CC BY
80Преобразователи напряжения с
TOPSwitch Power Integrations
Ми»
»сменной
Олег Воробьев
Владимир Ксссеиих,
К. Т. н.
На фоне успехов миниатюризации цифровых и аналоговых устройств преобразования сигналов миниатюризация источников вторичного электропитания (ИВЭП) замет* но отстает. Объем ИВЭП часто сопоставим с объемом остальной аппаратуры. При этом не менее 20 % всех отказов приходится на долю блоков питания. Поэтому у разработчиков все больший интерес вызывают импульсные ИВЭП.
Основными недостатками ИВЭП с линейными стабилизаторами, заставившими разработчиков обратиться к импульсным ИВЭП, является низкий КПД (30-50%) и проблема отвода тепла при условии обеспечения высокой удельной мощности. Габариты ИВЭП с линейными стабилизаторами в значительной мере определяются габаритами устройств охлаждения (радиаторов, вентиляторов и т. д.), а также низкочастотных реактивных элементов. Объем, занимаемый такими ИВЭП в общем составе аппаратуры, достигает 50-60%. причем повысить их КПД и уменьшить за счет этого габариты принципиально невозможно. Импульсные же ИВЭП не нуждаются в громоздких реактивных элементах и устройствах охлаждения, так как имеют повышенную частоту преобразования (50-100 кГц) и высокий КПД (80-90%).
О компании Power Integrations
Корпорация Power Integrations, один из нынешних лидеров мировой знергетической электроники, была основана в 1988 году. Ученым корпорации удалось осуществить прорыв в полупроводниковой индустрии — разработать уникальную технологию, позволяющую интегрировать в одной микросхеме высоковольтный (1200 В) полевой МОП-транзистор и стандартные (5 В) КМОП и биполярные транзисторы. Это новшество, н свою очередь, послужило основой для разработки технологии TOPSwitch, которая стала высшим достижением Power Integrations в производстве преобразователей напряжения.
Что же представляет собой интегральная схема семейства TOPSwitch? По сути, это многофункциональное устройство управления, которое включается в цепь обратной связи преобразователя напряжения. Оно производит импульсную модуляцию входного напряжении, стабилизирует выходное, осуществляет защиту от температурного перегрева и перенапряжения на выходе, повторный запуск и т. д. Устройство конструктивно выполнено в грехвыводном корпусе Т0-220 и содержит в себе высоковольтный полевой МОП-
транзистор (M0SFET). драйвер для управления M0SFET, контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ), генератор 100 кГц. схемы защиты и другие модули, обеспечивающие эффективную работу импульсного источника питания.
Благодаря TOPSwitch технологии Power Integrations смогла к 1997 году увеличить в 30 раз по сравнению с 1989 годом удельную мощность своих источников питания. При этом себестоимость. количество компонентов, размеры и вес неуклонно снижались, а КПД возрастал.
Принцип действия TOPSwitch-микросхем
Рассмотрим коротко принцип действия импульсных стабилизаторов. Применение транзисторов в режиме переключения (Switch-режиме) позволяет при значительной разнице в уровнях напряжения питания и напряжения на нагрузке получить КПД преобразования, близкий к единице. Если источник постоянного тока подключать к нагрузке с помощью периодически замыкаемого и размыкаемого ключа, то среднее значение напряжения на нагрузке составит
г3“
UH»1/T 4<(t) Rh dt,
где 3U — длительность замкнутого состояния ключа; Т — период коммутации; i (t) — текущее значение тока.
При индуктивном характере нагрузки ключа, шунтированной диодом, такое устройство можно рассматривать как автотрансформатор постоянного тока. Если параллельно нагрузке подключить конденсатор достаточно большой емкости, то переменная составляющая тока будет замыкаться через него, а пульсации напряжения на нагрузке будут незначительны.
Этот принцип можно реализовать с помощью нескольких вариантов построения схем преобразователей. Наибольшее рассмотрение получили:
• понижающий преобразователь (Buck Converter), рис. 1;
• повышающий преобразователь (Boost Converter), рис. 2;
• прямоходовой преобразователь (Forward Converter), рис. 3;
• обратноходовой преобразователь (Flyback Converter), рис. 4.
Понижающий преобразователь (см. рис. 1) используется для пошагового снижения напряжения на нагрузке. Так как ключевой транзистор включен
следовательно с источником питания, требу-:я повышенный уровень коммутирующих им-1ьсов. В преобразователе на рис. 2 ключе-Г« транзистор подсоединен параллельно к гочнику питания. Этот преобразователь при-няется для пошагового увеличения напря-ния на нагрузке. Достоинством лих двух гм является простота, недостатками — огра-ченность функций и отсутствие развязки жду входным и выходным напряжениями.
