Аннотация
В целом, квазирезонансный преобразователь (QRC) обладает более низким уровнем электромагнитных помех (EMI) и более высокой эффективностью преобразования энергии по сравнению с традиционным жестко-коммутируемым преобразователем с фиксированной частотой переключения. Поэтому он особенно хорошо подходит для применения в аудио усилителях и цветных телевизорах, чувствительных к шумам.
В этом примечании по применению рассматриваются практические аспекты проектирования квазирезонансных преобразователей для цветных телевизоров с использованием ключей серии FSCQ от Fairchild (FPSTM – Fairchild Power Switch). Документ охватывает проектирование трансформатора, выходного фильтра и синхронизирующей цепи, выбор компонентов и замыкание петли обратной связи.
Пошаговая процедура проектирования, изложенная в этом документе, поможет инженерам легко разработать квазирезонансный преобразователь. Для повышения эффективности процесса проектирования также предоставляется программный инструмент — FPS Design Assistant, содержащий все уравнения, описанные в документе.
Предложенная методика проектирования подтверждена на экспериментальном прототипе преобразователя.
1. Введение
Микросхемы серии FSCQ FPSTM (Fairchild Power Switch) представляют собой интегрированные решения, объединяющие контроллер широтно-импульсной модуляции (PWM) и транзистор Sense FET, специально разработанные для квазирезонансных импульсных источников питания (SMPS), работающих от сети, с минимальным количеством внешних компонентов.
В сравнении с традиционным решением на дискретных MOSFET и отдельном ШИМ-контроллере, использование FSCQ FPSTM позволяет снизить общую стоимость, количество компонентов, габариты и вес устройства, одновременно повышая эффективность, производительность и надежность системы.
На рисунке 1 представлена базовая схема квазирезонансного преобразователя на базе микросхемы FPS для применения в цветных телевизорах, которая также служит эталонной схемой для описываемого в этом примечании процесса проектирования.
Экспериментальный преобразователь, созданный по примеру из данного документа, был реально собран и протестирован для подтверждения корректности методики проектирования.
В этом разделе приводится процедура проектирования с использованием схемы на рисунке 1 в качестве ориентира. Рисунок 2 иллюстрирует блок-схему процесса проектирования. Подробные этапы проектирования следующие:
[ШАГ-1] Определение технических характеристик системы
-
Диапазон входного напряжения сети: Vlinemin и Vlinemax
-
Частота сети: fL
-
Максимальная выходная мощность: Po
-
Оценка КПД (Eff):
Для расчёта максимальной входной мощности необходимо оценить эффективность преобразования энергии.
Если нет данных по аналогичным схемам, использовать:-
Eff = 0.7–0.75 для схем с низким выходным напряжением
-
Eff = 0.8–0.85 для схем с высоким выходным напряжением
Для цветных телевизоров типичная эффективность составляет 80–83%.
-
Для SMPS с несколькими выходами, вводится коэффициент нагрузки для каждого выхода:
где Po(n) — мощность на n-м выходе.
Для одно-выходного блока питания: KL(1) = 1.
Предполагается, что выход Vo1 является опорным и регулируется по обратной связи в штатном режиме.
[ШАГ-2] Определение ёмкости конденсатора на постоянном токе (CDC) и диапазона напряжения на постоянном токе.
Обычно ёмкость конденсатора на постоянном токе выбирается как 2-3 мкФ на ватт входной мощности для универсального диапазона входных напряжений (85-265 В переменного тока) и 1 мкФ на ватт входной мощности для европейского диапазона входных напряжений (195-265 В переменного тока). После выбора ёмкости конденсатора на постоянном токе, минимальное напряжение на постоянном токе вычисляется по формуле:
где CDC — ёмкость конденсатора на постоянном токе, а Dch — коэффициент скважности для зарядки C_DC, как показано на рисунке 3, обычно равный примерно 0.2. Pin, Vlinemin и fL указаны в ШАГЕ-1.
Например для блока питания 75W = 75*2 = 150uF минимальная емкость и 75*3= 225uF номинальная.
Максимальное напряжение на постоянном токе вычисляется по формуле:
где Vlinemax указано в ШАГЕ-1.
