Alexandr Krejèiøík SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSwitch Praha 2002

Alexandr Krejèiøík SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSwitch Praha 2002

Alexandr Krejèiøík Spínané napájecí zdroje s obvody TOPSwitch Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnožována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenášena v jiné formì èi jinými prostøedky Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost tištìných materiálù Pøedkládaná zapojení a informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob Nároky na odškodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny Veškerá práva vyhrazena Ing Alexandr Krejèiøík, 2002 Nakladatelství BEN technická literatura, Vìšínova 5, Praha 10 Alexandr Krejèiøík: Spínané napájecí zdroje s obvody TOPSwitch BEN technická literatura, Praha 2002 1 vydání ISBN 80-7300-031-8

TOPSwitch 1 POPIS OBVODÙ TOPSWITCH 23 2 3 4 5 NÁVRH ZPÌTNOVAZEBNÍHO OBVODU 113 KONSTRUKCE TRANSFORMÁTORU 185 NÁVRH ZDROJE POMOCÍ KØIVEK 235 METODY OCHRANY PROTI SÍ OVÉMU PØEPÌTÍ 245 6 PROBLÉMY NÁVRHU 255 7 8 9 10 OBVODY PRO REGULACI NA KONSTANTNÍ PROUD A VÝKON 287 NÁVRH ZDROJE S VÍCE VÝSTUPY 309 NEIZOLOVANÝ ZPÌTNOVAZEBNÍ ZDROJ 339 DALŠÍ PØÍKLADY SPÍNANÝCH ZDROJÙ 349

OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH ZNAÈEK A SYMBOLÙ 13 ÚVOD 19 1 POPIS ÈINNOSTI OBVODÙ TOPSWITCH 23 1 1 Popis èinnosti obvodù TOP100-104 24 1 1 1 Popis obvodù 24 1 1 1 1 Popis funkce jednotlivých vývodù 25 1 1 2 Popis funkce obvodù 26 1 1 2 1 Øídicí napìtí obvodù 27 1 1 2 2 Reference typu bandgap 28 1 1 2 3 Oscilátor 28 1 1 2 4 Pulznì šíøkový modulátor (PWM) 29 1 1 2 5 Budiè hradla tranzistoru MOSFET 29 1 1 2 6 Chybový zesilovaè (EA) 29 1 1 2 7 Proudové omezení v každém cyklu èinnosti 29 1 1 2 8 Start obvodù 30 1 1 2 9 Vypínání vlivem zpìtné vazby 30 1 1 2 10 Ochrana proti pøehøátí 30 1 1 2 11 Vysoké napìtí zpìtnovazebního proudového vstupu 30 1 1 3 Zpìtnovazební zdroj 5 V/5 W s TOP100 31 1 1 4 Zdroj 7,5 V/15 W se zpìtnou vazbou optronem 32 1 1 5 Zdroj 15 V/30 W s pøesnou zpìtnou vazbou optronem 33 1 1 6 Preregulátor zvyšující vstupní napìtí 110 V na výstupní 265 V 34 1 1 7 Aplikaèní doporuèení obvodù TOPSwitch 35 1 1 8 Parametry obvodù TOP100-104 36 1 2 Popis èinnosti obvodù TOP200-204, 214 38 1 2 1 Popis obvodù 38 1 2 2 Parametry obvodù 39 1 3 Popis èinnosti obvodù TOP209-210 40 1 3 1 Popis obvodù 41 1 3 2 Popis vývodù 41 1 3 3 Aplikaèní doporuèení 41 1 3 4 Parametry obvodù 42 1 4 Popis èinnosti obvodù TOP221-227 43 1 4 1 Popis obvodù 43 1 4 2 Výbìr typu obvodu 43 1 4 3 Popis vývodù 43 1 4 4 Dvojitý zdroj 5 V a 12 V/4 W 44 6 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

