Använd avancerade switchande kretsar för att implementera effektiva och strömsnåla växel-/likströmsaggregat med många funktioner

Växel-/likströmsaggregat med låg effekt, cirka 10 W eller lägre, används ofta för dimrar, strömbrytare, givare, apparater, IoT (Internet of Things) och industriell styrning. Arbetscykeln är relativt låg eftersom lasten är i vänteläge under långa perioder, men nätaggregatet måste "vakna" snabbt när enheten aktiveras.

Att konstruera sådana nätaggregat är enkelt i teorin. Börja med några dioder för likriktning av spänningen, lägg till en styrkrets, montera filterkondensatorer på utgången, montera en transformator om isolering krävs och uppgiften är klar. Trots den till synes enkla konstruktionen är det stora skillnader på hur man skapar nätaggregat i verkligheten.

De måste ha den grundläggande funktionen att leverera en stabil utgång för likström och uppfylla flera strikta regelkrav för användarsäkerhet, verkningsgrad vid belastning och vänteläge. Det finns dessutom frågor som rör fysisk utformning, stödkomponenter, tillförlitlighet, utvärdering av prestanda, certifiering och paketering som konstruktörer måste ta hänsyn till när de arbetar för att minska storleken och kostnaden samtidigt som de måste uppfylla kraven på kort tid till marknaden.

Artikeln presenterar en produktfamilj av högintegrerade switchande offline-styrkretsar från Power Integrations och visar hur de kan användas för att lösa utmaningarna.

Integrerad MOSFET och styrkrets

Produktfamiljen LinkSwitch-TNZ med åtta distinkta styrkretsar för offline-switchning från Power Integrations kombinerar en switch på 725 V för effekt-MOSFET med en styrenhet för nätaggregat i en enda enhet, inrymd i kapslingen SO-8C. Respektive monolitisk krets har utmärkt tålighet mot överspänning, en oscillator, en switchande högspänningskälla med egen förspänning och frekvensjitter, en snabb (cykel för cykel) strömbegränsning, termisk avstängning med hysteres och skyddskretsar för överspänning på ut- och ingång.

Enheterna kan utgöra kärnan i en icke-isolerad installation, som t.ex. buck-omvandlaren som använder LNK3306D-TL (figur 1) som leverarar 225 eller 360 mA ström, beroende på valt ledningsläge. De kan också konfigureras som oisolerade buck boost-aggregat som levererar upp till 575 mA.

Figur 1: Konstruktion av en typisk oisolerad buck-omvandlare som använder en del av produktfamiljen LinkSwitch är bara en av många möjliga topologier som kan implementeras med hjälp av enheterna. (Bildkälla: Power Integrations)

Även om lasterna, som är dubbelisolerade eller på annat sätt skyddade mot fel i växelströmsledarna, inte behöver galvanisk isolering, finns det några enheter som kräver det. Att använda enheterna LinkSwitch-TNZ i en isolerad flyback-konstruktion med universella ingångar är ett bättre val i en sådan situation. Med den topologin har enheterna en uteffekt på upp till 12 W.

Kretsarna i produktfamiljen LinkSwitch-TNZ har olika utströmmar och effektkapacitet beroende på topologi (tabell 1).

Tabell 1: Produktfamiljen LinkSwitch-TNZ stödjer flera olika konfigurationer, topologier och driftlägen. Respektive konfiguration skiljer sig åt vad det gäller maximal utgångsström eller effektgräns. (Bildkälla: Power Integrations)

Från koncept till genomförande

Konstruktörernas arbete förenklas i och med den höga integrationsgraden och flexibiliteten hos produktfamiljen LinkSwitch-TNZ. Bland de många utmaningarna med att utveckla en certifierad, leveransduglig konstruktion för strömförsörjning finns:

1. Högt ställda, obligatoriska, krav på effektivitet och säkerhet. Detta försvåras av behovet för att tillhandahålla ström i vänteläge samtidigt som man måste uppfylla högt ställda krav på verkningsgrad i vänteläge. Kretsarna för LinkSwitch-TNZ har klassens bästa verkningsgrad vid lätt belastning, vilket gör att fler systemfunktioner kan strömförsörjas samtidigt som de uppfyller kraven för vänteläge som inkluderar:
   • Europeiska kommissionens (EC) standard för hushållsapparater (1275), som kräver att utrustningen inte förbrukar mer än 0,5 W i vänteläge eller avstängt läge
   • Energy Star version 1.1 för SHEMS (Smart Home Energy Management Systems), som begränsar förbrukningen i vänteläge för smarta belysningsstyrenheter till 0,5 W
   • Kinas GB24849, som begränsar effektförbrukningen i mikrovågsugnar i avstängt läge till 0,5 W

