Stručný návod pro návrh přístrojového napájecího zdroje Michal Kubíček Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
Poznámka Návod je koncipován jako stručný úvod pro začátečníky v oblasti návrhu neizolovaných napájecích zdrojů malého výkonu (přibližně do 50W). Materiál vznikl za podpory grantu FRVŠ F1/a č. 1456 (rok 2011): Inovace laboratorní výuky předmětu Napájení elektronických zařízení strana 2
Požadavky Je třeba definovat požadavky: Rozsah vstupního napětí U IN_MIN, U IN_MAX Požadované výstupní napětí U OUT Maximální výstupní proud I OUT_MAX Kvalita (zvlnění) výstupního napětí určuje vlastnosti výstupního filtru a volbu použití lineárního / spínaného regulátoru Celková účinnost strana 3
Možná realizace Tři základní možnosti realizace lineární stabilizátor U IN spínaný stabilizátor U OUT spínaný stabilizátor lineární stabilizátor strana 4
Vlastnosti realizací Lineární stabilizátor + Velmi jednoduché zapojení + Rychlá odezva na změnu zátěže + Nízký šum na výstupu stabilizátoru (malé zvlnění) Vstupní napětí musí být vždy větší, než výstupní napětí musí být zajištěn minimální úbytek napětí U DROP_MIN. Ten bývá cca 2 až 2,5V u běžných stabilizátorů, u tzv LDO stabilizátorů bývá i méně něž 100 mv U IN = 8-20V 7805 U OUT = 5V Při velkém rozdílu napětí nízká účinnost, závislá na rozdílu vstupního a výstupního napětí strana 5
Vlastnosti realizací Spínaný stabilizátor + Velmi vysoká účinnost (jen málo závislá na napájecím napětí) + Snadno lze realizovat zdroje schopné dodat i desítky ampér + Vstupní napětí může být větší i menší, než požadované výstupní napětí Složité zapojení, více součástek, zpravidla dražší Zdroj EM rušení Výstupní napětí je zvlněné, nevhodné pro citlivé analogové obvody (nutná dodatečná filtrace) + Menší rozměry a hmotnost strana 6
Vlastnosti realizací Spínaný stabilizátor + LDO + Velmi vysoká účinnost (jen málo závislá na napájecím napětí) + Snadno lze realizovat zdroje schopné dodat i desítky ampér Složité zapojení, více součástek, zpravidla dražší Zdroj EM rušení + Vstupní napětí může být větší i menší, než požadované výstupní napětí + Menší rozměry a hmotnost + Výstupní napětí je bez zvlnění strana 7
Příklad použití: Lineární stabilizátor strana 8
Lineární stabilizátor Přístroj je napájen síťového adaptéru, na jehož výstupu je napětí 5V. Většina obvodů v přístroji pracuje na napětí 5V, část obvodů ale potřebuje napájecí napětí 3,3V, přičemž jejich celkový proudový odběr je do 80 ma. Lineární stabilizátor zde patrně vyhoví, výkonová ztráta je: P Z = U DROP I OUT_MAX = (5V 3,3V) 0,08A = 0,136W Poznámka: při použití spínaného stabilizátoru ve stejné aplikaci lze očekávat účinnost při plné zátěži cca 85%, ztrátový výkon je pak přibližně: P Z = (1/ƞ 1) U OUT I OUT_MAX = (1/0,85 1) 3,3V 0,08A = 0,047W Rozdíl příkonu 90 mw je při síťovém napájení zpravidla zanedbatelný (vzhledem k celkovému odběru zařízení) strana 9
Lineární stabilizátor Nyní je třeba vybrat obvod, který má při daném proudu (0,08A) maximální dovolený úbytek napětí (U DROP_MAX ) menší, než je hodnota U DROP_MAX U DROP = U IN U OUT = 5V 3,3V = 1,7V Tomuto požadavky nevyhoví klasické stabilizátory řady 78xx Je třeba vybrat z tzv. LDO regulátorů, vyhoví například typ LM1117, který je k dostání jak v provedení na 3,3V, tak v provedení nastavitelném výstupní napětí lze regulovat pomocí odporového děliče v rozsahu U REF až (U IN U DROP ) tedy 1,25V až 3,7V strana 10