1 4 5 Univerzální zdroj 12 V/20 W 45 1 4 6 Aplikaèní podmínky 46 1 4 7 Nahrazení obvodù TOPSwitch obvody TOPSwitch-II 46 1 4 8 Parametry obvodù TOPSwitch-II 47 1 5 Popis èinnosti obvodù TOP232-234 48 1 5 1 Popis obvodù 50 1 5 2 Funkce vývodù 51 1 5 2 1 Èinnost øídicího vývodu 53 1 5 3 Oscilátor a spínací kmitoèet 55 1 5 4 Pulznì šíøkový modulátor (PWM) a maximální støída spínání 55 1 5 5 Minimální støída spínání a pøerušovaný režim 56 1 5 6 Chybový zesilovaè 56 1 5 7 Proudové omezení na èipu s externím nastavením 57 1 5 8 Detekce podpìtí (UV) 58 1 5 9 Detekce pøepìtí (OV) 59 1 5 10 Omezení maximální støídy DC MAX 59 1 5 11 Vnìjší vypínání a zapínání (ON/OFF) a synchronizace 60 1 5 12 Mìkký start zdroje 61 1 5 13 Vypnutí a autorestart zdroje 62 1 5 14 Tepelná ochrana s hysterezí 62 1 5 15 Reference typu bandgap 62 1 5 16 Proud vlastní spotøeby pøi vysokonapì ovém napájení 62 1 5 17 Použití vývodù FREQUENCY a MULTIFUNCTION 63 1 5 18 Zdroj s výkonem 30 W 69 1 5 19 Zdroj s výkonem 35 W a vícenásobným výstupem 70 1 5 20 Zdroj o výkonu 17 W a pohotovostním režimem 72 1 5 21 Procesorem øízené zapínání a vypínání zdroje 73 1 5 22 Srovnání obvodù øady TOPSwitch-FX s obvody TOPSwitch-II 74 1 5 23 Pokyny k návrhu zdroje s obvody TOPSwitch-FX 75 1 5 24 Rozmístìní souèástek na plošném spoji 77 1 5 25 Parametry obvodù øady TOP232-234 79 1 5 26 Výbìr obvodu pomocí grafù 82 1 6Popis èinnosti obvodù TOP412-414 88 1 6 1 Popis obvodù 88 1 6 2 Zdroj 5V/2A 89 1 6 2 Aplikaèní doporuèení 90 1 6 3 Parametry obvodù TOP412-414 91 1 7 Popis èinnosti obvodù TOP242-249 92 1 7 1 Popis funkce jednotlivých vývodù 93 1 7 2 Popis èinnosti obvodù 95 1 7 3 Parametry obvodù 103 1 7 4 Zdroj 12 V/2,5 A 104 1 7 5 Zdroj 70 W/19 V 106 1 7 6 Zdroj 250 W/48 V/5,2 A 107 A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 7

1 7 7 Zdroj 60 W s vícenásobnými výstupy 108 1 7 8 Rozložení souèástek 110 2 NÁVRH ZPÌTNOVAZEBNÍHO OBVODU 113 2 1 Základní principy zpìtnovazebních obvodù pro TOPSwitch 114 2 1 1 Zpìtnovazební zapojení zdroje 114 2 1 2 Lineární napájecí zdroje 116 2 1 3 Spínané zdroje 116 2 1 4 Teorie zpìtné vazby 118 2 1 4 1 Ideální model nespojitého režimu 118 2 1 4 2 Ideální model spojitého režimu 120 2 1 4 3 Neideální model (nespojitý i spojitý mód èinnosti) 122 2 2 Postup návrhu 125 2 2 1 Postup krok za krokem 127 2 3 Jednoduchá zpìtná vazba u obvodù TOP200 149 2 3 1 Jednoduchý zdroj s napìtím 5 V a obvodem TOP200 149 2 4 Zapojení bez zpìtné vazby 157 2 4 1 Zdroj bez zpìtné vazby 5,1 V/20 ma 158 2 5 Úèinnost zpìtnovazebního zapojení s obvodem TOPSwitch 160 2 5 1 Zdroj 24 V/34 W 160 2 5 2 Úèinnost zdroje STA204A s obvodem TOPSwitch 163 2 5 2 1 Mìøicí technika úèinnosti 164 2 5 2 2 Návrh pro vyšší úèinnost 166 2 5 2 3 Špièková hodnota primárního proudu ve spojitém a nespojitém režimu 181 3 KONSTRUKCE TRANSFORMÁTORU 185 3 1 Konstrukèní materiály transformátorù 187 3 2 Metody konstrukce transformátorù 188 3 2 1 Vinutí s definovanými okraji 188 3 2 2 Konstrukce transformátoru pøi použití trojitì izolovaných vodièù 190 3 2 3 Technika konstrukce transformátoru 191 3 2 3 1 Technika vícenásobných výstupù transformátoru 194 3 3 Program pro konstrukci transformátoru 198 3 3 1 Parametry programu, použité pro specifikaci transformátoru 199 3 3 2 Postup krokù konstrukce transformátoru 199 3 4 Pøíklady konstrukce transformátorù pro zdroj 12 V/15 W 204 3 4 1 Vstupní parametry programu 204 3 4 2 Pøíklad konstrukce transformátoru s okraji vinutí 208 3 4 3 Pøíklad konstrukce transformátoru s trojitì izolovanými vodièi 213 3 5 Program pro návrh zpìtnovazebního transformátoru 220 8 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

