Bruk avanserte switching-IC-er til å implementere virkningsfulle, funksjonsrike AC–DC-strømforsyninger med lavt strømforbruk

AC–DC-strømforsyninger med lav effekt, ca. 10 W eller mindre, brukes ofte i dimmere, brytere, sensorer, apparater, tingenes Internett (IoT) og industristyringer. Driftssyklusen til disse er relativt lav, der lasten er i standby-modus over lange perioder. Strømforsyningen må imidlertid være i stand til å «våkne opp» raskt når enheten aktiveres.

Konstruksjon av slike forsyninger er i teorien enkelt: Start med noen få dioder for linjelikeretting, legg til en styrings-IC, plasser filterkondensatorer på utgangen og sett inn en transformator hvis isolasjon er nødvendig – og det er det. Til tross for den tilsynelatende enkelheten, varierer imidlertid realiteten betydelig når disse forsyningene skal produseres.

De må tilby den grunnleggende funksjonen for å levere en stabil DC-utgangsskinne og oppfylle flere strenge regulatoriske mandater for brukersikkerhet, virkningsgrad under belastning og standby-virkningsgrad. I tillegg er det utfordringer knyttet til fysisk layout, støttekomponenter, pålitelighet, ytelsesevaluering, sertifisering og innkapslinger som konstruktører må ta hensyn til, siden de også jobber for å minimere den fysiske størrelsen og kostnadene. Samtidig må de også oppfylle tidskrav når det gjelder å få det endelige produktet ut på markedet.

Denne artikkelen introduserer en familie av svært integrerte styrings-IC-er for offline switching fra Power Integrations, og den viser hvordan disse kan brukes til å takle disse utfordringene.

Integrert MOSFET og styrings-IC

LinkSwitch-TNZ-familien med åtte forskjellige styring-IC-er for offline switching fra Power Integrations, kombinerer en 725-volts effekt-MOSFET-switch med en strømforsyningsstyring i én enkelt enhet i en SO-8C-kapsling. Hver monolittiske IC har utmerket motstandsdyktighet mot overspenning, en oscillator, en høyspent ikke-lineær strømkilde for selvforspenning, frekvensjitter, en rask (syklus-for-syklus) strømgrense, termisk avstengning med hysterese og beskyttelseskretser for overspenning på utgang og inngang.

Enhetene kan danne kjernen i en uisolert sammenstilling, for eksempel buck-omformerkonstruksjonen (figur 1) ved å bruke LNK3306D-TL med en utgangsstrøm på 225 mA eller 360 mA, avhengig av den valgte konduksjonsmodusen. De kan også konfigureres som uisolerte buck-boost-strømforsyninger, som leverer opptil 575 mA utgangsstrøm.

Figur 1: Denne typiske uisolerte buck-omformerkonstruksjonen som bruker et LinkSwitch-familiemedlem, er bare én av mange mulige topologier som kan implementeres ved å bruke disse enhetene. (Bildekilde: Power Integrations)

Selv om laster som er dobbeltisolerte eller på annen måte beskyttet mot AC-linjefeil ikke trenger galvanisk isolasjon, krever noen enheter det. I en slik situasjon er det bedre å bruke LinkSwitch-TNZ-enhetene i en isolert tilbakeløpskonstruksjon med universalinngang. Enhetene tilbyr en utgangseffekt på opptil 12 W i denne topologien.

IC-ene i LinkSwitch-TNZ-familien tilbyr forskjellige utgangsstrømmer og effektkapasiteter, avhengig av topologi (tabell 1).

Tabell 1: LinkSwitch-TNZ-familien støtter flere konfigurasjoner, topologier og driftsmoduser. Hver sammenstilling har en forskjellig maksimal utgangsstrøm eller effektgrense. (Bildekilde: Power Integrations)

Fra konsept til implementering

De mange integrasjons- og fleksibilitetsmulighetene til LinkSwitch-TNZ-familien forenkler oppgaven til konstruktører. Her er noen av de mange utfordringene forbundet med å utvikle en sertifisert, transportabel strømforsyningskonstruksjon:

