SPÍNANÉ ZDROJE Problematika spínaných zdrojů Popularita spínaných zdrojů v poslední době velmi roste a stávají se převažující skupinou zdrojů na trhu. Umožňují vytvářet kompaktní přístroje s malou hmotností a objemem a s velkou účinností. Praktický návrh spínaných zdrojů je však mnohem komplikovanější, než u zdrojů lineárních a náročnost na výběr součástek jejich návrh dále komplikuje. Porovnání s lineárními regulátory. Nejvyšší výhodou spínaných zdrojů je jejich vysoká účinnost a to zejména v případech omezeného výkonu, dodávaného z baterií, dále jejich váha a rozměry. Přes komplikace návrhu procento spínaných zdrojů stále roste a dnes se dá odhadnout, že jejich nasazení je zajímavé u všech zdrojů již okolo výkonu 20 [W]. Výhodou spínaných zdrojů, vyplývající z vysokého pracovního kmitočtu je snadná filtrovatelnost zbytků střídavé složky. Tato vlastnost se však uplatní až při podstatně vyšších kmitočtech, než je kmitočet sítě a proto spínané zdroje s tyristory, pracující právě na kmitočtech 50 [Hz], či o něco málo vyšších jsou dnes již nepoužívají. Nicméně nevýhodou spínaných zdrojů právě z hlediska jejich vysoké pracovní frekvence je vyšší cena jednotlivých součástek, které musí na takto vysokých kmitočtech spolehlivě pracovat (mezní kmitočty tranzistorů a diod, rozptylové kapacity transformátorů a stejnosměrné odpory elektrolytických kondenzátorů). Právě s postupně klesající cenou těchto součástek klesá i výkonová hranice efektivního využití spínaných zdrojů. Srovnání spínaných stabilizátorů s lineárními je přehledně uvedeno v tabulce l. Účinnost spínaných zdrojů se běžně pohybuje v rozmezí od 70 [%] do 80 [%] a to i v případě velmi špatných spínaných zdrojů od 60 [%] do 65 [%]. Obdobné lineární stabilizátory podobných parametrů by stěží mohly dosáhnout účinnosti lepší než 50 [%], obvykle se jejich účinnost pohybuje okolo 30 [%]. Podstatné zlepšení účinnosti se dosahuje v okolí pracovních kmitočtů 20 [khz], avšak dnešní součástky umožňují i konstrukci spínaných zdrojů, které pracují na kmitočtech 100 [khz] až l [MHz] s účinností až 8x lepší, než jejich obdobná lineární zapojení s podobnými vlastnostmi. Další parametry mohou být přinejmenším porovnatelné. Tabulka 7.1 Porovnání lineárních a spínaných zdrojů parametr spínaný zdroj lineární zdroj účinnost 75 [%] 30 [%] velikost 0,2 [W/cm 3 ] 0,05 [W/cm 3 ] váha 100 [W/kg] 20 [W/kg] výstupní zvlnění 50 [mv] 5[mV] šumové napětí 200 [mv] 50 [mv] odezva na skok 1 [ms] 20[jis] doba náběhu 20 [ms] 2[ms] cena přibližně konstantní roste s výkonem S rostoucím kmitočtem (a tedy rostoucí kvalitou) součástek se dále poměr parametrů mění ve prospěch spínaných zdrojů. Základní zapojení Spínaný zdroj se skládá z několika základních částí, znázorněných na obr.7.1. Ne vždy obsahuje všechny (výstupní filtr) a často obsahuje i některé navíc (vstupní usměrňovač). Podmínkou činnosti spínaného zdroje je stejnosměrné vstupní napětí, pokud možno co nejvíce zbavené střídavé složky, která vzhledem ke svému nízkému kmitočtu (50 [Hz]) snadno prochází celým filtrem až na jeho výstup. Jsou tedy dvě základní možnosti, buď je vstupní napětí stejnosměrné a s obvykle velmi malým vnitřním odporem a pak náročnost na vstupní filtr není vysoká, nebo v druhém případě je vstupní napětí střídavé a po jeho usměrnění vstupním usměrňovačem je potřeba důkladně vyhladit jeho zbytkové zvlnění vstupním filtrem. Oba tyto prvky, jak usměrňovač, tak vstupní filtr musí být dostatečně účinné na síťovém kmitočtu 50 [Hz], což vede Strana 1/6