Lineární stabilizátor Verze s pevným výstupním napětím (LM1117-3.3) Verze s nastavitelným výstupním napětím (LM1117-ADJ) Při výběru velikosti a typu kondenzátoru (keramický, tantalový, elektrolytický) je vždy nutné postupovat dle katalogového listu obvodu!!! Obrázky převzaty z katalogového listu obvodu LM1117: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1117-n.pdf strana 11
Lineární stabilizátor Vhodný integrovaný stabilizátor lze snadno najít a vybrat pomocí webových nástrojů, které jsou k dispozici na stránkách výrobců těchto obvodů. Příklad: Texas Instruments Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 12
Lineární stabilizátor Vhodný integrovaný stabilizátor lze snadno najít a vybrat pomocí webových nástrojů, které jsou k dispozici na stránkách výrobců těchto obvodů. Nalezeno celkem 112 vhodných integrovaných obvodů!!! Příklad: Texas Instruments Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 13
Příklad použití: Spínaný stabilizátor strana 14
Spínaný stabilizátor Přístroj je napájen z baterie o nominálním napětí 12V. Většina obvodů v přístroji ale pracuje na napětí 3,3V, přičemž jejich celkový proudový odběr je až 5A (příkon 16,5W). Ideální aplikace pro spínaný stabilizátor (účinnost odhadneme na 85%): P Z = (1/ƞ 1) U OUT I OUT_MAX = (1/0,85 1) 3,3V 5A = 2,9W Poznámka: při použití lineárního stabilizátoru ve stejné aplikaci by byl ztrátový výkon příliš velký. Zařízení by muselo být chlazeno velkým chladičem a bylo by tak velmi těžké, velké a drahé: P Z = (U IN U OUT ) I OUT_MAX = (12V 3,3V) 5A = 43,5W strana 15
Spínaný stabilizátor Výrobci spínaných stabilizátorů dnes nabízejí tři typy realizace, přičemž každá má své výhody a nevýhody a ne pro každé parametry lze najít všechny tři realizace: Spínaný stabilizátor (s integrovanými tranzistory) Spínaný regulátor (s externími tranzistory) Modul regulátoru strana 16
Spínaný stabilizátor Spínaný stabilizátor (s integrovanými tranzistory) + Jednoduché zapojení + Nízká cena + Malá plocha na plošném spoji Menší účinnost Menší variabilita návrhu Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 17
Spínaný stabilizátor Spínaný regulátor (s externími tranzistory) + Vysoká účinnost + Velká variabilita + Pro větší výkony Složité zapojení Dražší Větší plocha na plošném spoji Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 18
Spínaný stabilizátor Modul regulátoru + Dobrá účinnost + Spíše pro větší výkony + Ihned k použití, ověřená funkčnost + Velmi jednoduché zapojení Málo flexibilní Drahé Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 19
Spínaný stabilizátor Pro každou aplikaci je nutné zvážit pro a proti konkrétních řešení. Stránky výrobců jsou opět výborným vodítkem při tomto rozhodování: Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 20
Spínaný stabilizátor Některé realizace jsou podporovány výrobcem (zdarma) poskytovaným návrhovým softwarem, který umožňuje velmi jednoduchý návrh spínaného zdroje Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 21
Spínaný stabilizátor Ukázka výstupu návrhového SW Hotové zapojení měniče s vybraným řídicím integrovaným obvodem, potřebnými externími součástkami a s jejich konkrétními hodnotami (typy) K dispozici jsou také obvodové analýzy, BOM (materiálová rozpiska), doporučené rozložení součástek na plošném spoji, atd. Hodnoty součástek lze do značné míry měnit a sledovat tak vliv na parametry stabilizátoru Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 22
Spínaný stabilizátor Ukázka výstupu návrhového SW Hotové zapojení měniče s vybraným řídicím integrovaným obvodem, potřebnými externími součástkami a s jejich konkrétními hodnotami (typy) K dispozici jsou také obvodové analýzy, BOM (materiálová rozpiska), doporučené rozložení součástek na plošném spoji, atd. Hodnoty součástek lze do značné míry měnit a sledovat tak vliv na parametry stabilizátoru Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 23
