Spínané zdroje s obvody TOPSwitch střída spínání, typy zpětné vazby, ochrany proti překmitům napětí, layout zdroje, PFC

Typické aplikační zapojení transformátor jedno- cestný usměr- ňovač síťový usměr-ňovač 230V 50Hz výstupní LC filtr nabíjecí konden-zátor kondenzátor napájející obvod v době sepnutí vnitřního tranzistoru obvod TOPSwitch, D=drain, S= source, C = control galvnické oddělení optronem pomocné zpětno-vazební vinutí

Vnitřní zapojení obvodů TOPSwitch DRAIN je kolekto-rem tranzistoru. CONTROL je vstup chybového zesilovače a zpětné vazby pro řízení změnou střídy. SOURCE je emitorem tranzistoru. Je společným bodem primárního obvodu i zpětnovazebního napětí a referenčním bodem celého zapojení.

Řízení střídy spínání Oblast proporcionálního řízení od ICTRL = 2,5 mA do ICTRL = 6,5 mA. Malá hodnota proudu do vstupu CTRL (malé na-pětí na napájecím kondenzátoru CCTRL) = malé výstupní napětí UOUT = velká střída D spínání PWM. Velká hodnota proudu do vstupu CTRL (velké napětí na napájecím kondenzátor u CCTRL) = velké výstupní napětí UOUT = malá střída D spínání PWM.

Snížení rušení rozmítáním spínacího kmitočtu Skákající režim: Maximální hodnota střídy je Dmax = 78%, minimální hodnota střídy je Dmin = 38%, při zatížení výstu-pu odpovídajícímu střídě pod 38% TOPSwitch „skočí“ na střídu nula, tedy vypne spínání. Spínací kmitočet 132 kHz je rozmítán (modulován) s kmitočtovým zdvihem ± 4 kHz ze 128 kHz na 136 kHz při opakovacím kmitočtu 250 Hz (T = 4 ms).

Přehled zpětnovazebních technik způsob zavedení stabilita výstupního napětí zpětné vazby hlavní výstup ostatní výstupy poznámka samostatným zpětnovazebním vinutím 10 % horší než každý výstup může být ještě stabilizován lineárním stabilizátorem přes optron se Zenerovou diodou 5 % podmínkou je stabilita Zenerova napětí v celém rozsahu činnosti 2 % přes optron s obvodem TL431 lepší než 10 % lze zavést zpětnou vazbu i z více výstupů a přidělit jim váhové činitele

Zapojení bez zpětné vazby Výstupní napětí stabilizuje parametrický stabilizátor se ZD. ochrana Kondenzátor C3 spojuje výstupní zem s Kelvinovým bodem. Zpětnovazební vinutí není použito jako zdroj, ale jako stínění mezi primárem a sekundárem. Kondenzátor C2 není zvenčí nabíjen = výstupní napětí je „nulové“, střída spínání PWM maximální. Jedno-cestné usměrnění.

Zpětná vazba z pomocného vinutí (bez odporu) Hodí se pro jednodušší aplikace, nízké výkony s horší stabilitou a s výstupním napětím větším než 5V. Pokud ve zpětné vazbě mezi D3 a C5 není vložen odpor, chová se toto pomocné vinutí jako tvrdý zdroj napětí a přesně reaguje na změny hodnoty zatížení jádra transformátoru součtem všech zatížení jednotlivých výstupů. Čím je hodnota vloženého odporu mezi D3 a C5 vyšší, tím se zdroj pomocného napětí více chová jako zdroj proudu a regulace je měkčí. Doporučená hodnota kapacity kondenzátoru C5 je obvykle 47M a odporu desítky Ohmů.

Zpětná vazba z pomocného vinutí (s odporem) Ochrana proti indukovanému přepětí. Odpor určuje citlivost vazby. Zpětná vazba z výstupů (užívá se když jich je více) přes zatížení transformátoru (pokles všech výstupních napětí i zpětnovazebního). Vstupní LC filtr omezující rušení do sítě.

Zpětná vazba z pomocného vinutí (se Zenerovou diodou) Na výstupu stabi-lizátoru s obvodem TOPSwitch je téměř vždy zapo-jen jednocestný usměrňovač (D2) s nabíjecím kondenzátorem (C2) a LC filtrem (L1, C3). Vložení ZD (VR2) do série s odporem R1 zvyšuje přesnost stabilizace zvýšením citlivosti řízení okolo kolena VA charakteriky ZD (před kolenem má ZD velký odpor, za ním malý).

Zpětná vazba s optronem Zapojení s optronem je celá řada, výstupní tranzistor optronu je zapojen standardně, liší se zapojením vstupní LE diody optronu: se sériovým odporem, s odporem a ZD (zde na obrázku), s váhovými odpory více výstupních napětí, s obvodem TL431. Zenerova dioda zlepšuje odezvu zpětné vazby na dynamické zatížení.