na užití prakticky libovolných usměrňovačích diod (vhodných parametrů) ale na značné nároky na filtrační člen (RC,LC), který i na takto nízkém kmitočtu musí být dostatečně účinný. Obr.7.1 Blokové schéma spínaného zdroje Abychom mohli vstupní napětí transformovat, je nutné jej převést na střídavý tvar, což se ve spínaném zdroji provádí pomocí vysokofrekvenčních spínacích tranzistorů, které při kmitočtech 20 [khz] až l [MHz] vytvoří střídavý obdélníkový průběh. Vlastní transformace velikosti napětí probíhá buď na indukčnosti, nebo na transformátoru. Výstupní střídavé napětí je nutno usměrnit a opětně vyfiltrovat obsah jeho střídavé složky. Přitom naopak vzhledem ke vstupním obvodům jsou vysoké požadavky kladeny na diody, které musí vykazovat usměrňovači efekt na pracovním kmitočtu (malá kapacita přechodu, malá spínací a zejména vypínací doba). Na výstupní filtr již zdaleka nejsou kladeny takové požadavky protože pracuje na vysokém kmitočtu a jeho filtrační účinky na tomto kmitočtu jsou vynikající. Všechny spínané zdroje jsou řízeny zpětnou vazbou, která snímá velikost výstupního (výstupních) napětí, případně výstupního (nebo i vstupního) proudu a pomocí řídící logiky řídí spínání spínacích tranzistorů. Principiální funkční zapojení spínaných zdrojů lze tedy rozdělit do několika skupin: a) obvody bez indukčnosti, založené na násobení napětí pomocí usměrňovačů. Toto střídavé napětí se vyrábí spínáním a rozpínáním tranzistorů, principiálně se jedná o řízené astabilní klopné obvody. b) obvody snižující napětí, kdy indukčnost je zapojena do série se spínacím prvkem, obr.7.2. Indukčnost je zde zapojena jako část integračního LC článku. Výstupní kondenzátor C je dobíjen proudem I 1 a na kondenzátoru po sepnutí spínače S roste napětí a to tím pomaleji, čím je větší kapacita C a indukčnost L. Obr.7.2 Snižování napětí Po rozepnutí spínače S se snaží indukčnost L udržet směr a velikost svého proudu. Energie, akumulovaná během první etapy (v době sepnutého spínače S) se mění na dobíječi proud I 2 kondenzátoru C. Aby však proud I 2 mohl v tomto obvodu protékat, je třeba dosud popsané součástky doplnit diodou D, uzavírající proudový obvod proudu I 2. Z daného popisu principu činnosti tohoto obvodu plyne, že během první části (sepnut S) napětí na výstupu roste, kdežto během druhé části (spínač S rozepnut) výstupní napětí klesá. Je-li však spínání a rozpínání spínače S dostatečně rychlé, je výstupní zvlnění napětí U out o stejném kmitočtu a dobře je možno je filtrovat. Dále z uvedeného plyne, že výstupní napětí U out může být maximálně tak veliké, jako je napětí vstupní U in. Budeme-li prodlužovat dobu t 1; kdy je S sepnut, výstupní napětí poroste stejně jako v případě, kdy budeme dobu t 2 zkracovat. Chceme-li výstupní napětí snížit, pak snížíme dobu t 1, případně zvýšíme dobu t 2. Princip najdeme pod označením Step-Down nebo BUCK. Strana 2/6
Regulace obou dob t 1 a t 2 může být prováděna dvěma zásadně jinými způsoby: A/ jedna z dob (ať již t, nebo t 2 ) je konstantní a mění se doba druhá - to vede na systém s proměnnou frekvencí, což je z řady důvodů nevýhodné, jak bude ukázáno dále B/ součet obou dob je konstantní, tj. t 1 + t 2 = T = l / f = konst. K regulaci dochází tak, že při poklesu např. doby t 1 o stejnou část naroste doba t 2. Tento princip má celou řadu výhod a v součesné době jeho využívání převládá. Oba uvedené principy však mohou být užity i u dalších zapojení. c) obvody zvyšující napětí - na obr.7.3 je ukázáno další zapojení stejných