4 NÁVRH ZDROJE POMOCÍ KØIVEK 235 4 1 Typické ztráty 236 4 2 Pøehled køivek rychlého výbìru 237 4 3 Rychlý návrh 239 4 4 Výbìr správného obvodu TOPSwitch-II 239 4 5 Univerzální zdroj +5 V s výkonem 30 W 240 4 6Zdroj s výstupním výkonem 30 W, napájený z napìtí 230 V 240 4 7 Teplota obvodu TOPSwitch-II 240 4 8 Vliv vstupního napìtí na zdroj +12 V/35 W 242 4 9 Urèení kapacity vstupního kondenzátoru 243 5 METODY OCHRANY PROTI SÍ OVÉMU PØEPÌTÍ 245 5 1 Typický pøechodný napì ový test 246 5 2 Mìøení obvodových parametrù 248 5 3 Mìøení v diferenciálním módu 253 6 PROBLÉMY NÁVRHU 255 6 1 Pøíklady pøedcházení problémùm v obvodech napájecího zdroje 260 6 1 1 Popis zapojení zdroje ST200 5 V/1 A 261 6 1 2 Popis zapojení zdroje ST202A 7,5 V/2 A 262 6 1 3 Popis zapojení zdroje ST204A 15 V/30 W 263 6 2 Ochrana interního tranzistoru proti pøepìtí 264 6 3 Návrh plošného spoje 265 6 3 1 Metoda zemnìní do jednoho bodu 265 6 3 2 Ideální rozmístìní souèástek 266 6 3 3 Pravidla pro rozmístìní souèástek na plošném spoji 266 6 4 Návrh zpìtnovazebního transformátoru 267 6 4 1 Výkon a indukènost primárního vinutí 267 6 4 2 Køivky transformaèního pomìru závitù 270 6 5 Optimalizace úèinnosti spínaného zdroje 270 6 6 Návrh tepelných pomìrù 271 6 6 1 Chladiè 271 6 6 2 Tepelná ochrana celého spínaného zdroje 272 6 7 Autorestart 272 6 8 Výstupní pøepì ová ochrana 273 6 9 Proud pro zmìnu støídy 275 A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 9

