Fejlett kapcsolásvezérlő IC-k használata jó hatásfokú, funkciógazdag, kis fogyasztású hálózati tápegységek létrehozásához

A körülbelül 10 W-os vagy annál kisebb teljesítményű hálózati tápegységeket széles körben használják otthoni fényerő-szabályozókban, kapcsolókban, érzékelőkben, készülékekben, a dolgok internetére (IoT, Internet of Things) kapcsolódó eszközökben és ipari vezérlőegységekben. A működési ciklusuk viszonylag alacsony, mivel a terhelésük jellemzően hosszú ideig készenléti üzemmódban van, viszont amikor a készülék működésbe lép, a tápegységnek gyorsan „fel kell ébrednie”.

Az ilyen tápegységek tervezése elvi síkon egyszerű: vegyünk néhány diódával a hálózati áram egyenirányításához, adjunk hozzá egy vezérlő IC-t, tegyünk szűrőkondenzátorokat a kimenetre, ha leválasztásra is szükség van, akkor illesszünk be egy transzformátort, és a feladat meg is van oldva. A látszólagos egyszerűség ellenére azonban a valóság jelentősen eltérő az ilyen tápegységek előállítása esetében.

Ezeknek a tápegységeknek az alapvető feladata az, hogy stabil egyenfeszültséget szolgáltassanak a kimeneti sínre, valamint hogy megfeleljenek a felhasználók biztonságára, illetve a terhelés alatti és a készenléti hatásfokra vonatkozó szigorú jogszabályi előírásoknak. Emellett a tervezőknek figyelembe kell venniük a fizikai elrendezéssel, a kiegészítő külső alkatrészekkel, a megbízhatósággal, a teljesítményértékeléssel, a tanúsítással és a tokozással kapcsolatos kérdéseket is, mivel a rövid piacra jutási ciklusok betartása mellett törekedniük kell a helyigény és a költségek minimálisra csökkentésére is.

Ez a cikk a Power Integrations nagy integráltsági fokú, közvetlenül a hálózatról működő kapcsolásvezérlő IC termékcsaládját mutatja be, és ismerteti, hogyan lehet kezelni a fent említett kihívásokat.

Összeépített MOSFET és vezérlő IC

A Power Integrations nyolc különböző, közvetlenül a hálózatról működő kapcsolásvezérlő IC-ből álló LinkSwitch-TNZ termékcsaládja egy 725 V-os MOSFET teljesítménykapcsolót és egy tápegységvezérlőt egyesít egyetlen SO-8C tokban elhelyezett eszközben. Mindegyik ilyen monolit IC-nek kiváló a túlfeszültségtűrő képessége, és tartalmaz egy oszcillátort, valamint egy nagyfeszültségű kapcsolóüzemű áramforrást az önelőfeszítéshez, frekvenciaremegtetéses zajcsökkentést, gyors (ciklusonkénti) áramkorlátozást, hiszterézises hőleállítást, valamint ki- és bemeneti túlfeszültségvédő áramköröket.

Ezek az eszközök képezhetik például egy leválasztás nélküli tápegység magját, mint az 1. ábrán látható, az LNK3306D-TL jelű eszközt használó, a választott – DCM (discontinuous conduction mode, szakaszos) vagy CCM (continuous conduction mode, folyamatos) – kimenőáram-folyási módtól függően 225 mA vagy 360 mA kimenő áramerősségű feszültségcsökkentő áramátalakító áramkör esetében. Az eszközök beállíthatók leválasztás nélküli feszültségcsökkentő-feszültségnövelő tápegységként is, és akár 575 mA kimenő áramerősség szolgáltatására is képesek.

1. ábra: A LinkSwitch termékcsalád ezen tagját használó jellegzetes, leválasztás nélküli feszültségcsökkentő áramátalakító kapcsolás csak egy a sok lehetséges áramkör közül, amely ezekkel az eszközökkel megvalósítható (ábra: Power Integrations)

Míg a váltakozó áramú vezetékek okozta hibáktól kettős szigeteléssel vagy más módon védett terheléseknek nincs szükségük galvanikus leválasztásra, egyes eszközöknek van. Ilyen helyzetben jobb választás, ha a LinkSwitch-TNZ eszközöket valamilyen univerzális bemenetű leválasztott visszafutásos áramkörben használjuk. Az eszközök ilyen áramkörökben akár 12 W kimeneti teljesítmény leadására is képesek.

