Brug avancerede switching-IC'er til at implementere effektive, funktionsrige AC/DC-forsyninger med lavt strømforbrug

AC/DC-forsyninger med lav effekt på ca. 10 W eller mindre bruges i vid udstrækning i lysdæmpere, kontakter, sensorer, apparater, Internet of Things (IoT) og industrielle styringer. Deres driftscyklus er relativt lav, da deres belastning er i standbytilstand i lange perioder, men forsyningen skal "vågne op" hurtigt, når enheden aktiveres.

Det er konceptuelt nemt at designe sådanne forsyninger: Start med et par dioder til ensretning, tilføj en controller-IC, sæt filterkondensatorer på udgangen, indsæt en transformer, hvis der er brug for isolation, og opgaven er løst. Men på trods af den tilsyneladende enkelhed er der stor forskel på, hvordan man skaber disse forsyninger i virkeligheden.

De skal have den grundlæggende funktion at levere en stabil DC-udgangsskinne og opfylde flere strenge lovkrav til brugersikkerhed, effektivitet under belastning og standby-effektivitet. Derudover er der spørgsmål om fysisk layout, støttekomponenter, pålidelighed, evaluering af ydeevne, certificering og emballering, som designerne skal overveje, mens de også arbejder på at minimere fodaftryk og omkostninger og samtidig overholde korte time-to-market-cyklusser.

Denne artikel introducerer en familie af højt integrerede offline switching controller-IC'er fra Power Integrations og viser, hvordan de kan bruges til at løse disse udfordringer.

Integreret MOSFET og controller-IC

LinkSwitch-TNZ-familien med otte forskellige offline switching controller-IC'er fra Power Integrations kombinerer en 725 V effekt MOSFET-switch med en strømforsyningscontroller i en enkelt enhed i en SO-8C-pakke. Hver monolitisk IC har fremragende overspændingsmodstandsevne, en oscillator, en højspændingskoblet strømkilde til selvforspænding, frekvensjittering, en hurtig (cyklus-for-cyklus) strømbegrænsning, hysteretisk termisk nedlukning og kredsløb til beskyttelse af udgang og indgang mod overspænding.

Enhederne kan udgøre kernen i et ikke-isoleret arrangement som f.eks. buck-konverter-designet (figur 1), der bruger LNK3306D-TL med en udgangsstrøm på 225 mA eller 360 mA, afhængigt af den valgte ledningstilstand. De kan også konfigureres som ikke-isolerede buck-boost-strømforsyninger, der leverer op til 575 mA udgangsstrøm.

Figur 1: Dette typiske ikke-isolerede buck-konverter-design med et medlem af LinkSwitch-familien er blot en af mange mulige topologier, der kan implementeres ved hjælp af disse enheder. (Billedkilde: Power Integrations)

Mens belastninger, der er dobbeltisolerede eller på anden måde beskyttet mod fejl i vekselstrømsledningerne, ikke behøver galvanisk isolation, kræver nogle enheder det. At bruge LinkSwitch-TNZ-enhederne i et isoleret flyback-design med universalindgang er et bedre valg i en sådan situation. Enhederne tilbyder op til 12 W udgangseffekt i den topologi.

IC'erne i LinkSwitch-TNZ-familien tilbyder forskellige udgangsstrømme og effektkapaciteter, afhængigt af topologien (tabel 1).

Tabel 1: LinkSwitch-TNZ-familien understøtter flere konfigurationer, topologier og driftstilstande. Hvert arrangement har en anden maksimal udgangsstrøm eller effektgrænse. (Billedkilde: Power Integrations)

Fra koncept til implementering

Den høje integration og fleksibilitet i LinkSwitch-TNZ-familien forenkler designerens opgave. Blandt de mange udfordringer ved at udvikle et certificeret strømforsyningsdesign, der kan sendes, er:

1. Strenge obligatoriske krav i forbindelse med effektivitet og sikkerhed. Det vanskeliggøres af behovet for at levere strøm i standbytilstand, samtidig med at man skal overholde strenge regler for standby-effektivitet. LinkSwitch-TNZ IC'er giver klassens bedste effektivitet ved let belastning, hvilket gør det muligt at forsyne flere systemfunktioner med strøm, samtidig med at standby-reglerne overholdes:
   • Europa-Kommissionens (EF) standard for husholdningsapparater (1275), som kræver, at udstyr ikke bruger mere end 0,5 W i standby- eller slukket tilstand.
   • Energy Star version 1.1 for Smart Home Energy Management Systems (SHEMS), som begrænser standby-forbruget af intelligente lysstyringsenheder til 0,5 W
   • Kinas GB24849, som begrænser strømforbruget i slukket tilstand i mikrobølgeovne til 0,5 W

