SMPS: Asymetrické izolované měniče

Předchozí článek našeho seriálu o spínané napájecí zdroje (SMPS) neizolované topologie měničů. Nyní budeme zkoumat izolované měniče, počínaje asymetrický převodník topologie.

Přehled izolovaných převodníků

Izolované topologie ve spínaných zdrojích používají vysokofrekvenční transformátor jako izolátor mezi spínacím prvkem a výstupem. V závislosti na poměru závitů transformátoru může být výstupní napětí vyšší nebo nižší než vstupní. Topologie SMPS založené na transformátoru mohou být navrženy tak, aby generovaly více výstupních napětí pomocí více vinutí.

Izolované měniče se dělí na dvě hlavní kategorie, tzv. asymetrické a symetrické měniče, podle způsobu využití transformátoru.

Na adrese asymetrické měniče magnetický pracovní bod transformátoru je vždy v jednom kvadrantu. Jádro se musí při každém spínacím cyklu resetovat, aby nedošlo k jeho nasycení, což znamená, že se vždy využije pouze polovina využitelného toku. Měniče typu Flyback a dopředné měniče jsou asymetrické měniče.

Křivka B-H jasně ukazuje, že flyback měnič pracuje s nižší permeabilitou (B/H) a nižší indukčností než ostatní topologie. Vzhledem k tomu, že flyback transformátor je vlastně spřažená indukční cívka, která ukládá veškerou energii před tím, než ji pošle do zátěže, je k uložení této energie a zabránění nasycení jádra nutná vzduchová mezera. Vzduchová mezera má za následek snížení celkové permeability jádra. Všechny ostatní měniče mají skutečnou transformátorovou činnost a v ideálním případě neukládají žádnou energii, proto není vzduchová mezera potřeba.

Symetrické měniče vyžaduje sudý počet spínačů a využívá se plný dostupný výkyv toku v obou kvadrantech smyčky B-H, čímž se jádro využívá mnohem efektivněji. Proto může produkovat větší výkon než asymetrické měniče. Push-pull, polomůstkové a celomůstkové měniče jsou všechny symetrické měniče.

Asymetrické převodníky

Převodník Flyback

Zpětnovazební měnič (FBT) se také nazývá izolovaný měnič. buck-boost a používá se pro konverzi AC-DC a DC-DC s galvanickým oddělením mezi vstupem a výstupem. Flyback měniče zajišťují izolaci pomocí transformátoru, který funguje jako akumulační cívka. Transformátor nejenže zajišťuje izolaci, ale změnou poměru závitů lze nastavit výstupní napětí a je možné použít více výstupů.

Flyback měniče jsou široce používány pro aplikace s nízkým výkonem do 150 W a mohou být navrženy i pro vyšší výstupní napětí až do 400 V při nízkém výstupním výkonu (15-20 W).

Hlavními součástmi zpětnovazebního měniče jsou horní spínač, oscilační obvod, transformátor, dioda a kondenzátor. Transformátor flyback pracuje jinak než běžný transformátor, protože primární a sekundární vedení neprobíhá současně.

Princip flyback konvertoru je založen na ukládání energie v induktoru během T_{na adrese} a vybíjení energie do zátěže v průběhu doby T_mimo období.

Po otočení spínače NA, primární vinutí transformátoru je připojeno přímo ke vstupu a jeho tečka se stává kladnou vzhledem k netečce. Napětí indukované v sekundárním vinutí je záporné, dioda je reverzně zkreslená (zablokovaná), takže transformátor se chová jako induktor. Primární proud a magnetický tok v transformátoru se zvětšují a ukládají energii. Během T_{na adrese} výstupní kondenzátor dodává energii do zátěže. Hodnota výstupního kondenzátoru by tedy měla být dostatečně velká, aby dodávala proud do zátěže po dobu, po kterou je zátěž v provozu. T_{na adrese}, s maximální stanovenou odchylkou výstupního napětí.

Po otočení spínače OFF, sekundární napětí se v důsledku kolabujícího magnetického pole obrací, výstupní usměrňovací dioda D1 se stane dopředně vychýleným a energie uložená v jádře transformátoru dobíjí kondenzátor a napájí zátěž.

Na konci NA období, kdy je spínač otočen VYPNUTO, neexistuje žádná proudová cesta, která by odváděla energii uloženou v magnetickém jádře zpětného transformátoru. Existuje mnoho způsobů, jak tuto unikající energii rozptýlit, včetně provedení s jedním spínačem a snubberem a topologie se dvěma spínači.

Jednospínačová implementace je účinná, avšak vyžaduje konstrukci snubberu nebo rezonanční přístup k zachycení napěťových špiček generovaných svodovou indukčností transformátoru. Dvouspínačová topologie aktivně omezuje napěťové špičky, ale zvyšuje složitost obvodu.