6 10 Èinnost pøi minimální hodnotì støídy 275 6 11 Smyèka zpìtné vazby 275 6 11 1 Základní techniky 275 6 11 2 Obvod TOPSwitch s rozšíøenou šíøkou pásma 277 6 12 EMI (Electromagnetic Interference, elektromagnetické rušení) 278 6 12 1 Pøednosti obvodù TOPSwitch 278 6 12 2 Návrh odrušovacího filtru 278 6 13 Mìkký start 278 6 13 1 Zpìtná vazba s optronem 278 6 13 2 Zpìtná vazba ze samostatného vinutí 279 6 14 Doporuèené zapojení optronu 280 6 15 Obvod vypínání pøi vstupním podpìtí 280 6 15 1 Zpìtná vazba s optronem 280 6 15 2 Zpìtná vazba ze samostatného vinutí 281 6 16 Zdvojovaè napìtí pro zvýšení výstupního napìtí 282 6 17 Preregulátor PFC (Power Factor Correction = korekce úèiníku) 283 6 17 1 Inverzní (závìrné) napìtí kolektor-emitor 284 6 17 2 Autorestart 284 6 17 3 Pøíklad zapojení preregulátoru pro výkon 65 W 284 7 OBVODY PRO REGULACI NA KONSTANTNÍ PROUD A VÝKON 287 7 1 Tranzistorový obvod proudového limitu zdroje 7,5 V/1 A 288 7 1 1 Napì ový øídicí obvod 290 7 1 2 Proudový øídicí obvod 291 7 1 3 Vliv teploty pøechodu 292 7 1 4 Kmitoètová kompenzace 292 7 1 5 Zdroj zpìtnovazebního napìtí 292 7 1 6 Napì ové pomìry na optronu 293 7 1 7 Snímání proudu operaèním zesilovaèem 294 7 2 Popis zdroje 15 V/2 A 294 7 2 1 Napì ový øídicí obvod 295 7 2 2 Obvod øízení proudu 296 7 2 3 Primární a sekundární napájecí zdroj zpìtnovazební smyèky 296 7 2 4 Sériový odpor optronu 299 7 2 5 Kmitoètová kompenzace smyèek napì ové a proudové zpìtné vazby 299 7 3 Øízení zdroje 15 V/2 A na konstantní výkon 300 7 3 1 Popis obvodu 300 7 3 2 Korekce nepøesného napìtí Zenerovy diody 303 10 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

7 4 Zapojení zdroje s vysokou pøesností proudového omezení výstupu 304 7 4 1 Nastavení výstupního napìtí a výstupního proudu 305 7 4 2 Zpìtnovazební vinutí primární strany 306 7 4 3 Zpìtnovazební vinutí sekundární strany 307 8 NÁVRH ZDROJE S VÍCE VÝSTUPY 309 8 1 Postup návrhu 311 8 2 Požadavky na výstupní napìtí 311 8 3 Návrh transformátoru 313 8 3 1 Pøehled parametrù návrhu transformátoru 315 8 3 2 Výpoèet poètu sekundárních závitù 316 8 3 3 Výbìr výstupního vodièe 318 8 3 4 Oddìlená sekundární vinutí 320 8 3 5 Spoleèná výstupní vinutí 320 8 3 6 Konstrukce vinutí pro zlepšení køížové regulace 322 8 3 7 Kontrola návrhu 322 8 4 Návrh výstupního usmìròovaèe 323 8 5 Popis èinnosti obvodu 325 8 6Spojení optronem 329 8 7 Obvod mìkkého startu 330 8 8 Zlepšení regulace pøi malých hodnotách výstupní zátìže 331 8 9 Výstupy záporného napìtí 331 8 10 Výstupy 3,3 V a 5 V 332 8 10 1 Lineární stabilizátor 332 8 10 2 Odboèka na vinutí +5 V 333 8 10 3 Samostatná vinutí 333 8 11 Konstrukèní detaily transformátoru 335 9 NEIZOLOVANÝ ZPÌTNOVAZEBNÍ ZDROJ 339 9 1 Zdroj pro stejnosmìrný motor 340 9 1 1 Výbìr souèástek pro nastavení hodnoty výstupního napìtí 342 9 1 2 Zatìžovací a pøevodní charakteristika, teplotní závislost 342 9 1 3 Zpìtnovazební øídicí vstup a souèástky zpìtné vazby 343 9 2 Zdroj pro motor 5 V s pomocnými výstupy 343 9 3 Levný zdroj s výstupním napìtím +5 V 345 9 4 Návrh transformátoru 347 A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 11