A LinkSwitch-TNZ termékcsalád IC-i az áramkör kialakításától függően különböző kimenő áramerősségeket és teljesítményeket kínálnak (1. táblázat).

1. táblázat: A LinkSwitch-TNZ termékcsalád többféle beállítást, áramköri elrendezést és működési módot is lehetővé tesz Mindegyik elrendezésnek más-más a legnagyobb kimenő áramerőssége vagy a teljesítménykorlátja (táblázat: Power Integrations)

Az elvi elgondolástól a megvalósításig

A LinkSwitch-TNZ termékcsalád nagy integráltsági foka és rugalmassága révén leegyszerűsíti a tervező feladatát. A tanúsítvánnyal rendelkező, szállítható tápegységek kifejlesztésének számos nehézsége közül néhány:

1. A hatásfokra és a biztonságra vonatkozó szigorú, kötelező követelmények. Ezek teljesítését még inkább megnehezíti, hogy készenléti üzemmódban is energiát kell biztosítani, miközben a készenléti hatásfokra vonatkozó szigorú előírásoknak is meg kell felelni. A LinkSwitch-TNZ IC-k kategóriájukban a legjobb kis terhelés melletti hatásfokot nyújtanak, több rendszerfunkció áramellátására adva így módot, miközben megfelelnek a készenléti állapotra vonatkozó előírásoknak, többek között a következőknek:
   • Az Európai Közösség (EK) háztartási készülékekre vonatkozó szabványa (1275), amely előírja, hogy a készülékek fogyasztása készenléti vagy kikapcsolt állapotban nem haladhatja meg a 0,5 W-ot.
   • Az Energy Star szabványnak az okosotthonok energiagazdálkodási rendszereire (SHEMS, Smart Home Energy Management Systems) vonatkozó 1.1-es verziója, amely az világításvezérlő okoseszközök fogyasztását készenléti állapotban 0,5 W-ra korlátozza.
   • A kínai GB24849 szabvány, amely a mikrohullámú sütők fogyasztását kikapcsolt állapotban 0,5 W-ra korlátozza.

A LinkSwitch-TNZ IC-k azonkívül, hogy teljesítik ezeket a követelményeket, a diszkrét alkatrészekből kialakított hasonló áramkörökhöz képest 40%-kal vagy még többel csökkentik az alkatrészek számát is. Ezek a kapcsolóüzemű tápegységekhez való kapcsolásvezérlő IC-k ±3%-os szabályozást tesznek lehetővé a vezeték és a terhelés között, külső előfeszítéssel kevesebb mint 30 mW a fogyasztásuk terhelés nélküli állapotban, és a készenléti áramfelvételük kevesebb mint 100 µA.

2. A nullavezeték nélküli kétvezetékes és a háromvezetékes váltakozó áramú hálózati csatlakozások biztonságos támogatása. Sok terhelésnél, például a fényerő-szabályozók, a kapcsolók és az érzékelők esetében nincs meg ez a harmadik vezeték, így fennáll a túl nagy és potenciálisan veszélyes áramszivárgás kockázata. A szabvány különböző körülményekre nézve meghatározza a megengedett legnagyobb szivárgási áramot, és a LinkSwitch-TNZ 150 µA alatti szivárgási árama a nullavezeték nélküli kétvezetékes áramkörökben ez alatt a megengedett érték alatt van.
3. Ne lépje túl az eszköz az elektromágneses zavarjel-kibocsátási határértékeket. E cél elérése érdekében a LinkSwitch-TNZ oszcillátora szórt spektrumú megoldást használt, amely 4 kHz kis mértékű frekvenciaremegtetést idéz elő a névleges 66 kHz-es kapcsolási frekvencia körül (2. ábra). A frekvenciaremegtetés modulációs frekvenciája az elektromágneses zavarás (EMI) csökkentésének optimalizálása érdekében 1 kHz-re van beállítva mind az átlagos, mind a kvázi csúcskibocsátás esetében.

