Flyback vyladěný na 440 W? To je symfonie výkonu v GaN

Jsou více než čtyři stovky wattů hodně? Jak se to vezme. Z pohledu výkonové elektroniky a jejich možností jsme stále hodně při zemi, ale co třeba spínané zdroje s topologií Flyback? Tohle již není zdaleka jejich komfortní zóna. Jak ale ukazují březnové novinky od firmy Power Integrations [1], oblíbené měniče stále neřekly poslední slovo.

Složitosti stranou

Číslo 440 má zvláštní význam nejen pro muzikanty. Nově totiž oslovuje i vývojáře, kteří dostali za úkol vyřešit napájení špičkových elektrických spotřebičů, zdroje v průmyslových systémech, obvody pro nabíjení elektrokol apod. Proč jim návrh zbytečně komplikovat, když to jde i jednodušeji – rychle a přece stále efektivně. Ať již v kontextu účinnosti nebo způsobu, jak lze výsledný zdroj také sériově vyrábět.

Výsledné řešení populární architektury Flyback s výkony až do 440 W dostalo vedle průlomových výstupů integrovaný základ, řadu vlastních ochran a dva odlišné druhy pouzder jako bonus. Osazujete do vrtaných otvorů? Máte mít i je. A co kdyby již výrobce předem vše naplánoval do posledního detailu? Výborně, trojice referenčních návrhů už netrpělivě čeká. Jenže kolik nakonec zaplatíme? Firma Power Integrations účtuje při odběru 10 000 kusů již od jednoho dolaru za kompletní obvod a ušetřit můžete rovněž na chladiči. Ano, mnohdy se dokážeme obejít i bez něj. Při zatěžování v rozsahu od deseti až po jedno sto procent slibuje výrobce v této třídě účinnost dosahující 92 %. A skloňuje přitom trojí chráněné označení, pokud jde o nové integrované obvody TOPSwitchGaN™ [2] s více než dvojnásobkem výkonu na svém výstupu, technologii PowiGaN™, umožňující ve spínaných obvodech pro síťové zdroje s topologií Flyback, které se vyznačují vysokou mírou integrace, nahradit klasické MOSFETy na primární straně [3] nebo architekturu TOPSwitch™ [4], pomyslnou vlajkovou loď pro konverzi napájení s tradicí již od roku 1994.

Výsledek? Díky nitridu galia již nemusí být složitější rezonanční, resp. LLC topologie zase tolik dominantní a necháme si je až na jindy. Spínací prvky s technologií PowiGaN™, pocházející z vlastního vývoje společnosti PI, nám totiž vykazují výrazně nižší odpor R_DS(ON) v sepnutém stavu, než je tomu v případě tradičního křemíku. Ztráty, provázející průchod elektrického proudu polovodičem, proto rychle klesají, což dává prostor k citelnému nárůstu výkonu měniče, zde konkrétně v topologii Flyback. K tomu si dále přičtěte 800V struktury s dostatečnou rezervou pro rizikové přechodné děje a také nízké spínací ztráty, takže lze nové součástky nechat pracovat až na kmitočtu 150 kHz a minimalizovat ještě rozměry transformátoru.

Systém kromě toho jednoduše, a bez potřeby synchronního usměrňování na výstupu (kdy si místo dalšího tranzistoru, ale i jeho řízení, vystačíme pouze s vhodnou diodou; na stránkách DPS Elektronika od A do Z viz také [5]), snadno splňuje přísné evropské ekologické směrnice (ErP), takže po vypnutí spotřebujeme při nulovém zatížení pod 50 miliwattů, a to stále včetně možnosti změřit vstupní napětí (tzv. line sense, 230 V_AC). Pokud k tomu u pohotovostního režimu standby přičteme i pomocné funkce (tzv. housekeeping), dostáváme při odběru 300 mW ze sítě na výstupu stále k dispozici až 210 mW. Je určitě skvělé být připraveni i na budoucí legislativní nástrahy.

Navrhnete pouze jednou

Jak již bylo předesláno, nové integrované obvody počítají s dvojím vyhotovením. Pro skutečně útlá řešení tu předně máme pouzdra typu eSOP™ s dvanácti vývody a předpoklady k povrchové montáži, kdy u vhodných spotřebičů dosahujeme bez chladiče až 135 W (85 až 265 V_AC). Další varianta s označením eSIP™ a sedmi vývody již bude orientována vertikálně, takže dokážeme zmenšit zastavěnou plochu na desce a porovnávat se z pohledu tepelné impedance se součástkami, řešenými na způsob TO-220. Tady již nic nebrání jednoduchému připevnění kovového chladiče, kterým si otevřeme cestu k ještě většímu výkonu, typicky pro elektronářadí, elektrokola nebo např. otevírání garážových vrat.

