Раздел: Источники питания
Новое поколение обратноходовых преобразователей c активным клампированием (Active Clamp Flyback)
Обычные обратноходовые преобразователи имеют недостаток в виде звона, вызванного индуктивностью рассеяния трансформатора и резонансом паразитной емкости главного ключа; это приводит к повышенному напряжению на ключе. Кроме того, энергия индуктивности рассеяния теряется в пассивных компонентах схемы, как правило, снабберах, ограничивая эффективность преобразователя в целом и приводя к тепловому рассеянию. В статье рассматривается технология архитектуры Active Clamp Flyback (ACF) с техническим обзором новой компактной конструкции от Silanna, что способствует решению этих проблем.
Уникальное предложение Silanna, состоящее из полностью интегрированных контроллеров ACF, таких как SZ1110 и SZ1130, обеспечивает очень компактную конструкцию в 16-выводном корпусе SOIC. Микросхема имеет интеллектуальное цифровое управление OptiMode, которое будет корректировать режим работы в течение цикла функционирования преобразователя, чтобы повысить эффективность (КПД), поддерживать низкий уровень электромагнитных помех (ЭМИ), динамически регулировать изменение нагрузки и изменения напряжения питания.
Блок питания AC/DC с универсальным входом (85–265 В) мощностью 65 Вт, созданный на SZ1130, обеспечивает эффективность > 94%.
В июне 1975 года «дедовская» архитектура ACF начала обретать форму, когда Мэсси и Ла Дука представили архитектурное решение, которое должно было помочь оптимизировать работу источника питания с помощью ограничения (клампирования) напряжения. Они смогли отрегулировать амплитуду так, чтобы та обеспечивала минимально необходимое напряжение во время интервала сброса преобразователя.
Затем в 1981 году Карстен применил схему активного клампирования в нескольких вариантах. Это обеспечивало оптимальное напряжение сброса, поскольку рабочий цикл претерпел изменения и за это время восстанавливается большая часть энергии сердечника, обеспечивая симметричное возбуждение сердечника с низкими потерями. Так родилась «дедовская» концепция Active Clamp Flyback, которая практически устранила потери на клампирование и переключение.
Изменения, произошедшие с тех пор, повлекли за собой увеличение частоты переключения примерно с 2 до 500 кГц и выше. Это стало возможным в основном благодаря совершенствованию полупроводниковых приборов, их корпусов, а также требований по уменьшению габаритов. Изолированная или неизолированная обратноходовая топология обычно является ключевой частью автономных преобразователей с выходной мощностью от нескольких ватт примерно до 100 Вт. Архитектура основана на топологии с одним ключом, энергия берется с входа и накапливается в первичной обмотке трансформатора в момент, когда ключ питания замкнут, затем энергия передается на вторичную обмотку трансформатора при запирании ключа. Эффективность, удельная выходная мощность и низкая мощность потребления в режиме ожидания являются важными требованиями к обратноходовой топологии наряду с ее надежностью.
2. Интеллектуальное управление клампиро-ванием обеспечивает переключение при нулевом напряжении (ZVS) на полевом транзисторе, что в свою очередь увеличивает общую эффективность за счет снижения коммутационных потерь. Это позволит разработчику повысить частоту переключения обратноходового преобразователя с активным клампированием.
В статье рассматривается решение от компании Silanna, полностью реализованное в кремниевых чипах SZ1110 (33 Вт) HSZ1130 (65 Вт) — это обратноходовые ШИМ-контроллеры с активным клампированием (ACF), которые объединяют адаптивный цифровой ШИМ-контроллер (OptiMode) и высоковольтные компоненты:
• транзистор активного клампирования;
• активный драйвер затвора;
• пусковой регулятор.
В итоге устройство представляет собой решение ACF с максимальной интеграцией (рис. 1).
Рис. 1. Высокоинтегрированная кремниевая ИС ACF от Silanna объединяет четыре функции в одном корпусе
Рассмотрим основные преимущества решения от Silanna:
• ACF снижает пиковое напряжение и позволяет реализовать более агрессивное отношение витков.
• Номинальное напряжение полевого транзистора SR силового ключа может быть ниже.
