Компоненты компании IR для выходных выпрямителей ИБП

Электроника, электрика / Не разобранное - электрика
Alexsandrs
2 932
25-09-2015, 14:52
0

В статье пойдет речь о новой микросхеме синхронного выпрямителя которая позволяет не только уменьшить размер печатной платы и отказаться от использования радиаторов но и увеличить КПД источников электропитания аппаратуры или портативных адаптеров.

За последние 30 лет произошли значительные изменения в мировой элементной базе электронных компонентов мировых производителей. Стало возможным выполнять такие сложные устройства как видео аппаратура, компьютеры, телекоммуникационное и сетевое оборудование. С ростом требований к аппаратуре также увеличивалось и потребляемая мощность устройств, что привело к увеличению габаритов и высокой цене блока питания. Современные импульсные источники питания производители строят с использованием ключевых элементов и микросхем управления, которые снижают стоимость источника питания и увеличивают плотность мощности. Многие производители электронного оборудования производят платы совмещающие блок питания и схему устройства. Такое исполнение позволяет собирать компактные и легкие устройства. Ключ к такому увеличению плотности мощности и КПД — внедрение новых поколений драйверов, транзисторов, диодов.

Традиционная схема импульсного блока питания мощностью 200 Вт ис¬пользует топологию с 800 В транзисто¬рами находящимися в первичной цепи и множества ультрабыстрых диодов или диодов на основе эффекта Шоттки в вы¬ходном каскаде блока питания, этот узел обеспечивает выпрямление напря¬жения, а также обеспечение всех потре¬бителей в схеме стабильным питающим напряжением. Как правило, в схемы та¬ких источников питания включают мас¬сивный радиатор и вентилятор для уменьшения температуры разогрева компонентов и отвода тепла через отве¬рстия в корпусе устройства.

{banner_rca-news-1-1}

Достигнутые достижения в разработке полевых транзисторов с улучшенными параметрами расширило их круг применения, например: использование полевых транзисторов с низким значением падения напряжения на переходе сток-исток в корректорах коэффициента мощности. Пики напряжения в ККМ при использовании не быстродействующих транзисторов ранее достигали до 800 В теперь, когда появились новые типы транзисторов, пики снижены до 400 В, а уменьшения площади радиатора связано с низким значением сопротивления открытого канала RDS(ON), что в конечном итоге позволяет получить более низкую стоимость изделия. Полевой полупроводниковый транзистор, выполненный по метал оксидной технологии сейчас производится также с номинально допустимыми напряжениями сток-исток 500 В и 600 В что позволяет их использовать в первичных выпрямительных цепях где напряжение порядка 300 В а ток свыше 50 А.

Рис.1. Архитектура обратно ходового импульсного источника питания с использованием в выходном каскаде диода (а) или полевого транзистора (б)

Применяют полевые транзисторы и в синхронных выпрямителях в качестве замены диодов расположенных в вторичных цепях импульсного преобразователя. Использование синхронного преобразователя в вторичных цепях позволяет собирать блоки питания с использованием более компактных корпусов электронных компонентов и с поверхностным монтажом компонентов. Одно из преимуществ синхронного выпрямителя состоит в замене массивных выпрямительных диодов в выходном каскаде источника питания на МОП ПТ, переключающиеся синхронно с транзисторами, управляющими первичной обмоткой трансформатора. Синхронный выпрямитель, используемый в выходном каскаде, позволяет снизить потери выпрямителя на 40 % по сравнению с выходным выпрямительным каскадом на диодах Шоттки при токе более чем 3 А. Схема выходного выпрямителя импульсного источника питания приведена на рис. 1.

С 2003 года производители электроаппаратуры стали более массово выпускать 120 ватные портативные адаптеры с использованием синхронного выпрямителя в вторичной цепи. Результатом такого шага стало повышение КПД на 1 % и снижение стоимости 1 Вт блока питания на 25 %. Диаграмма, отображающая сравнение этих параметров представлена на рис. 2.

Рис.2. Диаграмма сравнения стоимости и КПД выходного каскада с диодами Шоттки (слева) и полевыми транзисторами (справа)

Как показывает практика применения импульсных блоков питания, оптимальным является выпуск источника питания с использованием синхронного выпрямителя мощностью более 120 Вт.

