Vítejte, dnes je
pátek
19.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Víte, že optočleny nebudou v případě izolovaných DC/DC zdrojů nutné? Svůj návrh proto můžete nyní zjednodušit a zároveň zmenšit i jeho rozměry.
Čas od času je zapotřebí oddělené DC/DC řešení, ať již kvůli bezpečnosti, nebo k zajištění správné činnosti v rámci složitého systému. Klasické izolované návrhy zde využívají buď optočleny s dalšími obvody, nebo komplikovaných transformátorů, s nimiž napříč bariérou vytváří zpětnovazební smyčku pro regulaci výstupního napětí. Součástky navíc však znamenají složitá a také rozměrná řešení. Vlastnosti optočlenů se pak v průběhu času zhoršují a snižují tím i spolehlivost systému. Fyzické provedení koncových zařízení se kromě toho zmenšuje, stejně jako prostor pro napájecí zdroj, což také vnáší problémy spojené s řízením teploty. S tím vším se musí vývojáři vypořádat již na začátku návrhu nového řešení izolovaného DC/DC zdroje. Hodilo by se něco malého, levného, velmi spolehlivého a také snadno použitelného. Naštěstí zde máme nová řešení typu Flyback bez potřeby optočlenů, souvisejících obvodů zpětné vazby a také třetího vinutí transformátoru. Znamenají rovněž nová měřítka, pokud jde o přesnost výstupního napětí.
Řada napájecích systémů ve spoustě odvětví, jako je tovární automatizace, automatizace budov, e-mobilita, automobilový průmysl, avionika, medicína, komerční systémy apod. využije takové zdroje z jednoho nebo i více důvodů. Následují tři: – Bezpečnost. Smyslem je zamezit proudovým nárazům kvůli poškozenému zařízení a ochránit člověka před účinky síťového napájení. Na obr. 1 vidíme systém napájení, kde bude sekundární strana, které se mohou lidé dotýkat, izolována od sítě. Bez patřičného a bezpečného oddělení může úder blesku vyvolat náraz provázený velmi vysokým napětím, zatímco obsluha zde bude stát v cestě mezi zařízením a zemí, což je zpravidla smrtící. Izolační bariéra zde proto nasměruje energii nebezpečného výboje zpět k zemi na primáru, čímž zabraňuje průchodu přes tělo člověka. – Předcházíme zemním smyčkám. Ve velkém či složitém systému v různých místech sledujeme odlišné zemní potenciály. Díky izolaci pak předcházíme rušivým zemním smyčkám a také zde oddělujeme rušení digitální části od přesného analogového systému. – Posun úrovní. Systém se směsicí mnoha napájecích hladin zde izolované DC/DC řešení občas využije při výrobě několika oddělených napětí na výstupu, kladných i záporných.
Klasický DC/DC měnič s oddělením sledujeme na obr. 4. Řešení zde využije optočlen, zesilovač odchylky a napěťovou referenci, se kterými napříč izolační bariérou vytváří smyčku zpětné vazby. Výstupní napětí je v takovém případě snímáno zesilovačem odchylky a poté porovnáno s napěťovou referencí. Informace prochází skrz izolační bariéru s optočlenem na primární stranu, kde již řídicí obvod pro účely regulace výstupního napětí moduluje výkonový stupeň.
Řešení slouží svému účelu evidentně dobře, ovšem až do chvíle, kdy se musí rozměry zařízení snížit a my tak máme k dispozici méně prostoru. Obvod s optočlenem, zesilovačem odchylky a napěťovou referencí znamená dvanáct součástek, které výslednou rozpisku znatelně rozšiřují, zatímco nemálo poroste i plocha desky (viz obr. 5). Logicky se jich proto budeme chtít nějak zbavit.
Optoprvek však čelí dalšímu vážnému problému. Jeho vlastnosti se totiž mění s teplotou a degradují v čase, což může v některých aplikacích způsobit potíže se spolehlivostí. Obr. 6 zachycuje parametr CTR (Current Transfer Ratio), jehož změna u typického optočlenu v teplotním rozsahu od –60 °C do +120 °C dosahuje 270 % [1]. Kromě toho zde máme i pokles v čase (30 až 40 %) [2, 3, 4].
Topologie s řízením na primární straně. Jeden ze způsobů, jak vyloučit optočlen, spočívá v metodě řízení na primární straně. V takovém případě využijeme k nepřímému měření výstupního napětí během fáze „vypnuto“ třetího vinutí odděleného napájecího transformátoru – viz také zapojení dle obr. 7. Zrcadlené napětí VW bude výstupnímu napětí odpovídat dle rovnice
kde VO představuje výstupní napětí, VF úbytek napětí na výstupní usměrňovací diodě, Na počet závitů třetího vinutí a NS to samé, ovšem pro vinutí sekundáru.