[ШАГ-3] Определение отражённого выходного напряжения (VRO)
Рисунок 4 показывает типичные формы волн напряжения стока в преобразователе с квазирезонансным залипанием. Когда MOSFET выключен, напряжение на постоянном токе (VDC), вместе с выходным напряжением, отражённым на первичную сторону (VRO), накладывается на MOSFET, и максимальное номинальное напряжение на MOSFET (Vdsnom) вычисляется по формуле:
где VDCmax указано в уравнении (4). Увеличение VRO снижает ёмкостные потери при переключении и потери на проводимости MOSFET. Однако это увеличивает напряжённую нагрузку на MOSFET, как показано на рисунке 4. Поэтому VRO следует определять, исходя из компромисса между напряжённым запасом MOSFET и эффективностью. Обычно устанавливают VRO в диапазоне 120-180 В, чтобы Vdsnorm составляло 490-550 В (75-85% от номинального напряжения MOSFET).
[ШАГ-4] Определение индуктивности первичной стороны трансформатора (Lm)
Рисунок 5 показывает типичные формы волн тока стока MOSFET, тока диода на вторичной стороне и напряжения на стоке MOSFET в квазирезонансном преобразователе. Во время периода TOFF ток проходит через диод выпрямителя на вторичной стороне, и напряжение на стоке MOSFET ограничено значением . Когда ток на вторичной стороне уменьшается до нуля, напряжение на стоке начинает снижаться из-за резонанса между эффективной выходной ёмкостью MOSFET и индуктивностью на первичной стороне трансформатора (Lm).
Для минимизации потерь при переключении серия FSCQ разработана таким образом, чтобы включить MOSFET, когда напряжение на стоке достигает минимального значения .
Индуктивность первичной стороны трансформатора (Lm) можно оценить с использованием резонансной частоты между выходной ёмкостью MOSFET и индуктивностью. Эта частота может быть выражена следующим образом:
где:
-
— индуктивность на первичной стороне трансформатора,
-
— эффективная выходная ёмкость MOSFET.
Резонансная частота обычно определяется на основе характеристик устройства и требует выбора такой индуктивности, которая обеспечит минимизацию потерь при переключении.
Для определения индуктивности первичной стороны (Lm) необходимо заранее определить следующие переменные:
• Минимальная частота переключения (fs_min): Минимальная частота переключения возникает при минимальном входном напряжении и полной нагрузке, и должна быть выше минимальной частоты переключения FPS (20 кГц). Увеличение fsmin позволяет уменьшить размер трансформатора, однако это приводит к увеличению потерь при переключении. Поэтому fs_min следует определять с учётом компромисса между потерями при переключении и размером трансформатора. Обычно fs_min устанавливается в пределах 25 кГц.
• Время спада напряжения на стоке MOSFET (TF): Как показано на рисунке 5, время спада напряжения на стоке MOSFET составляет половину резонансного периода ёмкости MOSFET и индуктивности первичной стороны. Увеличив TF, можно уменьшить ЭМИ. Однако это приводит к увеличению резонансной ёмкости (Cr), что, в свою очередь, увеличивает потери при переключении. Типичное значение для TF составляет 2-2.5uS.
После определения fsmin и TF максимальный коэффициент скважности (duty cycle) рассчитывается по следующей формуле:
Затем индуктивность первичной стороны определяется как
После того как будет определена, максимальный пиковый ток и RMS ток MOSFET при нормальной работе вычисляются как
[ШАГ-5] Выбор подходящего FPS с учётом входной мощности и пикового тока стока.
С использованием рассчитанного максимального пикового тока стока MOSFET (Idspeak) из уравнения (8) необходимо выбрать подходящий FPS (Fairchild Power Switch), у которого уровень ограничения тока по каждому импульсу (ILIM) выше, чем Idspeak. Поскольку у FPS допуск на ILIM составляет ±12%, при выборе подходящего устройства FPS должен быть предусмотрен запас по току ILIM.
В таблице 1 приведены модели серии FSCQ с их номинальной выходной мощностью и ограничением тока по каждому импульсу.
[ШАГ-6] Определение подходящего сердечника и минимального числа витков первичной обмотки
В таблице 2 приведены наиболее часто используемые сердечники для применения в цветных телевизорах (C-TV) при различных уровнях выходной мощности. При проектировании трансформатора необходимо учитывать:
-
максимальный рабочий размах магнитной индукции (∆B) — влияет на гистерезисные потери в сердечнике,
-
максимальную магнитную индукцию в переходных режимах (Bmax) — важна для предотвращения насыщения сердечника.