1. Strengere pålagte krav knyttet til virkningsgrad og sikkerhet. Disse kravene vanskeliggjøres ytterligere av behovet for å forsyne strøm i standby-modus, samtidig som de må oppfylle strenge forskrifter forbundet med virkningsgrad for standby-strøm. LinkSwitch-TNZ IC-er gir klassens beste virkningsgrad ved lette laster, noe som gjør at flere systemfunksjoner kan drives, samtidig som de oppfyller standby-forskrifter som omfatter:
   • EU-kommisjonens (EC – European Commission) standard for husholdningsapparater (1275), som krever at utstyret ikke bruker mer enn 0,5 W i standby- eller av-modus
   • Energy Star versjon 1.1 for Smart Home Energy Management Systems (SHEMS), som begrenser standby-forbruket til styringsenheter for smartbelysning til 0,5 W
   • Kinas GB24849, som begrenser strømforbruket i mikrobølgeovner til 0,5 W når de ikke er i aktiv bruk

Selv om disse kravene oppfylles, reduserer LinkSwitch-TNZ IC-ene også komponentantallet med 40 % eller mer sammenlignet med frittstående konstruksjoner. Disse ikke-lineære strømforsyningskretsene muliggjør ±3 % regulering på tvers av linje og last, har et strømforbruk ved null-last på mindre enn 30 mW med ekstern forspenning og har en IC-standby-strøm på mindre enn 100 µA.

2. Sikker støtte for AC-linjetilkoblinger med to-leder uten noen nøytral ledning og tilkoblinger med tre-leder. Mange laster, for eksempel dimmere, brytere og sensorer, har ikke denne tredje ledningen, så det er fare for overdreven og potensielt farlig lekkasjestrøm. Standarden definerer den maksimale lekkasjestrømmen under forskjellige omstendigheter, og LinkSwitch-TNZ-lekkasjen under 150 µA i ikke-nøytrale konstruksjoner med to-leder, er under dette maksimumet.
3. Ikke overstige utstrålingsgrensene for elektromagnetisk interferens (EMI). For å oppfylle dette målet, bruker LinkSwitch-TNZ-oscillatoren en teknikk som kalles spredt spektrum, som introduserer en liten mengde frekvensjitter på 4 kilohertz (kHz) rundt den nominelle switchingfrekvensen på 66 kHz (figur 2). Modulasjonsfrekvensen til frekvensjitteren er satt til 1 kHz for å optimalisere EMI-reduksjon for både gjennomsnittlig utstråling og kvasitopp-utstråling (quasi-peak emission).

Figur 2: For å holde EMI-utstråling under den forskriftsmessige grensen, bruker LinkSwitch-TNZ-oscillatoren en teknikk som kalles spredt spektrum, som har en spredning på 4 kHz rundt den nominelle switchingfrekvensen på 66 kHz. (Bildekilde: Power Integrations)

4. Detektere nullgjennomgang (zero-crossing) på AC-linjen (vekselstrømslinjen) med et minimalt antall tilleggskomponenter eller minimalt strømforbruk. Denne deteksjonen er nødvendig for lysbrytere, dimmere, sensorer og plugger, som kobler til og fra AC-linjen med jevne mellomrom ved å bruke et relé eller TRIAC.

Nullgjennomgangssignalet brukes av produkter og apparater for smart hjem- og bygningsautomatisering (HBA – home and building automation) for å styre veksling, for å minimere switchingstress og innkoblingsstrømstøt på systemet.

På samme måte bruker apparater ofte en frittstående nullgjennomgang-deteksjonskrets for å styre motorens og mikrokontrollerens (MCU – microcontroller unit) timing. Disse utrustningene krever også en ekstra strømforsyning for trådløs konnektivitet, gate-drivere, sensorer og skjermer.

For å oppnå dette, implementeres vanligvis en frittstående krets for å detektere nullgjennomgang på AC-linjen for å styre innkoblingsovergangen til den primære strømenheten, samtidig som switchingtap og innkoblingsstrømstøt reduseres. Denne tilnærmingen krever mange komponenter og er svært beheftet med tap, og den bruker noen ganger nesten halvparten av budsjettet for standby-strøm.

I stedet gir LinkSwitch-TNZ IC-ene et nøyaktig signal som forteller at den sinusformede AC-linjen har null volt. Når LinkSwitch-TNZ detekterer nullgjennomgangspunktet bruker den under 5 mW, noe som gjør at systemer kan redusere strømtap i standby-tilstand sammenlignet med alternative tilnærminger som krever ti eller flere frittstående komponenter og avleder 50 til 100 mW med kontinuerlig strøm.

Så har vi X-kondensatoren

Linje-EMI-filtre inkluderer klasse X- og klasse Y-kondensatorer for å minimere generering av EMI/RFI. De er direkte koblet til AC-strøminngangen på AC-linjen og AC-nøytral (figur 3).