stavebních prvků spínaného zdroje, tentokráte je indukčnost opět v sérii, ale spínač je paralelně na zem. Během doby t 1 (sepnutý spínač S) se výstupní kondenzátor vybíjí do záleže a aby se nevybíjel i přes sepnutý spínač S, je oddělen diodou D, která je při sepnutém spínači S polarizována v závěrném směru a nevede. Ze zdroje stejnosměrného napětí U IN teče proud I 1 přes indukčnost L a spínač S a energie se akumuluje v magnetickém poli indukčnosti o velikosti A = l / 2. L. I 2, proud Ij indukčnosti narůstá až do okamžiku, kdy je spínač S rozepnut. V tomto okamžiku indukčnost chce opět udržet směr a velikost proudu I, a vzniká na ní indukované napětí: U ind = - L. dl / dt. Obr.7.3 Zvyšování napětí Toto napětí se sčítá s napětím napájecího zdroje U IN a obě tato napětí v sérii prohánějí proud I 2 do výstupního kondenzátoru C (a zatěžovacího odporu, je-li připojen). Protože velikost indukovaného napětí U ind závisí na hodnotě indukčnosti cívky L, na velikosti původního proudu I 1 a na rychlosti rozepnutí spínače S (dt), pak toto napětí není amplitudově omezeno a může být teoreticky libovolně vysoké. Po sečtení s napětím U IN je tedy výstupní napětí U out vždy vyšší, jak U IN. Obvod se uvádí pod názvy Step-Up nebo také BOOST. Vliv dob sepnutí (t 1 ) a rozepnutí (t 2 ) u tohoto zapojení již není tak jednoznačný, jako u zapojení předcházejícího. S rostoucí dobou t 1 sice roste velikost proudu I, (a při dl / dt = konst. roste i velikost napětí U ind ), ale současně klesá i napětí U out dlouhým vybíjením kondenzátoru C. Naopak s rostoucí dobou t 2 je sice kondenzátor C déle dobíjen, ale pouze v tom případě, že velikost U IN + U ind je větší než U out + U F, kde U F je napětí na diodě v propustném směru, je-li vodivá. Tato podmínka nemusí být vždy splněna. Návrh spínaného zdroje tohoto typu je tedy značně komplikovanější. Je snadno patrné, že tento obvod nemůže být navržen tak, aby výstupní napětí bylo nižší, než napětí vstupní. d) obvod inverze napětí - schéma je na obr.7.4, kde je spínač S opět v sérii, ale paralelně je tentokráte cívka s indukčností L. V době t, (sepnutý spínač S) roste proud ze zdroje UIN přes spínač S a indukčnost L tak dlouho, jak dlouho je sepnut S. Obr.7.4 Inverze napětí Po rozepnutí spínače S má indukčnost snahu pokračovat ve směru a velikosti proudu I 1 proudem I 2, který se bude uzavírat přes nabíjený kondenzátor C a diodu D. Tím na kondenzátoru C poroste napětí, ale v polaritě plus dole, mínus nahoře. Výstupní napětí U out má tedy opačnou polaritu vzhledem ke společné svorce, než napětí vstupní U IN. Dioda D je polarizována tak, aby nedocházelo během doby t 1 k přebíjení kondenzátoru C na kladnou polaritu ze zdroje U IN. Doby spínání spínače S opět nejsou interpretovatelné jednoznačně. Strana 3/6
Při růstu doby t 1 (sepnutí S) sice roste velikost akumulované energie v magnetickém poli indukčnosti, ale o to více klesá výstupní napětí vybíjením kondenzátoru C do zátěže (na obr.7.4 nezakreslena). Z principu činnosti tohoto obvodu však vyplývá, že výstupní napětí U out může být jak menší, tak i větší, než napětí vstupní U IN. Pro všechny tyto typy obvodů je velmi nesnadné analyzovat jejich vlastnosti, ať již oblasti linearity a nelinearity regulace, ale také například odezvy na jednotkové skoky vstupního napětí, výstupního proudu apod. Budoucnost spínaných zdrojů Předpokládá se a to zejména v souvislosti se snižováním příkonů výpočetní techniky (notebooky) s nutným snižováním výkonů, pro které budou již spínané zdroje