В прямоходовом преобразователе (см. с. 3) развязка «вход-выход» обеспечивает-за счет использования импульсного транслятора. Вид выходного напряжения — од-| или несколько, положительное или отрица-пьное. повышенное или пониженное — оп-деляется конструкцией трансформатора. Та-я схема может обеспечить выходную мощ-иль от 100 до 300 Вт. При этом для каждого «одного напряжения требуются своя вто-иная обмотка трансформатора и выпрями-яьные диоды. Необходима также дополни-льная изоляция цепи обратной связи. Наиболее совершенной является схема об-гтноходового преобразователя (Flyback inverter), приведенная на рис. 4. Подобно рямоходовому преобразователю. Flyback име-г трансформаторную развязку «вход-выход» может формировать несколько разнополяр-ь»х напряжений. Основным преимуществом yback по сравнению с Forward является при-енение остроумной комбинации трансформа-зра и дросселя, выполненной в виде единого омпонента, который служит одновременно
»блица 1. Технические характеристики ТОР!
для накопления энергии, трансформации напряжений и гальванической развязки. Поэтому Flyback содержит меньше деталей и обладает большей чувствительностью регулировки по цепи обратной связи. Flyback-топология сохраняет эти преимущества при уровнях мощности до 100 Вт или выходных токов не свыше 10 А. Таким образом, все рассмотренные схемы могут найти применение в зависимости от специфики решаемой задачи, квалификации или личных пристрастий разработчика.
Параметры TOPSwitch-микросхем
Основные технические параметры наиболее популярных микросхем TOPSwitch и их последней модификации TOPSwitch-ll представлены в таблицах 1 и 2.
В семействе TOPSwitch применяются опорное напряжение 5,8 В, частота коммутации 100 кГц. управление по напряжению, диапазон рабочих температур -40... *125 С.
Заключение
Ведущие электронные компании по достоинству оценили новизну инженерных решений, компактность, надежность, высокую эффективность и низкую стоимость компонентов, производимых ft>wer Integrations. Такие гиганты бытовой и индустриальной электроники, как Apple, AT&T. Daewoo, Hewlett Packard. IBM. Motorola, Siemens, Sony и многие другие, охотно используют в своих изделиях продукцию Power Integrations.
Рис. 1. Понижающий преобразователь
Рис. 2. Повышающий преобразователь
:
-jcowTwot
WTTH іЗСЧАТЮК I
Рис. 3. Прямоходовой преобразователь
Однако Power Integrations не довольствуется достигнутым, уверенно набирает обороты и смело смотрит в будущее.
Ірибор Выходная мощность, Вт
Обратноходовой преобразователь Повышающий преобразователь
100/П0В |AQ 230В (AQ 48 В или 110В (АС) с (DQ удвоением 85 265В (АС| МОВ IAQ 230/227В (АС) Корлус Описание
bP)00T~' 0 20 - 0 6.8 0 30 ТО-220/3 Питание от сети постоянного тока
DPIOII 15.-35 6 12 25 50 ТО-220/3 Коэффициент заполнение до 70 %
DPI021 20...45 - 8.5 17 35 /0 ТО-220/3 Вороснньй MOSFET до 350 В
Ьріозі 25.55 - 1L.22 45 90 ТО-220/3 Требуется только одна внешняя
Op 1041 30 60 ~ 12 25 55 110 ТО-220/3 емкость. Автоматический перезапуск
лоаикловоо отраничение тока применяются в повышающих, понижающих, прямоходовых и обратноходовых преобразователя*
>Р200» _ 0,25 0,-12.. — 0 .25 10-220, 3 Тоже плюс КПД до 90%
— 20 45 10 22 — 20 50 ТО-220/3
OP2021 — 30 .60 15 30 — 30 75 ТО-220/3 Встроенный MOSFET до 700 В
ÜP2031 — ТО - 20 35 — 50 100 ТО-220/3
JP2U1 — 50 85 - 25.42 - 60 125 ТО-220/3
5P3041 — 60.. 100 30 50 — 75 150 ТО-220/3
DP209P/G — 0 4 0 .2 — _ DIP-8 SO-8 Тоже плюс
DP210P/G 0 8 0..І DIP-8 SO-8 Режим понижения энорголотреблени КПД до 80% Встроенный MOSFET до 700 В
рблица 2. Технические параметры TOPSwitch-II
оибоо
r'wvr
5P221Y JP/G
У772P/G PP223Y DP223P/G •24Y I24P/G BP22SY ¿P226Y DP227Y
Выходная мощность, Вт
10/115/230 В (ACh-15% 85/265 В &AQ Корпус Описание
12 7 ТО-220/3 Трехвыподной ШИМ-ключ с питонием от сети переменного тою Встроенная система запуска
~9~ W~ DIP-8 SO-8
25 15 Ю-220/3 Ограничение тока
J5 _10_ DIP-8 SO-8 Зашита от перегрузок по току и от перегрева
50 30 ТО-220/3 Диапазон рабочих темперотур -40 .., +125 'С
25 15 DIP-8 SO-8 КПД-до 90%
75 45 ТО-220/3 Применим в обратноходовых, првмоходовых.
30 20 DIP 8 SO-8 повышающих и понижающих преобразователях
100 60 ТО-220/3
125 75 Ю-220/3
150 90 ТО-220/3
FEEDBACK
Рис. 4. Обратноходовой преобразователь
