Ensine a você 6 habilidades de design de fonte de alimentação
01 Amplificador Magnético de Ferrite na Fonte Flyback
Para uma fonte flyback de saída dupla com potência real em ambas as saídas (5V 2A e 12V 3A, ambas reguladas em ± 5 por cento), quando a tensão atinge 12V, ela entra em um estado de carga zero e não pode se ajustar dentro do limite de 5 por cento. Um regulador linear é uma solução viável, mas ainda não ideal devido ao seu alto custo e perda de eficiência.
Nossa solução sugerida é usar um amplificador magnético na saída de 12V, até mesmo uma topologia flyback pode ser usada. Para reduzir custos, recomenda-se usar um amplificador magnético de ferrite. No entanto, o circuito de controle do amplificador magnético de ferrite é diferente daquele do material de loop de histerese retangular tradicional (material de alta permeabilidade magnética). O circuito de controle do ferrite (D1 e Q1) reduz a corrente para manter a potência na saída. Este circuito foi exaustivamente testado. Os enrolamentos do transformador são projetados para saída de 5V e 13V. O circuito pode até atingir potência de entrada sub-1W (5V 300mW e carga zero de 12V) enquanto atinge regulação de ±5 por cento da saída de 12V.
02 Use o circuito de pé de cabra existente para fornecer proteção contra sobrecorrente
Considere fontes flyback de 5V 2A e 12V 3A. Uma das principais especificações desta fonte de alimentação é a proteção contra sobrepotência (OPP) na saída de 5 V quando a saída de 12 V atinge nenhuma carga ou uma carga muito leve. Ambas as saídas apresentam um requisito de regulação de tensão de ±5 por cento.
Para soluções comuns, o uso de resistores de detecção degrada o desempenho da regulação cruzada e os fusíveis são caros. No entanto, os circuitos de alavanca para proteção contra sobretensão (OVP) estão agora disponíveis. Este circuito é capaz de atender aos requisitos de OPP e de regulação de tensão, que podem ser alcançados usando um circuito de pé de cabra de arco parcial.
R1 e VR1 formam uma pré-carga ativa na saída de 12 V, que permite a regulação de 12 V quando a saída de 12 V está levemente carregada. Quando a saída de 5 V estiver em condição de sobrecarga, a tensão na saída de 5 V cairá. Cargas fictícias consomem muita corrente. Uma queda de tensão em R1 pode ser usada para detectar essa grande corrente. Q1 liga e aciona o circuito OPP.
03 Regulador shunt ativo e pré-carga
Flyback é atualmente a topologia mais popular no campo de comutação de produtos de fonte de alimentação de tensão de linha CA para baixa tensão CC. Uma das principais razões para isso é a economia única de fornecer várias tensões de saída simplesmente adicionando enrolamentos adicionais ao secundário do transformador.
Normalmente, o feedback vem da saída com os requisitos de tolerância de saída mais rígidos. Esta saída então define as voltas por volt para todos os outros enrolamentos secundários. Devido aos efeitos da indutância de fuga, as saídas nem sempre atingem a regulação cruzada da tensão de saída desejada, especialmente se uma determinada saída pode estar descarregada ou muito levemente carregada porque as outras saídas estão totalmente carregadas.
Um pós-regulador ou carga fictícia pode ser usado para evitar que a tensão na saída suba nessas condições. No entanto, devido ao aumento de custo e eficiência reduzida de pós-reguladores ou cargas fictícias, eles não têm sido suficientemente atraentes, especialmente nos últimos anos para consumo de energia de entrada sem carga e/ou em espera em muitas aplicações de consumo. Sob a condição de requisitos regulatórios cada vez mais rigorosos, esse projeto começou a ser negligenciado. O regulador shunt ativo mostrado na Figura 3 não apenas resolve o problema de regulação de tensão, mas também minimiza o custo e o impacto na eficiência.
O circuito funciona da seguinte forma: Quando as duas saídas estão em regulagem, o divisor de resistor R14 e R13 polariza o transistor Q5, que mantém Q4 e Q1 desligados. Sob essas condições de operação, a corrente através de Q5 atua como uma pequena pré-carga na saída de 5V.