Spínaný stabilizátor Ukázka výstupu návrhového SW Hotové zapojení měniče s vybraným řídicím integrovaným obvodem, potřebnými externími součástkami a s jejich konkrétními hodnotami (typy) K dispozici jsou také obvodové analýzy, BOM (materiálová rozpiska), doporučené rozložení součástek na plošném spoji, atd. Hodnoty součástek lze do značné míry měnit a sledovat tak vliv na parametry stabilizátoru Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 24
Spínaný stabilizátor Ukázka výstupu návrhového SW Hotové zapojení měniče s vybraným řídicím integrovaným obvodem, potřebnými externími součástkami a s jejich konkrétními hodnotami (typy) K dispozici jsou také obvodové analýzy, BOM (materiálová rozpiska), doporučené rozložení součástek na plošném spoji, atd. Hodnoty součástek lze do značné míry měnit a sledovat tak vliv na parametry stabilizátoru Obrázky převzaty ze stránek firmy Texas Instruments (www.ti.com) strana 25
Příklad použití: Spínaný stabilizátor + LDO strana 26
Spínaný stabilizátor + LDO Přístroj je napájen z baterie o nominálním napětí 12V. Napájené zařízení má následující požadavky na napájecí větve: 5V / 5A silová část 3,3V / 0,2A digitální řízení 2,5V / 1A citlivé analogové obvody nelze přímo připojit na výstup spínaného stabilizátoru, nutné použít lineární stabilizátor Zde je vhodné použít kombinaci spínaných a lineárních stabilizátorů. strana 27
Spínaný stabilizátor + LDO strana 28 2,8W 12V/5V spínaný 0,07W 12V/3,3V spínaný 9,5W 12V/2,5V lineární Nevhodné řešení Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90% 5,0A 0,2A 1,0A silová část digitální řízení citlivé analogové obvody
Spínaný stabilizátor + LDO 2,8W 12V/5V spínaný 0,44W 12V/3,3V spínaný 5,0A 0,2A silová část digitální řízení Varianta 1 Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90% strana 29 0,7W 3,3V/2,5V lineární 1,0A citlivé analogové obvody
Spínaný stabilizátor + LDO 3,3W 12V/5V spínaný 0,44W 5V/3,3V spínaný 5,0A 0,2A silová část digitální řízení Varianta 2 Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90% strana 30 0,7W 3,3V/2,5V lineární 1,0A citlivé analogové obvody
Spínaný stabilizátor + LDO 2,8W 12V/5V spínaný 5,0A silová část 0,07W 12V/3,3V spínaný 0,2A digitální řízení 0,3W 0,2W 12V/2,7V spínaný 2,7V/2,5V lineární 1,0A citlivé analogové obvody Varianta 3 Očekávaná účinnost spínaných zdrojů je 90% strana 31
Spínaný stabilizátor + LDO Mezi jednotlivými variantami je třeba vybrat podle konkrétních požadavků na složitost (spolehlivost) systému, cenu, velikost zdroje a celkovou účinnost. Návrh spínaných zdrojů i lineárního stabilizátoru odpovídá postupu popsanému dříve v této prezentaci. Pozor! U varianty 1 a 2 je třeba výstup spínaného stabilizátoru 3,3V dimenzovat na proud, který je roven součtu výstupního proudu větvě 3,3V a proudu větve 2,5V, tedy celkem 1,2A! strana 32
www Někteří výrobci integrovaných stabilizátorů ON Semicondutcor Texas Instruments Fairchild Linear Technology National Semicondutcor Analog Devices Maxim ST Microelectronics Taiwan Semiconductor NXP ROHM Diodes Inc. Freescale... http://www.onsemi.com/ http://www.ti.com/ http://www.fairchildsemi.com/ http://www.linear.com/ http://www.national.com/ http://www.analog.com/ http://www.maxim-ic.com/ http://www.st.com/ http://www.ts.com.tw/ http://www.nxp.com/ http://www.rohm.com/ http://www.diodes.com/ http://www.freescale.com/ strana 33