Zatímco se tímto fakticky zbavujeme optočlenu, vytváříme zároveň další skupinu problémů: a) doplněním třetího vinutí komplikujeme návrh transformátoru a jeho konstrukci, zvyšujeme i cenu, b) zrcadlené napětí zahrnuje úbytek na výstupní usměrňovací diodě VF, který se rovněž mění se zatížením a teplotou, což představuje odchylku snímaného výstupního napětí, c) chybu při stanovení výstupního napětí dále prohlubuje rušení na VW spojované s indukčností.
Zmíněná metoda řízení na primární straně nabízí mizernou regulaci výstupního napětí a pro spoustu aplikací tak nebude praktická. Vývojář proto musí sáhnout po dodatečné regulaci, která cenu ovšem ještě více navyšuje, podobně jako výsledné rozměry řešení.
Topologie Flyback bez optočlenu. Zde se bude jednat o DC/DC variaci metody řízení na primární straně. Zbavíme se tím problému (a) zmíněného výše, protože budeme napětí na primární straně snímat přímo a nevyžadujeme již třetí vinutí napájecího transformátoru. S takovým zlepšením výrazně Obr. 10 Podobné řešení s vysokou mírou integrace snižujeme složitost návrhu, včetně konstrukce transformátoru a layoutu DPS. Topologii nyní zachycuje obr. 8.
kde VO představuje napětí výstupu, VF napěťový úbytek výstupní usměrňovací diody, NP počet závitů primárního vinutí a NS pak počet závitů na sekundáru.
Topologie Flyback bez optočlenů není nová a stále bude trpět zbývajícími dvěma problémy zmíněnými výše v bodech (b) a (c). V posledním případě jen vyměníme VW za VP. Špatná regulace výstupního napětí pak stále zůstává zásadní překážkou takového zapojení bez optočlenů v topologii Flyback.
Nedávné pokroky na poli obvodového návrhu a také chráněné postupy naštěstí umožnily tuto neblahou situaci výrazněji zlepšit. Pojďme se na to blíže podívat!
Na obr. 9 vidíme nový produkt od firmy Maxim Integrated, MAX17690, pro řešení odděleného DC/DC měniče typu Flyback bez optočlenu s regulací výstupního napětí popsanou ±5 %.
Abychom dokázali bojovat s odchylkou při snímání výstupního napětí, bude obvod MAX17690 vzorkovat zrcadlené napětí tehdy, je-li proud ISEC tekoucí sekundárem nízký. Omezíme tím i změny v úbytku napětí na diodě způsobené zatěžováním výstupu. Integrovaný obvod se rovněž pyšní opatřením sloužícím ke kompenzaci napětí na diodě a souvisejících změn z titulu teploty. Rovněž zde nalezneme pokročilé možnosti pro odfiltrování již zmiňovaného rušení. Celkově vzato, součástka představuje nové měřítko pro regulaci výstupního napětí v topologii Flyback bez optočlenů.
Obr. 10 pak zachycuje variantu MAX17691, která kromě toho integruje výkonový FET společně s prvkem pro snímání proudu, takže bude nakonec vyžadovat jen minimum vnějších součástek. Popravdě zde nabízí špičkové řešení odděleného DC/DC měniče ve své nejjednodušší podobě.
Oba prvky, MAX17690 a také MAX17691, dosahují velmi dobré regulace výstupního napětí. Jejich vlastnosti odrážející změny s teplotou, vstupem i zatížením si prohlédněte na obr. 11.
Tradičně velké, izolované DC/DC měniče, které ve smyčce zpětné vazby používají optočleny, již nelze při dalším snižování velikosti zařízení, včetně místa na desce, považovat za efektivní řešení. Vlastnosti optočlenů se mění s teplotou a degradují v čase, což také představuje další komplikaci. Topologie Flyback bez optočlenů je naproti tomu jednodušší, vyžaduje menší počet vnějších součástek a přirozeně se tak stává lepší variantou. Nové pokroky na poli návrhových postupů výraznou měrou zlepšují stabilitu výstupního napětí. V zapojeních s izolovanými zdroji napájení se tak z DC/DC měniče typu Flyback bez optočlenu stává nejen správná, ale i praktická volba.
[1] www.vishay.com/docs/83465/vos618a.pdf
[2] www.vishay.com/docs/80059/80059.pdf
[3] https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=13438