• ACF преобразует энергию утечки (рис. 2), что в свою очередь обеспечивает более высокую эффективность.
• Мягкое переключение в активном фиксирующем полевом транзисторе приводит к снижению электромагнитных помех.
• Активное клампирование в нижней долине QR (рис. 3) приводит к напряжению выброса значительно ниже 200 В, с близким к нулевому напряжению при переключении главного ключа. Благодаря этому удается достичь более высокого КПД из-за меньших коммутационных потерь и меньших электромагнитных помех, связанных с меньшим коммутируемым напряжением.
Рис. 2. Этапы работы Active Clamp Flyback
Рис. 3. Основное преимущество ACF
В результате реализации всех предложенных идей в виде кремниевого чипа AC/DC-источник питания мощностью 65 Вт может достичь КПД > 94% и поддерживать плоскую кривую КПД при различных условиях нагрузки, напряжения питания и температуры.
Рассмотрим компоненты, отмеченные синим цветом на рис. 4. Они наглядно показывают основные преимущества режима OptiMode за счет непрерывного мониторинга следующих критических областей работы схемы:
• Регулировка времени включения/выключения главного ключа в каждом цикле.
• Поддержка высокого КПД и низкого уровня электромагнитных помех.
• Оптимизация производительности системы при изменяющейся нагрузке, температуре и напряжении питания.
Рис. 4. Основные контролируемые/ регулируемые части схемы по технологии OptiMode
Следует также отметить, что SZ1110 и SZ1130 предоставляют набор средств защиты от сбоев, оптимальный практически для всех возможных ситуаций, включая:
• защиту от перегрузки по току (ОСР);
• защиту от перенапряжения на входе и выходе (OVP);
• защиту от перегрузки по мощности (ОРР);
• внутреннюю и внешнюю защиту от перегрева (ОТР) и т. д.
Существует три версии SZ1110/30, имеющие различные функции защиты от сбоев, из которых разработчик может выбрать:
• SZ11XX-00 имеет защиту от сбоев в виде режима пропуска тактов для всех видов сбоев;
• SZ11XX-02 имеет защиту от сбоев в виде режима пропуска тактов и с защелкой в режиме ОТР;
• SZ11ХХ-03 имеет защиту от сбоев в виде режима п-защелки (с автоматическим восстановлением при пониженном напряжении, UV); где XX = 10 и 30 — интегрированные контроллеры ACF с выходной мощностью до 33 и 65 Вт соответственно.
Рис. 5. 16-выводной корпус S0IC, на котором ножки 2 и 5 были удалены
Таблица. Высоковольтные выводы SZ1110/30
2. LaDuca J., Massey R. P. Improved single-ended regulated DC/DC converter circuitю Power Electronics Specialists conference, June 9–11, 1975.
Уникальное предложение Silanna, состоящее из полностью интегрированных контроллеров ACF, таких как SZ1110 и SZ1130, обеспечивает очень компактную конструкцию в 16-выводном корпусе SOIC. Микросхема имеет интеллектуальное цифровое управление OptiMode, которое будет корректировать режим работы в течение цикла функционирования преобразователя, чтобы повысить эффективность (КПД), поддерживать низкий уровень электромагнитных помех (ЭМИ), динамически регулировать изменение нагрузки и изменения напряжения питания.
Блок питания AC/DC с универсальным входом (85–265 В) мощностью 65 Вт, созданный на SZ1130, обеспечивает эффективность > 94%.
Введение
Пятьдесят лет назад в сообществе разработчиков систем управления питанием появилась архитектура обратноходового преобразователя. В то время в системах управления питанием основную роль играл прямоходовой преобразователь. Это решение преобладало на арене коммерческих источников питания, особенно на уровне мощности порядка 50 Вт.В июне 1975 года «дедовская» архитектура ACF начала обретать форму, когда Мэсси и Ла Дука представили архитектурное решение, которое должно было помочь оптимизировать работу источника питания с помощью ограничения (клампирования) напряжения. Они смогли отрегулировать амплитуду так, чтобы та обеспечивала минимально необходимое напряжение во время интервала сброса преобразователя.