2. ábra: A LinkSwitch-TNZ oszcillátora az elektromágneses zavarjel-kibocsátás előírt határérték alatt tartása érdekében 4 kHz-es szórású szórt spektrumú megoldást használ a névleges 66 kHz-es kapcsolási frekvencia körül (ábra: Power Integrations)

4. A váltakozó áramú vezeték nullpontátmeneteinek érzékelése minimális számú kiegészítő alkatrésszel és minimális fogyasztással. Erre az érzékelésre a világításkapcsolók, a fényerő-szabályozók, az érzékelők és a dugaszok esetében van szükség, amelyek relé vagy triak segítségével periodikusan csatlakoztatják és választják le a váltakozó áramú vezetéket.

A nullpontátmenet jelét az intelligens lakás- és épületautomatizálási (HBA, home and building automation) termékek és készülékek használják a kapcsolás vezérlésére, hogy minimálisra csökkentsék a kapcsolási igénybevételt és a rendszer indulóáramát.

Emellett a készülékekben gyakran használnak diszkrét alkatrészekből épített nullpontátmenet-érzékelő (más néven nulldetektor) áramköröket a villanymotor és a mikrovezérlő (MCU, microcontroller unit) időzítésének szabályozására. Ezeken a felhasználási területeken kiegészítő tápegységre is szükség van a vezeték nélküli csatlakozások, a kapuvezérlők, az érzékelők és a kijelzők számára.

Ennek elérése érdekében általában diszkrét alkatrészekből építenek egy áramkört a váltakozó áramú vezeték nullpontátmenetének érzékelésére, hogy azzal vezéreljék a fő tápegység nyitási átmenetét, csökkentve eközben a kapcsolási veszteségeket és a bemenő áramerősséget. Ez a megoldás sok alkatrészt igényel, és nagyon veszteséges, néha a készenléti energiamennyiség közel felét fogyasztja.

Ehelyett a LinkSwitch-TNZ IC-k pontos jelet adnak, amely jelzi, amikor a szinuszos váltakozó áramú vezeték nulla volton van. A LinkSwitch-TNZ nullpontátmenet-érzékelése 5 mW-nál kevesebbet fogyaszt, így a rendszerek csökkenthetik a készenléti energiaveszteséget az alternatív megoldásokkal szemben, amelyek tíz vagy több diszkrét alkatrészt igényelnek, és 50–100 mW a folyamatos teljesítményveszteségük.

Aztán ott van az X kondenzátor

A hálózati elektromágneses zavarszűrőkben X és Y osztályú kondenzátorok vannak, hogy minimálisra csökkentsék a keletkező elektromágneses és rádiófrekvenciás zavarokat. Ezek közvetlenül a váltakozó áramú bemenetre vannak kötve, a váltakozó áram áram- és nullavezetéke (X kondenzátorok), illetve a nullavezeték és a föld (Y kondenzátorok) közé (3. ábra).

3. ábra: Az elektromágneses zavarszűréshez X és Y osztályú szűrőkondenzátorokra van szükség a váltakozó áramú hálózaton, de a hálózat lekapcsolása után az X osztályú kondenzátort a felhasználók biztonsága érdekében ki kell sütni (ábra: www.topdiode.com)

A biztonsági előírások megkövetelik, hogy az elektromágneses zavarszűrők X kondenzátorát a váltakozó áramú hálózat lekapcsolásakor ki kell sütni, hogy a tárolt feszültség és energia a lekapcsolás után ne maradjon hosszabb ideig a hálózati kábelen. A megengedett leghosszabb kisütési időt olyan ágazati szabványok szabályozzák, mint az IEC 60950 és az IEC 60065.

A szükséges kisütés biztosításának hagyományos módja az, hogy az X kondenzátorral párhuzamosan kisütő ellenállásokat építenek az áramkörbe. Ez a megoldás azonban teljesítménybeli hátrányokkal jár. Jobb megoldás egy X kondenzátor-kisütési funkció kialakítása a felhasználó által beállítható időállandóval. Az olyan IC-k, mint az LNK3312D-TL is, ezt a megoldást alkalmazzák. Ez csökkenti a nyomtatott áramköri lapon elfoglalt helyet, kisebb lesz az alkatrészigény, és nagyobb megbízhatóságot eredményez.