A diferença padrão entre a saída de 5 V e a saída de 3,3 V é de 1,7 V. Quando a carga requer corrente adicional da saída de 3,3 V sem um aumento igual na corrente de carga da saída de 5 V, a tensão de saída aumentará em comparação com a saída de 3,3 V. Com uma diferença de tensão de mais de aproximadamente 100 mV, Q5 será polarizado, ligando Q4 e Q1 e permitindo que a corrente flua da saída de 5 V para a saída de 3,3 V. Essa corrente vai diminuir a tensão na saída de 5V, reduzindo a diferença de tensão entre as duas saídas.
A quantidade de corrente em Q1 é determinada pela diferença de tensão nas duas saídas. Portanto, o circuito pode manter ambas as saídas reguladas independentemente de seu carregamento, mesmo no pior cenário em que a saída de 3,3 V está totalmente carregada e a saída de 5 V está descarregada. Q5 e Q4 no projeto fornecem compensação de temperatura, uma vez que as mudanças de temperatura VBE em cada transistor se anulam. Os diodos D8 e D9 não são necessários, mas podem ser usados para reduzir a dissipação de energia em Q1, eliminando a necessidade de adicionar um dissipador de calor ao projeto.
O circuito responde apenas à diferença relativa entre as duas tensões e é amplamente inativo em condições de carga total e leve. Como o regulador de derivação está conectado da saída de 5 V para a saída de 3,3 V, o circuito pode reduzir a dissipação ativa em 66% em comparação com um regulador de derivação aterrado. O resultado é alta eficiência em carga total e baixo consumo de energia de carga leve a sem carga.
04 Fonte de alimentação de comutação de entrada de alta tensão usando StackFET
Equipamentos industriais que operam em CA trifásica geralmente requerem um estágio de alimentação auxiliar que pode fornecer CC de baixa tensão regulada para circuitos analógicos e digitais. Exemplos de tais aplicações incluem drives industriais, sistemas UPS e medidores de energia.
As especificações para este tipo de fonte de alimentação são muito mais rígidas do que as exigidas para switches padrão disponíveis no mercado. Não apenas as tensões de entrada são mais altas nessas aplicações, mas os equipamentos projetados para aplicações trifásicas em ambientes industriais também devem tolerar flutuações muito amplas, incluindo tempos de queda prolongados, surtos de energia e a perda ocasional de uma ou mais fases. Além disso, a faixa de tensão de entrada especificada para essas fontes auxiliares pode ser de 57 VAC a 580 VAC.
Projetar uma fonte de alimentação chaveada de faixa tão ampla pode ser um desafio, principalmente devido ao alto custo dos MOSFETs de alta tensão e à limitação da faixa dinâmica dos loops de controle PWM tradicionais. A tecnologia StackFET permite a combinação de MOSFETs de baixa tensão nominal de 600 V e controladores de fonte de alimentação integrados da Power Integrations, permitindo um design simples e barato de fontes de alimentação comutadas capazes de operar em uma ampla faixa de tensão de entrada.
O circuito funciona da seguinte forma: A corrente na entrada do circuito pode vir de um sistema trifásico a três ou quatro fios, ou ainda de um sistema monofásico. O retificador trifásico consiste em diodos D1-D8. Os resistores R1-R4 fornecem limitação de corrente de irrupção. Se forem usados resistores fusíveis, esses resistores podem ser desconectados com segurança durante uma falha sem a necessidade de um fusível separado. O filtro pi consiste em C5, C6, C7, C8 e L1 para filtrar a tensão CC retificada.
Os resistores R13 e R15 são usados para equilibrar a tensão entre os capacitores do filtro de entrada. Quando o MOSFET dentro do switch integrado (U1) é ativado, a fonte de Q1 será reduzida, R6, R7 e R8 fornecerão corrente de porta e a capacitância de junção de VR1 a VR3 será ativada em Q1. O diodo Zener VR4 é usado para limitar a tensão porta-fonte aplicada a Q1. Quando o MOSFET em U1 está desligado, a tensão máxima de dreno de U1 é fixada por uma rede de fixação de 450 V que consiste em VR1, VR2 e VR3. Isso limita a tensão de dreno de U1 a aproximadamente 450 V.