Затем в 1981 году Карстен применил схему активного клампирования в нескольких вариантах. Это обеспечивало оптимальное напряжение сброса, поскольку рабочий цикл претерпел изменения и за это время восстанавливается большая часть энергии сердечника, обеспечивая симметричное возбуждение сердечника с низкими потерями. Так родилась «дедовская» концепция Active Clamp Flyback, которая практически устранила потери на клампирование и переключение.
Изменения, произошедшие с тех пор, повлекли за собой увеличение частоты переключения примерно с 2 до 500 кГц и выше. Это стало возможным в основном благодаря совершенствованию полупроводниковых приборов, их корпусов, а также требований по уменьшению габаритов. Изолированная или неизолированная обратноходовая топология обычно является ключевой частью автономных преобразователей с выходной мощностью от нескольких ватт примерно до 100 Вт. Архитектура основана на топологии с одним ключом, энергия берется с входа и накапливается в первичной обмотке трансформатора в момент, когда ключ питания замкнут, затем энергия передается на вторичную обмотку трансформатора при запирании ключа. Эффективность, удельная выходная мощность и низкая мощность потребления в режиме ожидания являются важными требованиями к обратноходовой топологии наряду с ее надежностью.
Все более компактная зарядка
Адаптер зарядного устройства, также известный как зарядка, работает как типичный импульсный источник питания (ИИП). Микросхема ACF коммутирует полевой транзистор сотни тысяч раз в секунду. Более высокая рабочая частота позволяет применять магнитные компоненты (трансформаторы) с меньшими габаритами.Однако слишком высокая частота переключения вызывает другие проблемы:
1. Индуктивность рассеяния трансформатора — каждый раз, когда полевой транзистор переключается, энергия накапливается в паразитной катушке индуктивности трансформатора, а затем рассеивается через снаббер. Слишком высокая частота переключения может привести к чрезмерным потерям, способным вызвать перегрев адаптера. На помощь приходит активный режим клампирования, использующий энергию утечки индуктивности трансформатора для повышения эффективности. Каким образом? Сохраняя энергию во вспомогательном конденсаторе, а затем в цикле переключения, подавая ее на выход.2. Интеллектуальное управление клампиро-ванием обеспечивает переключение при нулевом напряжении (ZVS) на полевом транзисторе, что в свою очередь увеличивает общую эффективность за счет снижения коммутационных потерь. Это позволит разработчику повысить частоту переключения обратноходового преобразователя с активным клампированием.
Преимущество ACF
Для оптимального управления ACF контроллер должен быть интеллектуальным и быстродействующим.В статье рассматривается решение от компании Silanna, полностью реализованное в кремниевых чипах SZ1110 (33 Вт) HSZ1130 (65 Вт) — это обратноходовые ШИМ-контроллеры с активным клампированием (ACF), которые объединяют адаптивный цифровой ШИМ-контроллер (OptiMode) и высоковольтные компоненты:
• транзистор активного клампирования;
• активный драйвер затвора;
• пусковой регулятор.
В итоге устройство представляет собой решение ACF с максимальной интеграцией (рис. 1).
Рис. 1. Высокоинтегрированная кремниевая ИС ACF от Silanna объединяет четыре функции в одном корпусе
Рассмотрим основные преимущества решения от Silanna:
• ACF снижает пиковое напряжение и позволяет реализовать более агрессивное отношение витков.
• Номинальное напряжение полевого транзистора SR силового ключа может быть ниже.
• ACF преобразует энергию утечки (рис. 2), что в свою очередь обеспечивает более высокую эффективность.
• Мягкое переключение в активном фиксирующем полевом транзисторе приводит к снижению электромагнитных помех.
• Активное клампирование в нижней долине QR (рис. 3) приводит к напряжению выброса значительно ниже 200 В, с близким к нулевому напряжению при переключении главного ключа. Благодаря этому удается достичь более высокого КПД из-за меньших коммутационных потерь и меньших электромагнитных помех, связанных с меньшим коммутируемым напряжением.
Рис. 2. Этапы работы Active Clamp Flyback
Рис. 3. Основное преимущество ACF
В результате реализации всех предложенных идей в виде кремниевого чипа AC/DC-источник питания мощностью 65 Вт может достичь КПД > 94% и поддерживать плоскую кривую КПД при различных условиях нагрузки, напряжения питания и температуры.