Samtidigt som de uppfyller kraven minskar kretsarna för LinkSwitch-TNZ även antalet komponenter med 40 % eller mer jämfört med diskreta konstruktioner. De switchande strömförsörjningskretsarna möjliggör en reglering på ±3 % för fas och last, har en effektförbrukning utan last på mindre än 30 mW med extern förspänning och en strömförbrukning för vänteläget på mindre än 100 µA.

2. De stödjer på ett säkert sätt växelströmsanslutningar med två ledare utan en neutralledare och anslutningar med tre ledare. Många laster, som t.ex. dimrar, strömbrytare och givare, saknar denna tredje ledare, vilket innebär att det finns risk för hög och potentiellt farlig läckström. Standarden definierar den maximala läckströmmen under olika förhållanden och läckaget för LinkSwitch-TNZ på under 150 µA i konstruktioner med två ledare och utan neutralledare ligger under detta maximum.
3. Överskrider inte gränsvärdena för elektromagnetiska störningar (EMI). För att uppfylla detta mål använder oscillatorn för LinkSwitch-TNZ en teknik med spritt spektrum som skapar en liten mängd frekvensjitter på 4 kHz runt den nominella switchningsfrekvensen på 66 kHz (figur 2). Moduleringshastigheten för frekvensjittret är inställd på 1 kHz för att optimera minskningen av elektromagnetiska störningar för både genomsnittliga och utstrålning vid kvasitoppar.

Figur 2: För att hålla utstrålningen av elektromagnetiska störningar under den lagstadgade gränsen använder oscillatorn för LinkSwitch-TNZ en teknik med spritt spektrum med en spridning på 4 kHz runt den nominella switchningsfrekvensen på 66 kHz. (Bildkälla: Power Integrations)

4. Detektering av nollgenomgångar i växelströmsnätet med få extra komponenter och liten strömförbrukning. Detekteringen behövs för strömbrytare, dimrar, givare och kontakter som regelbundet kopplas till växelströmsnätet med hjälp av ett relä eller en triac.

Nollgenomgångssignalen används av smarta produkter och apparater för hem- och byggnadsautomation (HBA) för att styra switchningen och minimera belastningen för switchningen och systemets inkopplingsström.

På samma sätt använder apparater ofta en diskret detekteringskrets för nollgenomgång för att styra timingen för motor och microcontroller (MCU). Tillämpningarna kräver även en extra strömförsörjning för trådlös anslutning, gatedrivkretsar, givare och displayer.

För att uppnå detta implementeras vanligtvis en diskret krets för att detektera växelströmmens nollgenomgång för att styra aktiveringsövergången för den primära effektenheten och samtidigt minska switchningsförlusterna och inkopplingsströmmen. Metoden kräver många komponenter och ger stora förluster. Ibland förbrukar vänteläget nästan halva strömbudgeten.

Istället har kretsarna för LinkSwitch-TNZ en exakt signal som indikerar när den sinusformade växelströmslinjen är på noll volt. Detekteringen av nollgenomgång för LinkSwitch-TNZ förbrukar mindre än 5 mW, vilket gör att systemen kan minska effektförlusterna i vänteläget jämfört med alternativa metoder som kräver tio eller fler diskreta komponenter och som kontinuerligt förbrukar en effekt på 50 till 100 mW.

Och så finns X-kondensatorn

Filter för elektromagnetiska störningar för nätspännningar innehåller X- eller Y-kondensatorer för att minimera generering av elektromagnetiska störningar/radiofrekvensstörningar. De är direkt anslutna till växelströmsmatningen mellan fas och nollledare (figur 3).

Figur 3: Filtrering av elektromagnetiska störningar kräver filtrerande X- och Y-kondensatorer för växelströmsmatningen, men X-kondensatorn måste hanteras efter frånkoppling av matningsspänningen för att garantera användarens säkerhet. (Bildkälla: www.topdiode.com)

Säkerhetsföreskrifterna kräver att X-kondensatorn för elektromagnetiska störningsfilter måste laddas ur när växelströmsmatningen kopplas bort för att säkerställa att lagrad spänning och energi inte finns kvar i nätkabeln en angiven stund efter frånkoppling. Den maximalt tillåtna urladdningstiden regleras av industristandarder som t.ex. IEC60950 och IEC60065.