С выбранным сердечником минимальное число витков первичной обмотки трансформатора, необходимое для предотвращения перегрева сердечника, определяется по следующей формуле:
где:
-
— индуктивность первичной обмотки (из уравнения (7),
-
— пиковый ток стока MOSFET (из уравнения (8),
-
— площадь поперечного сечения сердечника в мм² (см. рисунок 6),
-
— размах магнитной индукции в теслах.
Если нет точных данных, рекомендуется использовать значение Тл. Чем меньше В тем меньше акустических звуков от феррита.
Так как в переходных или аварийных режимах ток стока MOSFET может превышать и достигать уровня ограничения тока , трансформатор должен быть спроектирован таким образом, чтобы не входить в насыщение при . Поэтому также следует учитывать максимальную магнитную индукцию (Bmax) при достижении тока , как:
где определяется по уравнению (7), — предельный ток ограничения по импульсу, — площадь поперечного сечения сердечника в мм² (показана на Рисунке 6), а — максимальная магнитная индукция в теслах.
Рисунок 7 показывает типичные характеристики ферритового сердечника от TDK (PC40). Поскольку при повышении температуры сердечник насыщается при более низкой магнитной индукции, необходимо учитывать характеристики при высокой температуре.
Если нет справочных данных, используйте значение
Количество витков первичной обмотки трансформатора должно быть выбрано не меньше, чем значения , полученные по уравнениям (10) и (11).
[ШАГ-7] Определение количества витков для каждого выходного канала и вспомогательной цепи Vcc
На рисунке 8 показана упрощённая схема трансформатора. Предполагается, что Vo1 — это основной выход, стабилизируемый системой обратной связи в нормальном режиме работы. Также предполагается, что к Vo2 подключён линейный стабилизатор для питания микроконтроллера (MCU) стабильным напряжением.
Сначала необходимо вычислить коэффициент трансформации между первичной обмоткой и обмоткой основного выхода Vo1 следующим образом:
где:
-
— отражённое выходное напряжение, определённое на ШАГЕ-3 (120-180V),
-
— основное выходное напряжение,
-
— прямое падение напряжения на диоде DR1. (обычно 0.6V)
Затем выберите подходящее целое значение для , чтобы полученное значение было больше, чем , как:
где получен из уравнения (12), а и Ns1
Проектирование обмотки Vcc: как показано на рисунке 9, серия FSCQ снижает все выходные напряжения, включая вспомогательное напряжение Vcc (Va), в режиме ожидания для минимизации энергопотребления.
где — это прямое падение напряжения на диоде , а и — это выходные напряжения (В диапазоне 11-12V) в нормальном и режиме ожидания соответственно, как показано на рисунке 9. Предполагая, что вспомогательное напряжение Vcc (Va) уменьшается с коэффициентом падения
где — это минимальное напряжение Va в режиме ожидания (В диапазоне 11-12V), которое должно быть выше напряжения отключения Vcc для FPS (обычно 9 В). Обратите внимание, что рабочий ток в режиме ожидания снижается, и поэтому падение напряжения на Rcc становится незначительным. Обычно при определении оставляется запас напряжения 2-3 В.
После определения количество витков для вспомогательной обмотки Vcc (Na) определяется как:
Резистор понижения Vcc (Rcc): Ток, потребляемый FPS в нормальном режиме работы, задается как:
Icc= Iop + Idrv (18)
где Iop и Idrv — токи, необходимые для работы ИС и управления затвором MOSFET соответственно. Iop указывается в техническом описании, а Idrv определяется как:
Idrv = Vcc * Ciss * Fs (19)
где Ciss — входная емкость MOSFET, а fs — частота переключения. При расчете Idrv обычно предполагается, что Vcc равно Vz (18 В), а fs — 90 кГц.
Условие для выбора резистора понижения Vcc (Rcc) задается следующим образом:
Тепловыделение на Rcc в нормальном режиме работы определяется как:
где Vz — пробивное напряжение стабилитрона (обычно 18 В).
Когда требуется сбросить большое напряжение (более 20 В), рекомендуется использовать схему, показанную на рисунке 11, чтобы минимизировать тепловыделение в цепи понижения напряжения.
[ШАГ-8] Определение пускового резистора (Rstr)
На рисунке 10 показана типовая схема обмотки питания Vcc для микросхем серии FSCQ.