Рассмотрим компоненты, отмеченные синим цветом на рис. 4. Они наглядно показывают основные преимущества режима OptiMode за счет непрерывного мониторинга следующих критических областей работы схемы:
• Регулировка времени включения/выключения главного ключа в каждом цикле.
• Поддержка высокого КПД и низкого уровня электромагнитных помех.
• Оптимизация производительности системы при изменяющейся нагрузке, температуре и напряжении питания.
Рис. 4. Основные контролируемые/ регулируемые части схемы по технологии OptiMode
Следует также отметить, что SZ1110 и SZ1130 предоставляют набор средств защиты от сбоев, оптимальный практически для всех возможных ситуаций, включая:
• защиту от перегрузки по току (ОСР);
• защиту от перенапряжения на входе и выходе (OVP);
• защиту от перегрузки по мощности (ОРР);
• внутреннюю и внешнюю защиту от перегрева (ОТР) и т. д.
Существует три версии SZ1110/30, имеющие различные функции защиты от сбоев, из которых разработчик может выбрать:
• SZ11XX-00 имеет защиту от сбоев в виде режима пропуска тактов для всех видов сбоев;
• SZ11XX-02 имеет защиту от сбоев в виде режима пропуска тактов и с защелкой в режиме ОТР;
• SZ11ХХ-03 имеет защиту от сбоев в виде режима п-защелки (с автоматическим восстановлением при пониженном напряжении, UV); где XX = 10 и 30 — интегрированные контроллеры ACF с выходной мощностью до 33 и 65 Вт соответственно.
Рис. 5. 16-выводной корпус S0IC, на котором ножки 2 и 5 были удалены
Корпус микросхемы
На 16-выводном корпусе отсутствуют две ножки: 2 и 5 (рис. 5). Контакты 1, 3 и 4 являются контактами сверхвысокого напряжения (UHV), абсолютный максимальный уровень равен 620 В. Контакты 2 и 5 были удалены, чтобы удовлетворить требованиям утечки этих контактов UHV, сохранив UHV вдали от выводов низкого напряжения 5-10 В. Контакты 3 и 4 могут находиться рядом, так как перепад напряжения между ними составляет максимум 6 В (табл.).Таблица. Высоковольтные выводы SZ1110/30
Заключение
Мы прошли довольно долгий путь от «дедовского» дизайна ACF, вступая в третье десятилетие нового тысячелетия. Как дизайнеры, мы значительно улучшили ИС, инструменты и архитектуры, которые помогают нам уменьшить физические размеры конструкции за счет интеграции компонентов и более высоких рабочих частот, демонстрируя лучшую в своем классе эффективность (> 94%) при использовании реализации в одном чипе. Высокий КПД схемы позволяет улучшить тепловые характеристики конечного устройства, что в сочетании с высоким уровнем интеграции контроллеров ACF Silanna Semiconductor обеспечивает высокую плотность и рентабельность решений по управлению питанием.Асан Заман (Ahsan Zaman) Александр Редик (Aleksandar Radic)
Перевод: Владимир Апарин vparin@ultran.ru
Литература
1. Severns R. The history of the Forward Converter // Switching Power Magazine. July 2000.2. LaDuca J., Massey R. P. Improved single-ended regulated DC/DC converter circuitю Power Electronics Specialists conference, June 9–11, 1975.
Комментарии принадлежат их авторам. Мы не несем ответственности за их содержание.
Kosmonavt
Новое поколение обратноходовых преобразователей
Технический Директор
Дата регистрации: 08.02.2009
Откуда: Днестровск
Сообщений: 2471
не в сети
В итоге адаптер будет ещё компактнее размер с саму вилку, мощнее, возможно долговечнее раз столько защит в одной микросхеме. Интересно, а с новой частотой 500 кГц не доставит проблем уже средневолновому диапазону радиоволн? Вообще интересная микросхема, даже видом необычная - ножки пропущены.
Отправлено: 01.07.2021 23:39 Обновлено: 01.07.2021 23:39