоматично переходить в режим burst. При подальшому зменшенні і досягненні точки Vактів2 = 350 мВ перемикання припиняються, і вихідна напруга починає знижуватися. У цей момент підвищується напруга зворотного зв'язку, і після досягнення точки Vактів1 починає працювати ключ. Таким чином, знайдена альтернатива методу включення-виключення, що зменшує втрати на переходах в режимі очікування.

Мал. 7. Регулювання режиму роботи мікросхеми

Однією з відмінних рис цієї серії мікросхем є можливість точного підтримання робочої частоти. Мікросхеми FPS мають такі робочі частоти: 50, 70, 100, 134 кГц. Як відомо, осцилятор з постійною частотою роботи генерує електромагнітні перешкоди у вузькому діапазоні частотного спектра. Для боротьби з перешкодами інженери компанії Fairchild Semiconductor оснастили лінійку блоком частотної модуляції (рис. 8). Величина перешкод може бути знижена за рахунок «розмазування» енергії по більш широкому частотному діапазону.

Мал. 8. Частотна модуляція

Використання частотної модуляції дозволяє для погашення решти наведень використовувати недорогі і ефективні індуктивності замість складних дросельних котушок, при цьому задовольняючи світовим вимогам щодо обмеження електромагнітних завад.

висновки

Сьогодні, проводячи розробку, інженер повинен враховувати не тільки технічні характеристики використовуваного ним компонента.

В умовах сучасного ринку, коли час виведення готової розробки на ринок має бути мінімальним, необхідно використовувати всі можливі ресурси для досягнення поставленої мети. За інших рівних характеристиках додатковим стимулом повинна виступати можливість застосування готових рішень одного виробника, використання його моделей, рекомендацій і потужної технічної підтримки. Лише деякі виробники можуть похвалитися такою можливістю, і одним з них є компанія Fairchild Semiconductor.

література

1. www.fairchildsemi.com/whats_new/fps.html
2. http://www.powerint.com/tiny2product.htm
3. http://www.powerint.com/PDFFiles/an23.pdf
4. http://www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-4105.pdf
5. Семенов Б. Ю. Силова електроніка. М .: «Солон-Р». 2001.
6. http://www.fairchildsemi.com/ds/FS%2FFSDH0265RN.pdf
7. http://www.powerint.com/PDFFiles/tny263_268.pdf

Євген БІРЮКОВ , Дмитро ВАСИЛЕНКО