Det traditionella tillvägagångssättet för att säkerställa att den nödvändiga urladdningen sker är att lägga till avledningsresistorer parallellt med X-kondensatorn. Tillvägagångssättet innebär dock en nackdel när det gäller effekt. En bättre lösning är att inkludera en urladdningsfunktion för X-kondensatorn med en tidskonstant som kan ställas in. Kretsar som t.ex. LNK3312D-TL använder detta tillvägagångssätt. Det resulterar i färre komponenter på kretskortet, en kortare materiallista (BOM) och ökad tillförlitlighet.

Nätaggregat och omvandlare behöver flera olika skyddsfunktioner. Alla enheter i produktfamiljen LinkSwitch-TNZ för integrerade kretsar innehåller:

• Mjukstart för att begränsa belastningen på systemkomponenterna vid start
• Automatisk omstart vid kortslutning och fel vid öppen slinga
• Överspänningsskydd för utspänning (OVP)
• Överspänningsskydd för matningsingång
• Övertemperaturskydd med hysteres

Från krets till komplett konstruktion

En krets i sig, hur bra den än är eller hur många funktioner den än har, kan inte vara en komplett, färdig omvandlare för växel-/likström eftersom många komponenter inte kan eller bör integreras i den enheten. Till detta hör bulkfiltrerande kondensatorer, kondensatorer för förbikoppling, induktorer, transformatorer och skyddskomponenter. Behovet av externa komponenter visas i nätaggregat på 6 V, 80 mA med oisolerad universell ingång, med konstantspänning för detektering av nollgenomgång baserat på enheten LNK3302D-TL (figur 4).

Figur 4: Här visas de externa komponenter som krävs för ett komplett och säkert oisolerat nätaggregat för 6 V, 80 mA med konstantspänning för detektering av nollgenomgång baserad på kretsen LNK3302D-TL. (Bildkälla: Power Integrations)

Det finns även säkerhetsrelaterade minimimått för attribut som krypning och frigång. Frågan blir då hur svårt det kan vara att ta fram en komplett konstruktion. Kretssortimentet LinkSwitch-TNZ underlättar uppgiften. Genom att använda en switchningsfrekvens på exempelvis 66 kHz är de magnetkomponenter som krävs standardartiklar hos flera leverantörer. Dessutom tillhandahåller Power Integrations referenskonstruktioner.

För de som behöver en isolerad strömförsörjning är referenskonstruktionen RDK-877 (figur 5) ett isolerat nätaggregat på 6 W för flyback med detektering för nollgenomgång baserad på LNK3306D-TL.

Figur 5: Referenskonstruktionen RDK-877 på 6 W har isolering för en flyback-topologi och är baserad på LNK3306D-TL. (Bildkälla: Power Integrations)

Nätaggregatet har ett inspänningsområde på mellan 90 V_AC och 305 V_AC, en utgång på 12 V vid 500 mA och en strömförbrukning utan last på mindre än 30 mW över hela växelströmsområdet. En effekt på mer än 350 mW är tillgängligt i vänteläge, medan effektiviteten i aktivt läge uppfyller kraven för DOE6 och EC CoC (v5) med mer än 80 % effektivitet vid full belastning av nominella laster. Konstruktionen uppfyller även kraven enligt EN550022 och CISPR-22 klass B för ledningsburna elektromagnetiska störningar.

Sammanfattning

Att konstruera och implementera ett växel-/likströmsaggregat för låga effekter kan verka trivialt. Ändå är det en utmanande uppgift att uppfylla prestanda- och effektivitetsmål, säkerhetskrav och bestämmelser samt krav på kostnader, storlek och tid till marknaden. Switchande kretsar, som de i produktfamiljen LinkSwitch-TNZ från Power Integrations, med kombinerad styrenhet och MOSFET, underlättar uppgiften avsevärt. Kretsarna stödjer olika effektnivåer och kan användas med olika matningstopologier samtidigt som de har viktiga funktioner som t.ex. detektering för nollgenomgång och urladdning av X-kondensatorer.