výhodné i ekonomicky. Současné bipolární tranzistory umožňují pracovat na spínacích frekvencích do 200 [khz] a FET tranzistory již do l [MHz]. S dalším rostoucím kmitočtem budou klesat zejména rozměry spínaných zdrojů a snadnost filtrace spínacích produktů. V současné době jsou zejména limitující omezené šumové poměry spínaných zdrojů, které jsou specifikovány řadou národních norem, které se liší. Směr řešení těchto problémů vede na neustále dokonalejší filtry, tedy opět na zvyšování frekvencí a kvality pasivních prvků. Obr.7.5 Synchronní usměrňovač V neposlední řadě se předpokládá vliv nových aplikačních zapojení, jako jsou např. synchronní usměrňovače, které začínají nahrazovat klasické, ale i Schottkyho diody. Jestliže při napájecích napětích okolo 5 [V] byly užívány diody s propustným (a tedy i ztrátovým) napětím 0,5 až l [V], pro systémy procesorů a pamětí s 'napájecím napětím 3,3 [V] je třeba hodnoty propustných napětí snižovat, aby neklesala energetická účinnost. Synchronní usměrňovače umí pracovat s propustným napětím 0,2 až 0,5[V]. Zapojení takového synchronního usměrňovače je na obr.7.5. Obsahuje tranzistor TMOS, jehož vodivý kanál N vzniká v případě, že řídicí elektroda G je kladně polarizována oproti substrátu, respektive emitoru (source) S, který je se substrátem spojen uvnitř tranzistoru. Obr.7.6 Rezonanční spínaný zdroj Kladné napětí pro elektrodu G získáváme z vinutí N2, které je nevýkonové oproti výkonovému vinutí N3. K sepnutí vlivem vzniku kanálu N dochází velmi rychle stejně jako k jeho zániku (doba závěrného zotavení je menší než 100 [ns]) a přitom při průchodu proudu je na tranzistoru mezi elektrodami S a D (na sepnutém kanále) úbytek napětí do 0,2 [V]. Současné TMOS tranzistory jsou schopny na rozepnutém kanále udržet napětí okolo 30 [V]. Jiné zajímavé zapojení spínaného zdroje vychází z jeho názvu SRPS = series resonant power supply, tj. výkonový zdroj na principu sériové rezonance. Jeho principiální zapojení je na obr.7.6. Síťové (střídavé) napětí se nejprve usměrní a běžným způsobem vyfiltruje. Dva spínací MOS tranzistory spolu se dvěma kondenzátory C, a C 2 tvoří tímto stejnosměrným napětím napájený můstek v jehož úhlopříčce se nalézá laděný sériový rezonanční obvod C 3 + L,. Indukčnost L 1 je tvořena primárním vinutím hlavního transformátoru. Ve správném pracovním Strana 4/6
režimu (na výstupu je požadované napětí) obvod PDM na svém výstupu budí pomocný transformátorek impulsy s opakovači frekvencí f 0. Další vinutí tohoto pomocného transformátoru zajišťují časovaná otvírání jednotlivých spínacích tranzistorů. Jakmile se však z nějakých důvodů změní na výstupu požadovaná hodnota napětí, např. směrem dolů (klesá), pak obvod PDM změní frekvenci tak, aby se pracovní kmitočet f přiblížil rezonančnímu kmitočtu f r obvodu C 3 + L 1. Tabulka 7.2 Vlastnosti SRPS vlastnost pracovní frekvence rozměry šumové poměry popis 0,5 až 1 [MHz] SINUS malé rozměry transformátoru jsou minimalizované spínáním v nule účinnost vysoká, obvykle nad 80 [%] poměr špičkového a pracovního proudu řízení obvodů vysoký vzhledem ke zpětnovazebnímu systému s vysokým zesílením pomocí běžných integrovaných typů VCO a PWM Tím rezonančním obvodem vzrůstá proud (klesá jeho impedance), do transformátoru se dostává více energie a výstupní napětí tím roste směrem k původní velikosti. Naopak při vzrůstu výstupního napětí (např. odlehčením zdroje odpojením části zátěže) výstupní frekvence PDM se od rezonanční frekvence f r vzdaluje a odpor rezonančního