Samtidig med at de opfylder disse krav, reducerer LinkSwitch-TNZ IC'erne også antallet af komponenter med 40 % eller mere sammenlignet med diskrete designs. Disse switching strømforsynings-IC'er muliggør ±3 % regulering på tværs af linje og belastning, har et strømforbrug uden belastning på mindre end 30 mW med ekstern bias og har en IC-standbystrøm på mindre end 100 µA.

2. Understøtter sikkert to-leder AC-forbindelser uden en neutral ledning og tre-leder forbindelser. Mange belastninger, som f.eks. lysdæmpere, kontakter og sensorer, har ikke denne tredje ledning, så der er risiko for overdreven og potentielt farlig lækstrøm. Standarden definerer den maksimale lækstrøm under forskellige omstændigheder, og LinkSwitch-TNZ-lækage under 150 µA i to-ledere ingen-neutral-designs er under dette maksimum.
3. Overskrider ikke grænseværdierne for elektromagnetisk interferens (EMI). For at nå dette mål bruger LinkSwitch-TNZ-oscillatoren en spredt-spectrum-teknik, der introducerer en lille mængde frekvensjitter på 4 kilohertz (kHz) omkring den nominelle 66 kHz switching-frekvens (figur 2). Modulationshastigheden for frekvensjitteren er sat til 1 kHz for at optimere EMI-reduktionen for både gennemsnits- og kvasispidsemissioner.

Figur 2: For at holde EMI-emissionerne under den lovbestemte grænse bruger LinkSwitch-TNZ-oscillatoren en spredt-spectrum-teknik med en spredning på 4 kHz omkring den nominelle 66 kHz switching-frekvens. (Billedkilde: Power Integrations)

4. Detektering af AC-line-nulgennemgange med minimale ekstra komponenter eller strømforbrug. Denne registrering er nødvendig for lyskontakter, lysdæmpere, sensorer og stik, som tilslutter og frakobler vekselstrømslinjen med jævne mellemrum ved hjælp af et relæ eller en triac.

Nulgennemgangssignalet bruges af intelligente produkter og apparater til hjemme- og bygningsautomatisering (HBA) til at styre switching for at minimere stress og systemets indkoblingsstrøm.

På samme måde bruger apparater ofte et diskret kredsløb til detektering af nulgennemgang til at styre motor- og mikrocontrollerenhedens (MCU) timing. Disse applikationer kræver også en ekstra strømforsyning til trådløse forbindelser, gate-drivere, sensorer og skærme.

For at opnå dette implementeres der normalt et diskret kredsløb til at registrere AC-linjens nulgennemgang for at styre tændingen af den primære strømforsyningsenhed og samtidig reducere koblingstab og indkoblingsstrøm. Denne tilgang kræver mange komponenter og er meget tabsgivende og bruger nogle gange næsten halvdelen af standby-strømbudgettet.

I stedet giver LinkSwitch-TNZ IC'erne et nøjagtigt signal, der indikerer, at den sinusformede AC-linje er på nul volt. LinkSwitch-TNZ's detektering af nulkrydsningspunktet bruger under 5 mW, hvilket gør det muligt for systemer at reducere standby-effekttab i forhold til alternative tilgange, der kræver ti eller flere diskrete komponenter og afgiver 50 til 100 mW kontinuerlig effekt.

Så er der X-kondensatoren

Line EMI-filtre omfatter klasse X- og klasse Y-kondensatorer for at minimere genereringen af EMI/RFI. De er direkte forbundet til vekselstrømsindgangen ved vekselstrømslinje og vekselstrømsneutral (figur 3).