Integrované obvody TOPSwitchGaN™ máme v neposlední řadě vývodově kompatibilní s prvky TinySwitch™-5 [6], navrženými znovu pro napájecí zdroje, které s klasickou topologií Flyback, a také technologií EcoSmart™, zvládnou jako tzv. „off-line switcher“ s nedílným tranzistorem zapojeným na vstupu přímo k síti až 175 W, takže vývojáři nemusí pokaždé vymýšlet nové zapojení, ale ani řešit jeho specifické požadavky. Ať již navrhují desetiwattový zdroj k malému senzoru či nabíječce nebo s drobnými úpravami nyní klidně 440W napájení pro větší stroje. A to určitě není málo, zvláště, když se pro malé výkony obvykle používá jedna technologie a u velkých odběrů zase úplně jiná, která je nadto mnohem složitější. Zde však s jednou rodinou čipů pokryjeme vše. A pokud se během vývoje přesto zjistí, že zařízení „dochází dech“, co takhle na stejné místo na desce jednoduše osadit silnější variantu a návrh tomu pouze přizpůsobit?

Tři ukázky na obou koncích výkonového spektra

Princip činnosti spínaného zdroje typu Flyback, vybaveného nově některým z obvodů TOPSwitchGaN™ od firmy Power Integrations, plyne ze zjednodušeného schématu zapojení, jednotlivé funkční bloky poté sledujeme na diagramu. Faktických vývodů obdržíme pouze šest, takže třeba u dvanáctipinových pouzder pro povrchovou montáž bude jejich celá jedna strana tvořena vývodem Source interního tranzistoru. Za zmínku stojí pin „V“ jako Voltage Monitor, odkazující na sledování síťového napětí, zapojený na střídavé nebo stejnosměrné straně vstupního můstku pro volitelnou detekci podpěťových či přepěťových stavů. Zpětnovazební řízení galvanicky odděleného zdroje pak spojujeme s vývodem C (Control) a optočlenem. A k usměrnění na výstupu postačí místo synchronního tranzistoru jednoduše Schottkyho dioda.

Pokud jde o konkrétní verze obvodů, výrobce nabízí v zásadě tři, a to TOP7074, TOP7075 či TOP7078, u kterých vždy dále rozlišuje chlazení měděnou plochou na desce (pouzdra eSOP™-12 s příponou K), resp. možnost využití externího chladiče (vyhotovení eSIP™-7, koncovka E). Zde se také můžeme při splnění základních podmínek, jako je např. odběr do 10 A nebo udržení teploty součástky do +110 °C, dostat z maximálních 180 W (TOP7078K) až na výše slibovaný trvalý výkon 0,44 kW (TOP7078E), tedy úrovně, které pokaždé platí pro napětí 400 V_DC.

A trojí zde máme i referenční návrhy. DER-1079 s obvody TOP7074K zajistí coby izolovaný zdroj pro spotřebiče v širokém rozsahu výkon 60 W. Průmyslový DER-1019 již bude na základě prvků TOP7078E počítat s 356 W (89 V a 4 A), přičemž elektrokola lze zase nabíjet díky RDK-1018 ve znamení TOP7075E a 168 wattů. Ano, relativně jednoduché zdroje s topologií Flyback jsou sice izolované, ale od vývojářů a jejich potřeb, vycházejících z každodenní praxe si odstup rozhodně nedrží.

Odkazy:

[1] Tisková zpráva, https://investors.power.com/news/news-details/2026/Power-Integrations-Extends-Flyback-Topology-to-Enable-440-W-Offering-Simpler-Alternatives-to-Resonant-Power-Designs/default.aspx

[2] Obvody TOPSwitchGaN™, https://www.power.com/products/topswitch/topswitchgan

[3] Technologie PowiGaN™, https://www.power.com/company/our-innovations/powigan-technology

[4] Architektura TOPSwitch™, https://www.power.com/products/topswitch

[5] Zřídka kladené otázky Synchronní usměrnění na sekundární straně, https://www.dps-az.cz/clanky/id:66132/zridka-kladene-otazky-synchronni-usmerneni-na-sekundarni-strane

[6] Obvody TinySwitch™-5, https://www.power.com/products/tinyswitch/tinyswitch-5

robenek@dps-az.cz