Figur 3: EMI-filtrering krever klasse X- og klasse Y-filtreringskondensatorer på AC-linjen, men klasse X-kondensatoren må håndteres etter at linjen er frakoblet for å gi brukersikkerhet. (Bildekilde: www.topdiode.com)

Sikkerhetsmandater krever at X-kondensatoren i EMC-filtre utlades når AC-linjen kobles fra, for å sikre at lagret spenning og energi ikke forblir på ledningen i en lengre periode etter avskjæring. Maksimal tillatt utladningstid styres av bransjestandarder som IEC60950 og IEC60065.

Den tradisjonelle tilnærmingen for å sikre at den nødvendige utladningen skjer, er å legge til avledningsmotstander parallelt med X-kondensatoren. Denne tilnærmingen kommer imidlertid med noe effekttap. En bedre løsning er å inkludere en utladningsfunksjon for X-kondensatoren med en tidskonstant som kan stilles inn av brukeren. IC-er som LNK3312D-TL bruker denne tilnærmingen. Dette resulterer i redusert kretskortplass, mindre materialliste (BOM) og økt pålitelighet.

Strømforsyninger og omformere trenger flere beskyttelsesfunksjoner. Alle IC-ene i LinkSwitch-TNZ-familien kommer med:

• Mykstart for å begrense stress på systemkomponenter under oppstart
• Automatisk omstart for feil som kortslutning og åpen sløyfe
• Overspenningsvern på utgang
• Overspenningsvern på linjeinngang
• Overtemperaturbeskyttelse med hysterese

Fra IC til komplett konstruksjon

En IC alene, uansett hvor god eller fullpakket med funksjoner den er, kan ikke fungere som en komplett, bruksklar AC–DC-omformer, siden mange komponenter ikke kan eller ikke bør integreres i denne enheten. Disse omfatter bulkfiltreringskondensatorer, avledningskondensatorer, induktorer, transformatorer og beskyttelseskomponenter. Behovet for eksterne komponenter vises i strømforsyningen med uisolert universalinngang på 6 V, 80 mA konstantspenning, som har en nullgjennomgangsdetektor basert på en LNK3302D-TL-enhet (figur 4).

Figur 4: Her vises de eksterne komponentene som trengs for en komplett og sikker strømforsyning med uisolert universalinngang på 6 V, 80 mA konstantspenning, med en nullgjennomgangsdetektor basert på en LNK3302D-TL IC. (Bildekilde: Power Integrations)

Det er også sikkerhetsrelaterte minimumsdimensjoner for egenskaper som krypstrøm og klaring. Problemet blir da utfordringen forbundet med å utvikle en komplett konstruksjon. LinkSwitch-TNZ IC-familien gjør oppgaven enklere. For eksempel, når en vekslingsfrekvens på 66 kHz brukes, er den nødvendige magnetikken standardenheter fra flere leverandører. I tillegg tilbyr Power Integrations referansekonstruksjoner.

For de som trenger en isolert strømforsyning, er RDK-877-referansekonstruksjonen (figur 5) på 6 W en isolert tilbakeløpsstrømforsyning (flyback power supply) med nullgjennomgangsdeteksjon basert på LNK3306D-TL.

Figur 5: RDK-877-referansekonstruksjonen på 6 W gir isolasjon i en tilbakeløpstopologi, og er basert på LNK3306D-TL. (Bildekilde: Power Integrations)

Forsyningen har et inngangsområde på 90 V_AC til 305 V_AC, en utgang på 12 V ved 500 mA og et strømforbruk uten belastning på mindre enn 30 mW over hele AC-linjeområdet. Mer enn 350 mW er tilgjengelig i standby-modus, mens virkningsgraden i aktiv modus oppfyller kravene til DOE6 og EC CoC (v5) med mer enn 80 % virkningsgrad ved full belastning ved nominell last. Konstruksjonen oppfyller også kravene i EN550022 og CISPR-22 klasse B for ledet EMI.

Konklusjon

Det kan kanskje virke trivielt å konstruere og implementere en AC–DC-strømforsyning med lavt strømforbruk. Det er imidlertid en utfordrende oppgave å oppfylle ytelses- og virkningsgradmål, sikkerhets- og forskriftsmandater, samt krav til kostnader, fysisk størrelse og tiden det tar å få det endelige produktet ut på markedet. Switching-IC-er, for eksempel de i Power Integrations LinkSwitch-TNZ-familien som har kombinert styring og MOSFET, gjør oppgaven mye enklere. Disse IC-ene støtter ulike effektnivåer, og de kan brukes med ulike strømforsyningstopologier, samtidig som de inkluderer viktige funksjoner som nullgjennomgangsdeteksjon og X-kondensatorutladning.