Figur 3: EMI-filtrering kræver klasse X- og klasse Y-filtreringskondensatorer ved vekselstrømslinjen, men klasse X-kondensatoren skal styres efter frakobling af linjen for at sikre brugerens sikkerhed. (Billedkilde: www.topdiode.com)

Sikkerheden kræver, at X-kondensatoren i EMC-filtre aflades, når vekselstrømsledningen afbrydes for at sikre, at lagret spænding og energi ikke forbliver på netledningen i længere tid efter afbrydelsen. Den maksimalt tilladte afladningstid er reguleret af industristandarder som IEC60950 og IEC60065.

Den traditionelle metode til at sikre, at den nødvendige afladning finder sted, er at tilføje bleeder-modstande parallelt med X-kondensatoren. Denne tilgang har dog en effektmæssig ulempe. En bedre løsning er at inkludere en X-kondensatorafladningsfunktion med en brugerindstillelig tidskonstant. IC'er som LNK3312D-TL anvender denne tilgang. Det resulterer i mindre plads på printpladerne, en lavere materialeliste og øget pålidelighed.

Strømforsyninger og omformere har brug for flere beskyttelsesfunktioner. Alle enheder i LinkSwitch-TNZ-familien af IC'er indeholder:

• Soft-start for at begrænse belastningen af systemkomponenter ved opstart
• Automatisk genstart ved kortslutningsfejl og fejl i åbent kredsløb
• Beskyttelse mod overspænding ved udgangen (OVP)
• Beskyttelse mod overspænding på linjeindgangen
• Hysteretisk beskyttelse mod overtemperatur

Fra IC til komplet design

En IC alene, uanset hvor god den er eller hvor mange funktioner den har, kan ikke være en komplet AC/DC-omformer, der er klar til brug, da mange komponenter ikke kan eller bør integreres i den enhed. Disse omfatter bulk-filtreringskondensatorer, bypass-kondensatorer, induktorer, transformatorer og beskyttelseskomponenter. Behovet for eksterne komponenter er vist i den ikke-isolerede universalindgang, 6 V, 80 mA konstantspændingsforsyning med en nulgennemgangsdetektor baseret på en LNK3302D-TL-enhed (figur 4).

Figur 4: Her ses de eksterne komponenter, der er nødvendige for en komplet og sikker ikke-isoleret universalindgang, 6 V, 80 mA konstantspændingsforsyning med nulgennemgangsdetektor baseret på en LNK3302D-TL IC. (Billedkilde: Power Integrations)

Der er også sikkerhedsrelaterede minimumsmål for egenskaber som krybeafstand og luftafstand. Spørgsmålet er så, hvor svært det er at udvikle et komplet design. LinkSwitch-TNZ IC-familien gør opgaven lettere. Ved f.eks. at bruge en switchfrekvens på 66 kHz er de nødvendige magneter standardvarer fra flere leverandører. Desuden leverer Power Integrations referencedesigns.

For dem, der har brug for en isoleret forsyning, er RDK-877-referencedesignet (figur 5) en 6 W, isoleret flyback-strømforsyning med nulgennemgangsdetektering baseret på LNK3306D-TL.

Figur 5: RDK-877-referencedesignet på 6 W giver isolation i en flyback-topologi og er baseret på LNK3306D-TL. (Billedkilde: Power Integrations)

Forsyningen har et indgangsområde på 90 V_AC til 305 V_AC, en udgang på 12 V ved 500 mA og et strømforbrug uden belastning på mindre end 30 mW over hele vekselstrømsområdet. Mere end 350 mW effekt er tilgængelig i standby-tilstand, mens effektiviteten i aktiv tilstand opfylder kravene i DOE6 og EC CoC (v5) med mere end 80 % effektivitet ved fuld belastning ved nominel belastning. Designet opfylder også EN550022 og CISPR-22 klasse B-krav til ledet EMI.

Konklusion

Det kan virke trivielt at designe og implementere en AC/DC-forsyning med lavt strømforbrug. Alligevel er det en udfordrende opgave at opfylde mål for ydeevne og effektivitet, sikkerhed og lovkrav samt krav til omkostninger, fodaftryk og time-to-market. Switching-IC'er som dem i Power Integrations LinkSwitch-TNZ-familie med kombineret controller og MOSFET letter opgaven betydeligt. Disse IC'er understøtter forskellige effektniveauer og kan bruges med forskellige forsyningstopologier, samtidig med at de indeholder vigtige funktioner som nulgennemgangsdetektering og X-kondensatorafladning.