Zpětná vazba s optronem a obvodem TL431 R2 zajišťuje dostateč-ný proud obvodem TL431 R1 určuje proud LED optronu R4 + R5 tvoří dělič, určující velikost výstupního napětí C9 filtruje zbytky střídavé složky UOUT = UREF . (R4 + R5) / R5

Neizolovaný síťový zdroj jednodušší transformátor bez pomocného vinutí menší počet součástek možnost připojení výstupní země do Kelvinova bodu nebezpečí dotyku na sekundární straně

Ochrany proti indukovanému napětí (diodové ochrany) Indukované napětí vzniká při rozepnutí interního tranzistoru a jeho polarita je opačná (šipka nahoru – cívka je zdroj) oproti polaritě při sepnutém tranzistoru (šipka dolu – cívka je spotřebič). Indukované napětí ohrožuje svojí velikostí interní tranzistor překročením hodnoty UDSmax. Možná ochrana je zapojením Schottkyho diody v propustném směru (spodní dioda) – velké ztráty teplem v diodě, ale důkladné omezení překmitu napětí. Snížení ztrát povolením překmitu UDS až do hodnot pod napětí UDSmax pomocí zařazení TRANSILU (druh ZD s vysokou tepelnou kapacitou – horní dioda).

Ochrany proti indukovanému napětí (RCD ochrany) Jakmile rozepne interní tranzistor, změní se polarita napětí na primárním vinutí – plus je dole u tečky a mínus nahoře na kladném napájecím vodiči. Přes diodu D1 se začne nabíjet kondenzátor C4 na maximální napětí, dané jeho kapacitou (čím je kapacita menší, tím je napětí na kondenzátoru C4 větší). Primární vinutí transformátoru a kondenzátor C4 jsou vlastně paralelní rezonanční obvod, kterému dioda D1 zabrání v další části kmitání – přelévání elergie z kondenzátoru zpět do cívky. Odpor R3 postupně vybíjí kondenzátor C4 tak, aby byl schopen zachytit překmitovou energii dalšího přepěťového impulzu. UC4 + UF + UIN musí být menší než UDSmax

Pravidla pro rozmístění součástek na plošném spoji   1) TOPSwitch, C1 a T1 musí být velmi blízko sebe při minimalizaci délky jednotlivých spojů a ploch, které tyto smyčky uzavírají. 2) Vývod kolektoru TOPSwitch by měl být spojen velmi krátkým vodičem s vývodem primárního vinutí T1. Vývod SOURCE obvodu TOPSwitch by neměl být spojen s kondenzátorem C1 vodivou cestou, protékanou jinými proudy. 3) Zpětnovazební vinutí transformátoru T1 by mělo být spojeno přímo do svorky SOURCE obvodu TOPSwitch. 4) Kondenzátor C4 by měl být spojený přímo s vývodem SOURCE obvodu TOPSwitch a tímto spojem by neměly protékat žádné jiné proudy jiných součástek. 5) Chladič by měl být buď spojen pouze s obvodem TOPSwitch (jeho křidélkem chladiče) nebo úplně izolovaný od obvodu TOPSwitch i ostatního obvodu. Jestliže je chladič vodivě spojen jinde s nějakým bodem zapojení a izolován od obvodu TOPSwitch, pak kapacita chladicího křidélka obvodu a chladiče může vytvořit s indukčností obvodu rezonanční obvod, způsobující rušivé proudy vysokých kmitočtů, které mohou způsobit vypínání obvodu.

Layout obvodů TOPSwitch d = bezpečná vzdálenost Layout obvodů TOPSwitch ochranný RCD obvod výstupní jedno-cestný usměr-ňovač vstupní nabíjecí konden-zátor drain výstupní konden-zátor Kelvinův bod (společ-ná zem, source) optron vstup CTRL dioda zpětnovazebního vinutí kondenzátor zpětnovazebního vinutí kondenzátor CTRL

Montáž na desce plošného spoje Kelvinův spoj

Kompletní reálné zapojení zdroje Doplňky: pojistka, případně termistor pro měkký rozběh a varistor proti přepětí v síti, dvojitý obousměrný filtr proti rušení, Kelvinovo zapojení vodičů do jednoho bodu, odrušovací kondenzátoryC7, C8, C11 spolu s tlumivkou v zemním vodiči.

Zrychlení rozběhu zdroje TOPSwitch Kelvinův spoj Při malém napětí (pomalu rostoucím při náběhu zdroje) VDC je malý úbytek na R7, tranzistor Q1 je otevřen a zkratuje přes odpor R8 napětí pomocného zdroje s D3 – klesne napětí na C5, klesne ICTRL a zvýší se střída na Dmax.

Preregulátor (frekvenční filtr, PFC) Na kondenzátoru C1 jsou kladné půlsinu-sovky napětí, cívka L1 s vnitřním spínacím tranzis-torem tvoří zvyšující zdroj, dioda D1 usměrňuje půlsinusovky 100 Hz „rozsekané“ kmitoč-tem 100 kHz. 4) Jakmile výstupní napětí na C4 překročí napětí kolena ZD, nabíjí se kondenzátor C2 přes odpor R2 (a přes nízkofrekvenční filtr R3 + C3), 5) proud do vstupu CTRL klesá, klesá i střída spínání obvodu TOPSwitch, do zátěže (a do kondenzátoru C4) se dostává méně energie, 6) výstupní napětí klesá a je tedy stabilizováno. 7) Odebíraný proud je sinusový, účiník je 0,99 a zkreslení vstupního proudu pod 5 %.