sériového obvodu C 3 + L, roste a tím klesá proud tímto obvodem a následkem i výstupní napětí. Vzhledem k tomu, že strmost boků rezonanční křivky je nesmírně vysoká, je tato regulace velmi citlivá i na malé změny výstupního napětí a samozřejmě i rychlá. ZÁKLADNÍ ZAPOJENÍ SPÍNANÝCH ZDROJŮ Zapojení spínaných zdrojů jsou všeobecně komplikovaná a pro jejich znalost je nutno znát i vnitřní zapojení specializovaných integrovaných obvodů, které jsou v těchto zdrojích užívány. Nicméně odhlédneme-li od oblasti obvodů zpětnovazebních stabilizací, lze spínané zdroje rozdělit podle jejich zapojení a funkce do několika základních skupin. Jednotlivá zapojení se obvykle rozlišují podle způsobu přenosu energie z primárních obvodů do obvodů sekundárních: a) propustné zapojení (ozanačováno jako FORWARD) - je charakterizováno přímým přenosem energie přes transformátor, tj. teče-li proud primárním vinutím (v okamžiku sepnutí spínače), teče současně i sekundárním vinutím. Je to určeno vzájemnou polaritou primárního a sekundárního vinutí a polaritou výstupní diody. Obr.8. l Propustné zapojení tranzistor sepnut Strana 5/6
Obr.8.2 Propustné zapojení - rozepnutý tranzistor Tečka u jednotlivých vinutí označuje začátek vinutí. Bud jsou obě vinutí vinuta souhlasně a obě tečky jsou nahoře, pak kladné polaritě vstupního napětí transformátoru odpovídá kladná polarita výstupního napětí, nebo je jedna z teček dole a druhá nahoře - tím je označeno, že vinutí jsou vinuta opačně a tedy kladnému napětí na vstupu odpovídá záporné napětí na výstupu. Výstupní napětí může být opět jak vyšší, tak nižší, než napětí vstupní, ale vlivem převodního poměru transformátoru p při jiném rozsahu hodnot 6 než u zapojení invertujícího. b) akumulující zapojení (FLYBACK) -teče-li vstupním vinutím proud, je sekundární vinutí vzhledem k polaritě výstupní diody polarizováno tak, že proud neteče. Veškerá energie je uložena v magnetickém poli transformátoru a teprve po ukončení proudu primárním vinutím začíná protékat proud vinutím sekundárním, obr.8.3. Primární vinutí, na němž je napětí V lt je vinuto opačným směrem než vinutí sekundární s napětím U 2 (na obr.8.3 je polarita vstupního napětí U, vyznačena pro sepnutý tranzistor T a polarita výstupního napětí U 2 až pro rozepnutý tranzistor T - nejsou již rozkreslována dvě zapojení). I akumulující zapojení lze doplnit rekuperační diodou a rekuperačním vinutím, obr.8.4, ale jejich použití není u tohoto zapojení nezbytné, pouze zlepšuje účinnost využitím té části energie, která po rozepnutí tranzistoru je akumulována v magnetickém poli transformátoru a není z nějakých důvodů přenesena do výstupních obvodů (rychlá změna zatěžovacích poměrů). Proto teče-li proud primárním vinutím při sepnutí tranzistoru T, nemůže současně téci proud vinutím sekundárním - dioda je polarizována závěrně. Teprve při rozepnutí proudu I c, se naindukuje napětí U 2 v opačné polaritě, výstupní dioda je propustná a vinutím protéká proud. Obr.8.4 Rekuperační vinutí Tak se v sekundárním vinutí indukuje napětí U 2, které již je vhodné polarity pro průchod proudu usměrňovači diodou. c) dvojčinná zapojení (PUSH-PULL) - do primárního vinutí je spínán proud obou polarit pomocí dvou spínacích prvků, které pracují v inverzním zapojení. Obvykle i výstupní usměrňovače jsou dvoucestné, takže se vlastně jedná o dvojčinnou verzi propustného zapojení. V dnešní době je naprostá většina spínaných zdrojů tohoto principu, modifikovaného způsobem buzení primárního vinutí oběma spínači. Strana 6/6