Введение
КПД источника питания – должен быть главным фактором, на который надо ориентироваться при проектировании обратноходового импульсного источника питания. Он может включать в себя множество факторов – от размера корпуса, в который помещен источник питания до класса безопасности, которому он соответствует. При разработке источника питания много факторов могут негативно сказаться на итоговом КПД. Это могут быть такие, казалось бы безобидные факторы, как емкость накопительных конденсаторов, геометрия сердечника и конструкции трансформатора, выбор выходного выпрямителя и пр. В данном цикле статей мы постараемся сравнить КПД источника питания на базе микросхем Power Integrations и КПД источников питания на базе других решений, рассмотрим технологии измерения КПД и выработать рекомендации, которые необходимы для создания обратноходового источника питания с максимальным КПД.
Часть 1. Сравнение ИП на базе микросхем TOPSwitch и ИП на базе дискретных элементов.
Для частного случая источника питания КПД, достигаемый с помощью использования микросхем Power Integrations равен или больше КПД ИП на базе ШИМ-контроллера и дискретного MOSFET , даже в случае, если используется MOSFET с Rds ( on ) намного меньше чем у эквивалентного в составе TOPSwitch . Причины этого становятся понятны, когда мы разберем по деталям потери мощности в ИП на базе Power Integrations и ИП на базе дискретных элементов. Для этих целей были замерены потери мощности индустриального серийного источника питания (24 V , 34 W ) с универсальным входным диапазоном при входном напряжении 120 вольт. Этот ИП (см. схему на рис. 1) использует микросхему ШИМ-контроллер 3842 и MOSFET транзистор 600 V , 1.2 ohm , работающий на частоте 76 kHz . Первичная цепь ИП была заменена на TOP 214, при этом трансформатор, выпрямитель и выходные фильтры остались теми же. В результате мы получили схему (см. рис. 2). На этой схеме были также замерены потери мощности. Результаты замеров сведены в таблицу 1.
Рис.1 ИП на базе контроллера 3842.
Рис.2 ИП на базе микросхемы TOP214Y (Power Integrations).
Таблица 1.
|
Тип источника питания |
3842+MOSFET (1.2 ohm, 600V) |
TOPSwitch (3.6 ohm, 700V) |
|
|
Сравнение дискретного ИП с ИП на базе Power Integrations (Vin=120 VAC) |
|||
| Выходная мощность | 34.27 W | 34.21 W | |
| Входная мощность | 39.38 W | 38.63 W | |
| КПД | 87% | 88.6% | |
| Потери мощности | 5.11 W | 4.42 W | |
| Рабочая частота | 76 KHz | 100 KHz | |
|
Распределение потерь мощности |
|||
| Потери при проведении | MOSFET Rds(on) | 0.37 W | 1.07 W |
| Шунт | 0.16 W | - | |
| Потери при переключении | Потери CV2f | 0.43 W | 0.32 W |
| Перекрестные потери | 1.08 W | - | |
| Другие потери | Стартовая цепь | 1-2 W | - |
| ШИМ контроллер | 0.3 W | 0.05 W | |
| Выходной диод | 1.0 W | 0.98 W | |
| Цепь поглощения высоковольтного выброса | 1.2 W | 1.07 W | |
| Другие потери (фильтры, мост, трансформатор и пр.) | 0.54 W | 0.93 W | |
В итоге КПД ИП на базе микросхем TOP 214 немного лучше, чем у аналогичного на дискретных элементах, и это при том, что Rds ( on ) микросхемы TOP 214 на 3.6 ohm в три раза выше, чем у дискретного ключа.
Все потери обоих источников питания можно разделить на 2 большие категории – потери при проведении и потери при переключении. Потери при проведении у дискретного ИП – порядка 0,37 Вт плюс 0,16Вт (обусловлены шунтовым резистором). У схемы на TOPSwitch потери гораздо выше 1.07 W из-за более высокого Rds ( on ). Однако при этом микросхема использует свой внутренний Rds ( on ) и не нуждается во внешнем шунте, соответственно на нем ничего нет падения мощности. Потери на переключение можно разделить на 2 подкатегории – это потери CV 2 f и перекрестные. Потери CV 2 f обусловлены запасанием энергии в паразитных емкостях трансформатора и MOSFET ключа, при этом вся емкость должна быть разряжена в начале каждого рабочего цикла. Перекрестные потери обусловлены конечным временем на переключение MOSFET транзистора. Во время включения и выключения есть короткий промежуток времени, когда происходит перекрытие напряжения и тока в транзисторе. Медленный MOSFET транзистор будет иметь более длинный период перекрытия и соответственно более высокие потери. Потери CV 2 f источника питания на базе TOPSwitch составляют всего 74% от потерь дискретного ИП. Это объясняется работой TOPSwitch на частоте 100 KHz при том, как дискретный ИП работает на 76 KHz . Оба дизайна используют один и тот же трансформатор, поэтому потери CV 2 f обуславливаются меньшей выходной емкостью TOP 214, которая составляет одну десятую от выходной емкости дискретного MOSFET . Перекрестные потери при переключение TOPSwitch очень малы, ими можно пренебречь, когда как перекрестные потери на переключение дискретного ИП составляют 1,08 Вт.
Эта разница получается благодаря низкой выходной емкости внутреннего MOSFET транзистора микросхемы PI , а также малому времени переключения. Суммарные потери TOP 214 составляют 1,39 Вт против 2,04 Вт – дискретного ИП.
Кроме этого источники питания на микросхемах Power Integrations и дискретных элементах отличаются по потреблению энергии стартовой схемой и схемой управления. Эти потери показаны в таблице 1. Потерями схемы на PI можно пренебречь, когда как потери дискретной схемы составляют порядка 30 мВт. Микрсохемы TopSwitch имеют в своем составе стартовую цепь, которая автоматически отключается после старта микросхемы, поэтому, когда микросхема находится в рабочем режиме, стартовая схема не потребляет. Большинство схем на базе 3842+ MOSFET используют резистор, подключенный на высокое напряжение для обеспечения старта схемы. При этом постоянное потребление такого элемента схемы составит 1-2 Вт. Потребление контроллера встроенного в микросхему TOPSwitch намного меньше потребления схемы на 3842 (50 мВт против 300 мВт). Потери в контроллере обусловлены потреблением схемы контроллера, а также мощностью, необходимой для управления MOSFET транзистором. MOSFET микросхемы TOPSwitch – это устройство сделанной по жестким технологическим допускам с малой емкостью затвора, и практически нулевой емкостью Миллера, соответственно для работы с таким транзистором нужна крайне малая мощность. Контроллер TOPSwitch – эта микросхема, выполненная по CMOS технологии, для работы которой нужно 5,7 вольта 2,5 mA при максимальном рабочем цикле и 6,5 mA при минимальном.
Потери на выходном выпрямителе практически одинаковы. Потери на цепи поглощения высоковольтного выброса меньше при использовании TOPSwitch (это объясняется более высокой рабочей частотой). Работа на более высокой частоте обуславливает более низкие пиковые токи в первичной обмотке, меньше запасается паразитной энергии, обусловленной индукцией рассеяния, соответственно это обуславливает меньшие потери в цепи поглощения высоковольтного выброса.
Из выше написанного можно сделать вывод, что КПД источника питания на микросхеме Power Integrations как минимум не меньше, а как максимум больше, чем КПД источника питания на дискретных элементах.
Рекомендации по тому, какие приемы применяются для увеличения КПД на базе микросхем Power Integrations – читайте в следующей статье цикла.
Бандура Геннадий
Макро Групп
www.powerint.ru