Magnetizace nahromaděné energie ve Flyback transformátoru:

Kde EP = Joule IPK = Ampér a LM = Henries

V_ven/V_{na adrese} Vztah

V_{na adrese} > V_ven nebo V_{na adrese} < V_ven

Rozsah pracovního cyklu = 0 až < 0,5

Vzduchová mezera

Aby bylo možné získat dostatečně vysokou akumulovanou energii, musí být primární indukčnost výrazně nižší, než je požadováno pro skutečný transformátor, a je zapotřebí vysoký špičkový proud. Toho se obvykle dosahuje “mezerováním” jádra. Mezera sníží indukčnost a většina vysoké špičkové energie je pak uložena v mezeře jádra, čímž se zabrání jeho nasycení. Vzduchová mezera nemění hodnotu hustoty toku nasycení (BSAT) materiálu jádra; zvyšuje však intenzitu magnetického pole, H, k dosažení nasycení a snižuje zbytkovou hustotu toku BR.

Provozní režimy

Zpětnovazební měnič má dva provozní režimy v závislosti na tom, zda je primární indukčnost transformátoru zcela demagnetizovaná, nebo ne.

Na adrese přerušovaný režim, sekundární proud klesne v každé spínací periodě na nulu a veškerá energie je zcela dodána do zátěže před dalším cyklem, přičemž mezi okamžikem, kdy sekundární proud dosáhne nuly, a začátkem dalšího cyklu je také mrtvý čas. Tomu se říká trojúhelníkový provoz.

Na adrese nepřetržitý režim, není energie uložená v induktoru zcela přenesena do výstupního kondenzátoru a zátěže dříve, než nastane další nabíjecí perioda. Tomu se říká lichoběžníkový provoz. Hlavní výhodou spojitého režimu je, že špičkové proudy protékající při stejném výstupním výkonu jsou jen poloviční než při nespojitém, a proto je možné nižší zvlnění výstupu. Velikost jádra je však u spojitého režimu přibližně 2 až 4krát větší, aby se dosáhlo zvýšené indukčnosti potřebné ke snížení špičkových proudů a dosažení spojitosti.

Výhody

• Zpětný transformátor je ve skutečnosti akumulační cívka, proto není potřeba žádná samostatná cívka. Jednoduché zapojení a nejnižší počet součástek činí z flyback topologie cenově výhodnou a oblíbenou topologii.
• Snadno se přizpůsobí více výstupům

Nevýhody

• Velký výstupní kondenzátor potřebný ke snížení zvlnění proudu
• Vysoký požadavek na izolaci může omezit těsné propojení primárního a sekundárního vinutí.
• Vysoké ztráty vířivými proudy v oblasti vzduchové mezery
• Úvahy o EMI
• Špatné využití transformátoru, protože je jednostranný

Aplikace

• spínané zdroje s nízkou spotřebou (nabíječka mobilních telefonů, pohotovostní napájení v počítačích).
• Nízkonákladové zdroje s více výstupy (např. hlavní zdroje pro PC <200 W)
• Vysokonapěťové napájení pro CRT v televizorech a monitorech
• Výroba vysokého napětí (např. pro xenonové výbojky, lasery, kopírky atd.)
• Izolovaný ovladač hradla

Převodník dopředu

Předřadný měnič je v podstatě měnič se zpožděním, který používá jednosměrný pulzní transformátor k zajištění galvanického oddělení zátěže a k zajištění funkce snižování napětí (AC-DC a DC-DC).

Přímý měnič je v porovnání s flyback obvodem obecně energeticky účinnější a používá se pro aplikace vyžadující jen o málo vyšší výkon (v rozmezí 100 W až 250 W). Topologie obvodu, zejména výstupní filtrační obvod, však není tak jednoduchá jako u flyback měniče.

Na rozdíl od flybacku má přímý měnič skutečný transformátorový účinek (který je založen na transformátoru se stejnou polaritou vinutí, vyšší magnetizační indukčností a bez vzduchové mezery) a neukládá energii během doby vedení spínacího prvku. Je to proto, že transformátory s nezapojeným jádrem nemohou ukládat významné množství energie jako induktory. Místo toho je energie předávána přímo na výstup dopředného měniče působením transformátoru během fáze vedení spínacího prvku. Výstupní napětí je určeno vstupním napětím, poměrem otáček transformátoru a pracovním cyklem. Energie se ukládá ve výstupním stupni měniče v induktoru a kondenzátoru. Výstupní induktor snižuje zvlnění proudů ve výstupním kondenzátoru a objem transformátoru závisí na spínací frekvenci a ztrátovém výkonu.

Když je přepínač NA, energie se přenáší do zátěže a ukládá se do Lo prostřednictvím D₁ a transformátor.

Když je přepínač OFF, energie uložená v Lo se přenáší na zátěž prostřednictvím D₂. Dioda D₁ zůstává během tohoto režimu vypnutá a izoluje výstupní část obvodu od transformátoru a vstupu.