Изначально, до начала работы преобразователя, микросхема FPS потребляет только пусковой ток (максимум 50 μA).
Поэтому ток, поступающий через пусковой резистор (Rstr), может:
-
заряжать конденсаторы Ca1 и Ca2, и одновременно
-
подавать пусковой ток на микросхему FPS.
Когда напряжение Vcc достигает уровня пуска (15 В, обозначается как VSTART), FPS начинает переключения (запускается ШИМ).
После этого потребление тока микросхемой FPS возрастает, и требуемый ток начинает поступать уже не через Rstr, а с обмотки трансформатора для Vcc (auxiliary winding).
– Пусковой резистор (Rstr): Среднее значение минимального тока, подаваемого через пусковой резистор, определяется как
где
Vlinemin — это минимальное входное напряжение,
Vstart — это напряжение запуска (15 В) для FPS,
а Rstr — пусковой резистор.
Пусковой резистор должен быть выбран таким образом, чтобы Isupavg (средний ток через резистор) был больше максимального тока запуска (50 мкА).
Если это не так, напряжение Vcc не сможет зарядиться до уровня запуска, и FPS не сможет запуститься.
Максимальное время запуска определяется как:
Где
Ce — это эффективная ёмкость конденсатора Vcc (Ca1 + Ca2),
а Istart_max — максимальный ток запуска FPS (50 мкА).
После того как пусковой резистор (Rstr) выбран,
максимальная приблизительная мощность рассеяния в Rstr определяется как:
Vlinemax — это максимальное входное напряжение, которое задаётся на ШАГЕ-1.
Пусковой резистор (Rstr) должен иметь соответствующую мощность рассеяния в зависимости от значения Pstr.
3. Обратная связь: Серия FSCQ использует управление по току, как показано на рисунке 11. Обычно для реализации сети обратной связи используются оптопара (например, H11A817A) и шунтирующий регулятор, например, KA431. Сравнение напряжения обратной связи с напряжением на резисторе Rsense плюс смещенное напряжение позволяет контролировать скважность переключения. Когда напряжение на выводе опорного напряжения KA431 превышает внутреннее опорное напряжение 2,5 В, ток через светодиод H11A817A увеличивается, что приводит к снижению напряжения обратной связи и уменьшению скважности. Это событие обычно происходит, когда увеличивается входное напряжение или уменьшается выходная нагрузка.
3.1 Ограничение тока по импульсу: Поскольку используется управление по току, пиковый ток через SenseFET ограничен инвертированным входом PWM-сравнителя (Vfb*), как показано на рисунке 11. Ток обратной связи (IFB) и внутренние резисторы спроектированы так, чтобы максимальное катодное напряжение диода D2 составляло примерно 2,8 В, что происходит, когда весь ток IFB протекает через внутренние резисторы. Поскольку диод D1 блокируется, когда напряжение обратной связи (Vfb) превышает 2,8 В, максимальное напряжение катода диода D2 ограничивается этим значением, тем самым ограничивая Vfb*. Таким образом, пиковое значение тока через SenseFET ограничивается.
3.2 Пропускание на фронте (LEB): В момент включения внутреннего Sense FET обычно возникает высокий импульс тока через Sense FET, вызванный внешним резонансным конденсатором, который соединен с MOSFET и обратным восстановлением выпрямителя на вторичной стороне. Избыточное напряжение через резистор Rsense может привести к некорректной работе системы обратной связи в управлении по току в режиме ШИМ. Для компенсации этого эффекта серия FSCQ использует схему пропускания на фронте (LEB). Эта схема временно блокирует ШИМ-сравнитель на короткое время (TLEB) после того, как Sense FET включается.
Защитные цепи: Серия FSCQ включает несколько функций самозащиты, таких как:
- защита от перегрузки (OLP)
Защита в режиме автоперезапуска: Когда обнаруживается неисправность, коммутирование прекращается, и SenseFET остается выключенным. Это вызывает падение напряжения Vcc. Когда Vcc падает до стопового напряжения блокировки недавнего напряжения (UVLO) 9 В, защита сбрасывается, и серия FSCQ начинает потреблять только ток для запуска (25 мкА). Затем конденсатор Vcc заряжается, поскольку ток, подаваемый через резистор для старта, больше, чем ток, потребляемый FPS. Когда Vcc достигает стартового напряжения 15 В, серия FSCQ восстанавливает свою нормальную работу. Если неисправность не устранена, SenseFET остается выключенным, и Vcc снова падает до стопового напряжения. Таким образом, автоперезапуск может чередовать включение и отключение работы SenseFET до тех пор, пока неисправность не будет устранена (см. Рисунок 12).
