32

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

www.elcomdesign.ru

По мере распространения «зеленых» технологий все большее внимание стало уделяться КПД источников питания. Микросхемы управления источниками питания позволяют снизить общую стоимость системы, потери на коммутацию, размеры устройства и помехи. В статье рассма-тривается реализация технологии регулировки в первичной цепи дроссе-ля в схемах зарядного устройства и светодиодного драйвера. Выходной ток и напряжение стабилизируются с помощью опорного сигнала напря-жения с дополнительной обмотки дросселя.

РегулИРованИе в пеРвИчной цепИ обРатноходовых пРеобРазователейШон Чен (Sean Chen), инженер; Эрик ЛЭн (eriC Lan), вице-президент; Лоуренс Лин (LawrenCe Lin), инженер по применению, Fairchild Semiconductor

ВВедениеРынок потребительской электрони-

ки и рынок светодиодных драйверов, в частности, очень быстро развиваются за последние несколько лет. для этих рынков требуются миниатюрные мало-мощные устройства. для регулировки выходного сигнала в этих приложениях применяется обратноходовая тополо-гия и управление с помощью обратной связи в цепи вторичной обмотки.

Этот метод не позволяет уменьшить количество компонентов устройства и его размеры. кроме того, он не обе-спечивает меньшей стоимости. в статье рассматривается новый метод управле-ния — регулировка в цепи первичной обмотки (Primary Side Regulation, PSR), который позволяет сократить расход

энергии, повысить эффективность и уменьшить стоимость источника пита-ния.

большинство источников питания для потребительской электроники и светодиодные драйверы построены на архитектуре обратноходового преоб-разователя с обратной связью в цепи вторичной обмотки на основе фото-резисторов и усилителей сигнала рас-согласования, благодаря чему стабили-зируется напряжение и ток (см. рис. 1). в этой архитектуре основное предназна-чение цепи вторичной обмотки состоит в передаче импульсного сигнала через контур обратной связи в первичную обмотку для модуляции скважности импульсов. благодаря данному методу происходит стабилизация выходного

Рис. 1. В обратноходовом преобразователе используется традиционная схема управления с цепью обрат-ной связи во вторичной обмотке

тока и напряжения на нагрузке при ее изменении.

недостатками такого метода управ-ления является большое число ком-понентов во вторичной цепи, которые занимают дополнительное место на печатной плате, высокая стоимость, а также энергопотребление и расход энергии в режиме ожидания из-за необходимости детектирования сиг-нала обратной связи в этой цепи. Мы рассмотрим преимущества схемы с регулировкой в первичной цепи (PSR). Эта схема управляет выходным током и напряжением на нагрузке с помощью цепи первичной обмотки, исключая необходимость в обратной связи во вторичной обмотке (см. рис. 2).

в частности, в PSR-схеме непо-средственно используется сигнал напряжения, который она получает с дополнительной обмотки первичной цепи дросселя для модуляции скваж-ности импульсов, чтобы стабилизиро-вать выходной ток и напряжение на нагрузке.

ПринциП работы регуЛяторапри традиционной регулировке в

первичной цепи сигнал обратной связи управляется путем измерения напряже-ния (VDDZ) вспомогательного источника питания (см. рис. 3). в этой схеме стаби-лизация напряжения достигается путем сравнения измеренной величины напря-жения обратной связи (VDDZ) с рабо-чим напряжением (VDD) на регуляторе, которое пропорционально выходному напряжению. что касается стабилизации тока, то, поскольку речь идет об обрат-ноходовом преобразователе в режиме прерывистого тока, выходная мощность пропорциональна квадрату максималь-ного тока первичной обмотки.

Максимальный ток достигается путем добавления сигнала компенса-

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

33

Электронные компоненты №8 2011

ции в регулятор (см. рис. 4) и использования входного напря-жения регулятора для управления этим сигналом. однако эффективность такого метода в значительно мере зависит от качества связи между вспомогательной и вторичной обмот-ками, а также конструкции схемы.

как видно из рисунка 2, в рассматриваемой цепи PSR-управления используется сигнал напряжения, который она получает со вспомогательной обмотки в первичной цепи дросселя для регулировки управляющими импульсами (см. рис. 5).

1. как только MOSFET включается [ton] в схеме регулятора PSR, на дросселе устанавливается входное напряжение [VIN], и ток в первичной цепи [iP] увеличивается с 0 до ipk. поскольку энергия со стороны входа накапливается в дросселе при включении MOSFET, максимальный ток (ipk) рассчитывается с помощью уравнения (1):

,

(1)

где LP — индуктивность первичной обмотки; ton — время включения MOSFET.