Qualquer tensão adicional no final do enrolamento conectado a Q1 será aplicada a Q1. Esse projeto distribui com eficiência a tensão CC de entrada retificada total e a tensão flyback entre Q1 e U1. O resistor R9 é usado para limitar as oscilações de alta frequência durante a comutação, e a rede de fixação VR5, D9 e R10 é usada para limitar a tensão de pico no primário devido à indutância de vazamento durante o intervalo flyback.
A retificação de saída é fornecida por D1. C2 é o filtro de saída. L2 e C3 formam um filtro secundário para reduzir a ondulação de comutação na saída.
O VR6 liga quando a tensão de saída excede a queda de tensão total no diodo optoacoplador e no VR6. Uma mudança na tensão de saída causa uma mudança no fluxo de corrente através do diodo optoacoplador em U2, que por sua vez altera o fluxo de corrente através do transistor em U2B. Quando esta corrente excede a corrente limite do pino FB de U1, o próximo ciclo é inibido. A regulação de saída pode ser obtida controlando o número de ciclos de ativação e desativação. Depois que um ciclo de comutação é ativado, o ciclo termina quando a corrente sobe para o limite de corrente interna de U1. R11 é usado para limitar a corrente através do optoacoplador durante cargas transitórias e para ajustar o ganho do loop de realimentação. O resistor R12 é usado para polarizar o diodo Zener VR6.
O IC U1 (LNK 304) possui funções integradas para que o circuito seja protegido contra perda de sinal de realimentação, curto-circuito na saída e sobrecarga. Como U1 é alimentado diretamente de seu pino DRAIN, nenhum enrolamento de polarização adicional no transformador é necessário. C4 é usado para fornecer desacoplamento de alimentação interna.
05 Uma boa seleção de diodos retificadores pode simplificar e reduzir o custo dos circuitos de filtro EMI em conversores AC/DC
Este circuito pode simplificar e reduzir o custo dos circuitos de filtro EMI em conversores AC/DC. Para tornar uma fonte de alimentação AC/DC compatível com EMI, é necessário o uso de um grande número de componentes de filtro EMI, como capacitores X e Y. Os circuitos de entrada padrão para fontes de alimentação CA/CC incluem uma ponte retificadora para retificar a tensão de entrada (normalmente 50-60 Hz). Como esta é uma tensão de entrada CA de baixa frequência, diodos padrão, como a série de diodos 1N400X, podem ser usados, também porque são os mais baratos.
Esses dispositivos de filtro são usados para reduzir a EMI gerada pela fonte de alimentação para atender aos limites de EMI publicados. No entanto, como as medições usadas para registrar EMI são iniciadas apenas em 150 kHz e a frequência da tensão da linha CA é de apenas 50 ou 60 Hz, o tempo de recuperação reversa dos diodos padrão (consulte a Figura 5-1) usados em pontes retificadoras é relativamente lento. longo e geralmente não diretamente relacionado à geração de EMI.
No entanto, os circuitos de filtro de entrada no passado às vezes incluíam capacitores em paralelo com a ponte retificadora para suprimir quaisquer formas de onda de alta frequência causadas pela retificação da tensão de entrada de baixa frequência.
Esses capacitores não são necessários se forem usados diodos de recuperação rápida na ponte retificadora. Quando a tensão nesses diodos começa a se inverter, eles se recuperam muito rapidamente (consulte a Figura 5-2). Isso reduz a excitação indutiva de linha parasita na linha de entrada CA, reduzindo os snaps de desligamento de alta frequência subsequentes e a EMI. Como 2 diodos podem conduzir cada meio ciclo, apenas 2 dos 4 diodos precisam ser do tipo de recuperação rápida. Da mesma forma, apenas um dos dois diodos que conduzem cada meio ciclo precisa ter uma característica de recuperação rápida.
A tensão de entrada e as formas de onda da corrente mostram o estalo do diodo no final da recuperação reversa.
06 Use Soft-Start para desabilitar saídas de baixo custo para conter picos de corrente
Para atender às rigorosas especificações de energia em espera, algumas fontes de alimentação de saída múltipla são projetadas para desconectar a saída quando o sinal de espera estiver ativo.
Normalmente, isso é feito desligando um transistor bipolar de desvio em série (BJT) ou MOSFET. Para saídas de baixa corrente, os BJTs podem ser uma alternativa adequada e menos dispendiosa aos MOSFETs se o transformador de potência for projetado com a queda de tensão extra nos transistores em mente.