{banner_rca-news-1-2}

Весной 2006 года компания International Rectifier сделала следующий шаг в создании ШИМ контроллера управления синхронным выпрямителем без использования токового трансформатора в качестве цепи обратной связи — IR1167. Применение данной интегральной схемы позволяет уменьшить потери мощности, увеличить КПД и снизить стоимость системы. Схема синхронного выпрямителя представлена с использованием токового трансформатора и интегральной схемы представлена на рис. 3. Контроллер IR1167 включает в себя мощный драйвер для управления силовым полевым транзистором с модифицированной системой фазовой подстройкой частоты (PLL). Система фазовой подстройки частоты также обеспечивает согласованное управление ключом в зависимости от переключения силового ключа управляющего первичной обмоткой трансформатора. Как и другие контроллеры в данном семействе, IR1176 является автономным устройством и не требует никаких дополнительных связей между первичной и вторичной обмотками. Этот контроллер является упрощенной модификацией известного IR1175 (SSOP-20) который позволяет строить синхронные выпрямители с выходным током до 4 А и в качестве управляющего ключа для увеличения шумовой устойчивости использовать полевые транзисторы. В табл. 1 приведены основные технические параметры ИС IR1167.

Рис.3. Схема синхронного выпрямителя выполненного с использованием токового трансформатора а) и ИС IR1167 б)

Настраиваемые параметры IR1176 включают мертвое время между переключением драйвера ШИМ контроллера по первичной обмотке и временем изменения полярности тока. Разработчику, разрабатывающему данный тип выпрямителей, для расчета элементов достаточно посмотреть документацию и произвести расчет основных элементов схемы. Разработчику останется только сравнить эффективность использования ИС и диодов в качестве синхронного выпрямителя в своем проекте.
Как пример приведем сравнение линейки выпускаемых импульсных блоков питания, производства компании Sony Vaio рис. 4. Компания начала производство новой серии блоков питаний с использованием ИС IR1167.

{banner_rca-news-1-3}
Первые три графика показывают КПД и стоимость схемы использующей в выходном каскаде полевые транзисторы в корпусе ТО-220 различного типа, плюс массивный радиатор. Последний график показывает сравнение параметров перепроектированного выходного каскада использующего полевые транзисторы с поверхностным монтажом в корпусе SO-8 управляемыми ИС без радиатора. ИС выполнена по хорошо себя зарекомендовавшей HVIC технологии, что делает ее совместимой с любыми типами MOSFET транзисторов работающих в диапазоне напряжения сток — исток от 30 В до 200 В. Особенно эффективно работа микросхемы при совместной работе с транзисторами IRF7853, IRFB4110 и IRFB4227 основные параметры транзисторов приведены в таб. 2.

Рис.4. Графики сравнения КПД и стоимости 1Вт импульсного блока питания нового поколения компании Sony Vaio с производимыми блоками ранее

На рис. 5 приведены физические различия между двумя типами синхронных выпрямителей мощностью 120 ватт. Как мы видим, на рисунке слева, блок питания имеет массивный радиатор, большое количество транзисторов в корпусе ТО-220, а также включает выходной фильтр, плата с применением IR1167 имеет компактный размер и увеличенную плотность мощности. Возвращаясь к традиционным схемам импульсных источников питания хочется отметить, что при необходимости получения нескольких питающих напряжений разработчик должен применять импульсный трансформатор с несколькими вторичными обмотками сложной конструкции (см. рис. 6) в качестве выпрямителя на каждой из обмоток. Как правило необходимо устанавливать диоды Шоттки в корпусе ТО-220 (ТО-247) на радиатор включая вентилятор обдува.

Рис.5. Внешний вид плат адаптеров компании Sony Vaio мощностью 120 ватт выпускаемая ранее (а) и нового поколения (б)

Данная архитектура имеет простую схему включения элементов, но обеспечивает низкую плотность мощности, а также высокую стоимость. Как и на примере адаптера компании Sony, повысить эффективность использования блока питания можно, заменив диоды синхронным выпрямителем, а также отказавшись от многообмоточного импульсного трансформатора оставив одну выходную обмотку. Для получения нескольких питающих напряжений рекомендуется воспользоваться понижающими DC-DC конверторами выполненных на ШИМ контролерах компании International Rectifier. Схема выходного каскада такого источника питания приведена на рис. 7.

В качестве синхронных транзисторов можно применить полевые транзисторы в корпусе SO-8 для уменьшения габаритных размеров и экономии места на плате или воспользоваться высокоэффективными транзисторами в корпусе DirectFET. Широкий выходной диапазон напряжения синхронного выпрямителя обеспечивает снижение требований к разбросам параметров компонентов используемых в блоке питания. Тем самым обеспечивает оптимизацию реализации проекта по времени и стоимости. В данном типе конфигурации 12 В выход оптимален для использования в понижающих преобразователях типа точка — нагрузка (POL). В дальнейшем мировые производители контроллеров для синхронных выпрямителей будут идти по пути снижения себестоимости 1 Вт мощности до 0.2 $ и повышения КПД такого преобразователя до 98 %.