при запирании MOSFET (отключении первичной обмотки от источника питания) ток через первичную обмотку дросселя уменьшается, наводя на вторичную обмотку Эдс, которая отпирает диод. во время выключения [toff] во вторичной цепи начинает протекать ток, который заря-жает конденсатор и питает нагрузку. в это время выход-ное напряжение и прямое напряжение включения диода индуцируют напряжение на вспомогательной обмотке [VAUX], которое рассчитывается исходя из следующего уравнения (2):

, (2)

где NAUX /NS — отношение напряжения на вспомогатель-ной обмотке к напряжению на вторичной обмотке; VO — выходное напряжение; VF — прямое напряжение включения выходного диода во вторичной обмотке.

2. в процессе индукции цепь выборки в регуляторе пер-вичной цепи определяет опорное напряжение на вспомога-тельной обмотке VAUX, которое в соответствии с уравнением (2) предоставляет информацию о выходном напряжении VO. далее регулятор сравнивает эти данные с внутренним опор-ным напряжением [VREF] и задает управляемое время включе-ния MOSFET для соответствующей стабилизации выходного напряжения.

3. благодаря LC-цепи, сформированной индуктивно-стью дросселя и выходным конденсатором COSS MOSFET-транзистора, при уменьшении тока через выходной диод до нулевого значения напряжение на вспомогательной обмотке испытывает периодические изменения, пока MOSFET снова не включится. постоянная времени спада сигнала [tdis] рас-считывается исходя из цепи выборки, а, как следует из рисунка 3, среднее значение тока выходного диода равно выходному току (IO), величина которого определяется сле-дующим уравнением (3):

, (3)

где ts — время переключения регулятора PSR; Np/Ns — отно-шение числа витков в первичной и во вторичной обмотках,

Рис. 2. PSR-управление в обратноходовом преобразователе

Рис. 3. Цепь управления VDD с помощью обратной связи

34

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

www.elcomdesign.ru

Рис. 5. Временная последовательность сигналов в цепи первичной обмотки

а Rsense — сопротивление датчика в схеме измерения тока в цепи вторичной обмотки

на рисунке 6 показана простая цепь с PSR-регулировкой. в ней напряжение на вспомогательной обмотке опреде-ляется на выводе Vs. значение этого напряжения приближается к выходно-му, когда диод в цепи вторичной обмот-ки вот-вот выключится.

стабилизация напряжения осу-ществляется путем его сравнения с внутренним опорным напряжением регулятора при известной постоян-ной времени спада сигнала во вто-ричной цепи. стабилизация тока достигается путем сравнения напря-жения на резисторе RCS с внутрен-ним опорным напряжением в регу-ляторе при известной постоянной времени спада сигнала в цепи вто-ричной обмотки.

однако данный метод управления не вполне точен. чтобы повысить точ-ность, требуется резистор и конденса-тор в контуре детектирования VCOMV/VCOMI.

Построение схемыРеализация схемы PSR-регули-

рования в устройстве на 5 вт для заряд-ки батарей приведена на рисунке 7. в таблице 1 представлены основные параметры этого устройства. в PSR-регуляторе используется 600-в MOSFET, который позволяет снизить поме-хи между его цепью и проводниками платы. чтобы уменьшить потребление в режиме ожидания, PSR-регулятор про-ектируется с возможностью работы в режиме энергосбережения, в котором ШИМ-частота уменьшается при сниже-нии нагрузки.

в PSR-регуляторе также реализова-на технология скачкообразного изме-нения частоты (в расширенном спек-тре), чтобы снизить электромагнитные помехи и улучшить внутреннюю ком-пенсацию при падении выходного

Рис. 6. Упрощенная реализация PSR-регулирования

Рис. 4. Связь между сигналом VDD и сигналом компенсации

36

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

www.elcomdesign.ru

напряжения, например, на кабеле боль-шой длины.

на рисунках 8 и 9 представле-ны результаты этого эксперимента. Из кривой зависимости выходного напряжения от тока видно, что при использовании коммерческого источ-ника питания переменного тока точ-ность регулировки напряжения может достигать 2,88%, а при обратном напряжении величиной 1,5 в точность регулировки выходного тока состав-ляет 1,75%. более того, этот уровень точности регулировки тока поддер-живается при регулировке VDD в диа-пазоне 5–28 в, а уровень тока остает-ся неизменным, даже если выходное напряжение уменьшается.