A tápegységeknek és áramátalakítóknak többféle védelmi funkcióra van szükségük. A LinkSwitch-TNZ IC termékcsalád minden eszköze tartalmazza a következőket:

• lágyindítás a rendszerelemek indításkori terhelésének korlátozására
• automatikus újraindítás rövidzár és szakadás esetén
• kimeneti túlfeszültség elleni védelem
• a bemeneti vonal túlfeszültség elleni védelme
• hiszterézises túlmelegedés elleni védelem

Az IC-től a teljes készülékig

Egy IC önmagában, függetlenül attól, hogy mennyire jó vagy van tele funkciókkal, nem lehet teljes, azonnal használható hálózati áramátalakító, mivel sok alkatrészt nem lehet vagy nem szabad az eszközbe integrálni. Ezek közé tartoznak a széles sávú szűrőkondenzátorok, a megkerülőkondenzátorok, a tekercsek, a transzformátorok és a védelmi célú alkatrészek. A külső alkatrészek szükségességét ezen a leválasztás nélküli, univerzális bemenetű, 6 V állandó feszültségű, 80 mA-es tápegységen mutatjuk be, amely egy LNK3302D-TL IC-n alapuló nullpontátmenet-érzékelővel (más néven nulldetektorral) is el van látva (4. ábra).

4. ábra: A kapcsolási rajzon egy LNK3302D-TL IC-n alapuló teljes és biztonságos, nullpontátmenet-érzékelővel ellátott, leválasztás nélküli, univerzális bemenetű, 6 V állandó feszültségű, 80 mA-es tápegységhez szükséges külső alkatrészek láthatóak (ábra: Power Integrations)

Emellett az olyan jellemzőkre, mint a kúszóáramutak és a légközök, a biztonság miatt szükséges minimális méretek vannak előírva. Ezek az előírások megnehezítik a teljes készülék kifejlesztését. A LinkSwitch-TNZ IC termékcsalád viszont megkönnyíti a feladatot. Például a 66 kHz-es kapcsolási frekvenciát használva a szükséges mágneses elemeket több gyártó szabványos, azonnal használható alkatrészei közül választhatjuk ki. A Power Integrations cég emellett referenciaterveket is kínál.

Azok számára, akiknek leválasztott tápegységre van szükségük, jó választás lehet az RDK-877 referenciakészülék (5. ábra) egy nullpontátmenet-érzékeléssel ellátott, 6 W-os, leválasztott visszafutásos tápegység, amely az LNK3306D-TL IC-re épül.

5. ábra: A 6 W-os RDK-877 referenciakészülék leválasztást kínál visszafutásos áramköri elrendezéssel, és az LNK3306D-TL IC-re épül (kép: Power Integrations)

A tápegység bemeneti tartománya 90 V és 305 V váltakozó feszültség (V_AC) között van, kimeneti áramerőssége 12 V-on 500 mA, és terhelés nélkül a teljes váltakozó áramú vezetékben kevesebb mint 30 mW a fogyasztása. Készenléti állapotban több mint 350 mW teljesítményt szolgáltat, míg az aktív üzemmód hatásfoka megfelel a DOE6 és az EC CoC (v5) előírás követelményeinek, névleges terhelésnél 80%-nál nagyobb teljes terhelési melletti hatásfokkal. A kialakítás megfelel az EN 550022 és a CISPR-22 B osztály vezetett elektromágneses zavarásra vonatkozó követelményeinek is.

Összegzés

Egy kis fogyasztású hálózati tápegység megtervezése és megvalósítása csekélységnek tűnhet. A teljesítményre és a hatásfokra vonatkozó célkitűzések, a biztonsági és jogszabályi előírások, valamint a költségek, a helyigény és a piacra kerülési idő jelentette követelményeknek való megfelelés azonban komoly nehézségeket támasztó kihívássá teszik. Az olyan kapcsolásvezérlő IC-k azonban, mint a Power Integrations vezérlőegységet és MOSFET-eket kombináló LinkSwitch-TNZ termékcsaládja, nagyban megkönnyítik ezt a feladatot. Ezek az IC-k különböző teljesítményszinteket támogatnak, és különböző tápegységáramkörökkel használhatóak, miközben olyan alapvető funkciókat tartalmaznak, mint a nullpontátmenet-érzékelés és az X kondenzátor kisütése.