V_ven/V_{na adrese} Vztah

Rozsah pracovního cyklu = 0 až < 0,5

Na konci NA období, kdy je spínač otočen OFF, neexistuje žádná proudová cesta, která by rozptýlila energii uloženou v magnetickém jádře. Kdykoli je jádro poháněno jednosměrně (proud je veden pouze jedním směrem do primáru), musí být jádro resetováno. Jádro transformátoru bylo zmagnetizováno magnetizačním proudem. Remanence materiálu jádra by způsobila, že by se jádro během několika spínacích cyklů nasytilo, proto se musí po každé spínací periodě odmagnetovat. K tomuto účelu byly použity různé techniky, např:

• Jeden spínač s nulovacím vinutím
• Dva přepínače vpřed
• Aktivní svorka vpřed

Jeden spínač s resetovacím vinutím

Nejjednodušší možností je jeden spínač s vinutím Reset. Při této metodě indukuje tok uložený v magnetickém jádře záporné napětí na bodovém konci vinutí NR, které předpíná diodu. D₃ a resetuje magnetizační energii uloženou v jádře. Proto se vinutí NR nazývá resetování navíjení. Obnovení magnetizačního proudu během vypnutého stavu je důležité, aby se zabránilo saturaci.

Resetovací vinutí je navinuto bifilárně s primárním vinutím, aby byla zajištěna dobrá vazba a minimalizována svodová indukčnost, a obvykle má stejný počet závitů jako primární vinutí. (Průřez vodičů nulovacího vinutí může být velmi malý, protože musí vést pouze malý magnetizační proud.) Doba, za kterou energie magnetizace klesne na nulu, je tedy stejná jako doba zapnutí spínače. To znamená, že maximální teoretický pracovní poměr přímého měniče je 0,5 a po započtení spínacích zpoždění klesne na 0,45. Maximální blokovací napětí, které spínač uvidí, bude více než dvojnásobek vstupního napětí v důsledku nelinearity součástek a svodové indukčnosti transformátoru.

Díky neúplnému využití magnetů, omezení maximálního pracovního cyklu a vysokému napěťovému namáhání spínače je přímý měnič realizovatelný pro výstupní výkon až 150 W. Díky nepulzujícímu výstupnímu indukčnímu proudu je přímý měnič vhodný pro aplikace zahrnující velmi vysoký zatěžovací proud (> 15 A). Přítomnost výstupní cívky omezuje použití přímého měniče v aplikaci s vysokým výstupním napětím (> 30 V), která vyžaduje rozměrnou cívku proti vysokému výstupnímu napětí.

Dva přepínače vpřed

Aby se zabránilo použití spínačů s vyšším napětím, lze použít metodu demagnetizace jádra se dvěma spínači. Napětí na spínači je opět upnuto na hodnotu V_{na adrese}, což umožňuje použití rychlejších a účinnějších zařízení 400 V nebo 500 V pro síťové aplikace 220 V. Resetování magnetizace je dosaženo prostřednictvím dvou svorkových diod, což umožňuje odstranění resetovacího vinutí.

Verze se dvěma přepínači je oblíbená pro off-line aplikace. Poskytuje vyšší výstupní výkon (150 W až 350 W) a rychlejší spínací frekvence. Nevýhodou jsou opět dodatečné náklady na vyšší počet součástek a potřeba izolovaného pohonu pro přepínač vysokého napětí.

Aktivní svorka vpřed

Další možnosti demagnetizace pomocí přímého měniče s aktivním upínáním. U měniče s aktivním upínáním vpřed generuje kondenzátor na transformátoru vyšší záporné napětí, takže demagnetizace je dosaženo v kratším čase. To znamená, že jsou možné pracovní cykly vyšší než 50%.

Přidání aktivní svorky má řadu výhod. Již není potřeba resetovací vinutí transformátoru a napětí na spínači S₁ vrcholí v V_{na adrese} a ne 2 × V_{na adrese}. Celková účinnost je vyšší, protože odpadají diodové ztráty a spínačem protéká pouze demagnetizační proud. S₂.

Nevýhodou aktivní svorky je, že je třeba generovat druhý PWM signál a spínat jej. S₂ potřebuje ovladač na straně vysokého napětí. Existuje však mnoho integrovaných obvodů řídicích jednotek, které mají potřebné časovací obvody a ovladače na vysoké straně integrovány uvnitř. Svorkový kondenzátor C_svorka má vysoký zvlněný proud, takže je třeba dbát na to, aby se nepřehříval.

Výhody

• Vysoký výkonový rozsah ve srovnání s flybackem
• Lepší využití transformátoru
• Nižší špičkový proud
• Nízké zvlnění proudu (malý výstupní kondenzátor)
• Je možné použít více výstupů
• Relativně jednoduchý obvod se středním počtem součástek

Nevýhody

• Náklady se zvyšují kvůli přídavné výstupní cívce a volnoběžné diodě.
• Vyšší počet součástek, zejména u více regulovaných výstupů.
• Požadavek na vysoké napětí pro horní spínač
• Potřeba velké výstupní cívky

Aplikace

• Napájecí zdroj ATX
• Adaptéry střídavého proudu
• Solární systém
• Osobní počítač

Příští článek našeho seriálu o SMPS se bude zabývat druhou hlavní skupinou izolovaných topologií: symetrické izolované měniče.