Из рисунка 9 видно, что средний кпд может достичь 72,3% при 115 в и 71,5% при 230 в, превышая типовое значение кпд (68,17%), установленное стандартом Energy Star 2.0, Efficiency level V. благодаря скачкообразной перестройке частоты ШИМ уровень электромагнитных помех снижает-ся путем распределения энергии по нескольким модулированным частотам вместо одной частоты.

в светодиодных драйверах систем освещения, как правило, для регули-ровки выходного тока используется схема во вторичной цепи. вообще гово-ря, прямое напряжение светодиода увеличивается с ростом температуры. следовательно, при разработке схемы следует определить обратное напря-жение.

если величину этого напряжения выбрать слишком большой, светодиод не сможет генерировать излучение. таким образом, его следует выбрать исходя из значения прямого напряжения. в нашем

Рис. 7. Схема зарядного устройства на 5 Вт

Таблица 1. Параметры цепи устройства на 5 Вт для зарядки батарей

Входное напряжение 90–264 В AC

Выходное напряжение 5 В

Рабочая частота 42 кГц

Индуктивность дросселя 1,5 мГн

Отношение числа витков (Np/Ns/Na) 135:10:33

Рис. 8. Кривые зависимости выходного напряжения от тока в PSR-регуляторе в 5-Вт зарядном устройстве

Таблица 2. Основные параметры драйвера

Входное напряжение 90–264 В AC

Выходное напряжение 12 В

Рабочая частота 42 кГц

Индуктивность дросселя 1,95 мГн

Отношение числа витков (Np/Ns/Na) 130:22:35

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

37

Электронные компоненты №8 2011

Рис. 9. КПД зарядного устройства на 5 В со схемой PSR-регулировки в зависимости от нагрузки

Рис. 10. Кривые зависимости выходного напряжения от тока в схеме светодиодного драйвера на 4,2 Вт с PSR-регулированием

38

Ис

то

чн

Ик

И п

Ита

нИ

я

www.elcomdesign.ru

Таблица 3. КПД драйвера при изменении входного напряжения

Входное напряжение, В АС КПД, %

90 74,86

115 77,66

230 77,40

264 76,85

случае в PSR-регуляторе используется MOSFET на 600 в, который позволяет уменьшить размеры драйвера.

на рисунке 10 показаны характери-стики цепи светодиодного драйвера

с PSR-регулировкой. в таблице 2 ука-заны основные параметры драйвера. в таблице 3 сравниваются кпд цепи драйвера, работающей при разных входных напряжениях.

ВыВодыописанная технология исключает

необходимость в обратной связи в цепи вторичной обмотки, фототранзисто-ре и токоопределяющих резисторах, которые применяются в традиционных схемах. таким образом, использование PSR-регулятора в зарядных устрой-ствах и светодиодных драйверах явля-ется оптимальным решением, позволя-ющим повысить кпд и снизить общую стоимость изделия.

Литература1. Sean Chen, Eric Lan, and Lawrence Lin.

Implementation of the primary-side regulation in flyback converters//www.eetimes.com.

Рис. 11. Схема светодиодного драйвера на 12 В/0,35 А

События рынка

| ЗаПущен самый мощный российский сПутник сВяЗи | Он обеспечит передачу сигнала цифрового телевидения Дальнему Востоку и позволит начать тестировать спутниковый интернет.

Ракета-носитель «Протон-М» стартовала с Байконура, неся самый мощный на сегодняшний день российский спутник связи «Экспресс-АМ4», передает РИА «Новости».

По словам главы Минкомсвязи Игоря Щеголева, спутник предназначен для предоставления широкого спектра теле-коммуникационных услуг, но особенно важным является то, что он будет обеспечивать передачу сигнала цифрового телевидения на дальневосточные регионы, а также позволит начать тестирование проекта оказания услуг спутникового интернета.

На спутнике, который весит 5755 кг, установлены транспондеры, которые обеспечат устойчивое покрытие всей терри-тории России и стран СНГ.

«Экспресс-АМ4» создан Центром имени Хруничева совместно с европейской компанией EADS Astrium на базе хорошо зарекомендовавшей себя спутниковой платформы Eurostar, которая используется в т.ч. такими популярными операторами как Hot Bird и Eutelsat.

Гарантированный срок активного существования «Экспресс-АМ4» составляет 15 лет.В ближайшие годы планируется запуск еще нескольких российских спутников телевизионного вещания. В 2009 г. пра-

вительство выделило 12 млрд руб. на развитие группировки многофункциональных спутников.

www.elcomdesign.ru