Защита в режиме блокировки: Когда срабатывает эта защита, коммутирование прекращается, и Sense FET остается выключенным до тех пор, пока питание переменного тока не будет отключено. Затем Vcc продолжает заряжаться и разряжаться между 9 В и 15 В. Блокировка сбрасывается только тогда, когда Vcc разряжается до 6 В при отключении питания линия переменного тока.
4.1 Защита от перегрузки (OLP): Перегрузка определяется как превышение тока нагрузки сверх его нормального уровня из-за неожиданного аномального события. В этой ситуации схема защиты должна сработать, чтобы защитить SMPS. Однако, даже когда SMPS работает в нормальном режиме, схема защиты от перегрузки может сработать во время перехода нагрузки. Чтобы избежать такого нежелательного срабатывания, схема защиты от перегрузки спроектирована так, чтобы срабатывать только после заданного времени, чтобы определить, является ли это временной ситуацией или перегрузкой. Благодаря возможности ограничения тока на каждом импульсе, максимальный пиковый ток через SenseFET ограничен, и, следовательно, максимальная входная мощность ограничена при заданном входном напряжении. Если выход потребляет больше этой максимальной мощности, выходное напряжение (Vo) уменьшается ниже установленного значения. Это снижает ток через светодиод оптопары, что также снижает ток через транзистор оптопары, увеличивая тем самым обратное напряжение (Vfb). Если Vfb превышает 2,8 В, D1 блокируется, и ток источника тока 5 мкА начинает медленно заряжать конденсатор CB до напряжения Vcc. В этом состоянии Vfb продолжает расти, пока не достигнет 7,5 В, после чего операция переключения прекращается, как показано на рисунке 13. Время задержки для выключения — это время, необходимое для зарядки CB с 2,8 В до 7,5 В при токе 5 мкА. Обычно для большинства приложений характерно время задержки 20 ~ 50 мс. OLP реализована в режиме авто-перезапуска.
4.3 Защита от перенапряжения (OVP): Если на вторичной стороне цепь обратной связи выходит из строя или дефект пайки вызывает разрыв в цепи обратной связи, ток через транзистор оптопары становится практически нулевым. В таком случае напряжение Vfb увеличивается, как в случае перегрузки, заставляя предельный максимальный ток подаваться на SMPS, пока не сработает защита от перегрузки. Поскольку на выход подается больше энергии, чем требуется, выходное напряжение может превысить номинальное до срабатывания защиты от перегрузки, что приведет к поломке компонентов на вторичной стороне. Чтобы предотвратить эту ситуацию, используется схема защиты от перенапряжения (OVP). В общем, пик синхросигнала пропорционален выходному напряжению, и серия FSCQ использует синхросигнал вместо прямого мониторинга выходного напряжения. Если синхросигнал превышает 12 В, срабатывает защита от перенапряжения, что приводит к отключению SMPS. Чтобы избежать ненужного срабатывания OVP в нормальном режиме работы, пик синхросигнала должен быть спроектирован так, чтобы не превышать 12 В. Эта защита реализована в режиме автоматического перезапуска.
4.4 Тепловое выключение (TSD): SenseFET и управляющая схема интегрированы в одном корпусе. Это позволяет управляющей схеме легко обнаруживать аномально высокую температуру SenseFET. Когда температура превышает примерно 150°C, срабатывает тепловое выключение. Эта защита реализована в режиме блокировки.
5. Мягкий запуск (Soft Start): В серии FSCQ имеется встроенная схема мягкого запуска, которая медленно увеличивает напряжение инвертирующего входа PWM-сравнителя вместе с током через SenseFET после включения питания. Типичное время мягкого запуска составляет 20 мс. Ширина импульса для питания переключающего устройства постепенно увеличивается для создания правильных рабочих условий для трансформаторов, катушек индуктивности и конденсаторов. Увеличение ширины импульса также помогает предотвратить насыщение трансформатора и уменьшает нагрузку на вторичный диод при запуске. Для быстрого нарастания выходного напряжения в цепь обратной связи вводится смещение в опорном токе мягкого старта.
Комментариев нет:
Отправить комментарий