10 DALŠÍ PØÍKLADY SPÍNANÝCH ZDROJÙ 349 10 1 Levný zdroj s malým poètem souèástek 350 10 2 Napájecí zdroj pro výkonový pøijímaè 355 10 2 1 Souhrn požadavkù pøijímaèe PLT-20 na napájení 356 10 2 2 Souhrn vlastností návrhu 356 10 2 3 Seznam souèástek 358 10 2 4 Postup vinutí transformátoru 359 10 2 5 Zatìžovací charakteristika 360 10 2 6 Pøevodní charakteristika 361 10 2 7 Pøechodová charakteristika na pulzní zmìnu zátìže 361 10 2 8 Závislost úèinnosti na vstupním støídavém napìtí 362 10 2 9 Závislost úèinnosti zdroje na zatìžovacím proudu 363 10 2 10 Oteplení klíèových souèástek 363 10 2 11 Mìøení základního støídavého šumu 363 10 2 12 Støídavá vstupní impedance 364 10 3 DC/DC mìnièe 365 10 3 1 Mìniè z 48 V/+3,3 V 366 10 3 1 1 Transformátor 367 10 3 2 Mìniè s vícenásobným výstupem +5 V/±15 V 371 10 3 2 1 Transformátor mìnièe 373 10 3 3 DC/DC mìniè +48 V/ 55 V 375 10 3 3 1 Transformátor mìnièe 376 10 4 Spínaný zdroj 375 V/15 V bez transformátoru 378 10 5 Nabíjeèka pro akumulátory 12 V 380 PØÍLOHA I 383 PØÍLOHA II 384 PØÍLOHA III 385 LITERATURA 386 12 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

SEZNAM POUŽITÝCH ZNAÈEK A SYMBOLÙ A e [cm 2 ] efektivní prùøez magnetického jádra transformátoru A L [H/T 2 ] efektivní hodnota indukèní konstanty jádra transformátoru bez vzduchové mezery v jádøe A L [H] indukèní konstanta jádra bez vzduchové mezery A LG [H] indukèní konstanta pro nastavenou velikost šíøky vzduchové mezery (G = gap = mezera) AWG americké oznaèení prùmìrù vodièù (American Wire Gauge) B AC [T] støídavá efektivní hodnota magnetické indukce B M, B MAX [T] maximální hodnota magnetické indukce BOOST oznaèení pro spínané zdroje zvyšující napìtí na výstupu proti napìtí vstupnímu (boost = vzhùru) BR oznaèení mùstkového usmìròovaèe na schématech (BR = bridge = most) BUCK oznaèení pro spínané zdroje, snižující výstupní napìtí oproti napìtí vstupnímu (buck off = shodit) BV DSS [V] závìrné napìtí mezi kolektorem a emitorem tranzistoru MOSFET (BV = breakdown voltage = poruchové závìrné napìtí) BW [mm] šíøka cívky pro vinutí (BW = bobin width = šíøka cívky) BW E [mm] efektivní šíøka cívky, napø pro vícevrstvé vinutí je dána souèinem poètu vrstev vinutí a šíøky cívky C oznaèení kondenzátoru na schématu C DRAIN [F] kapacita mezi vývody DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch C IN [F] kapacita vstupního kondenzátoru zdroje CMA [Cmils/A] proudová kapacita vodièe (Cmil = circular mil = plocha kruhového prùøezu v milech, 1 mil = 1/1000 palce = 25,4 µm) CMOS oznaèení typu technologie tranzistoru øízeného polem (CMOS = = Complementary Metal Oxide Semiconductor = komplementární struktura s tranzistory s kanálem N i P, vytvoøená z kovu, oxidu a polovodièe) CONTROL oznaèení øídicího vstupu obvodù TOPSwitch (control = øízení) cos j úèiník C SS [F] kapacita kondenzátoru mìkkého startu (SS = soft start) C T [F] kapacita vstupu CONTROL proti SOURCE CuL oznaèení pro mìdìný vodiè s lakovou izolací C X [F] kapacita blokovacího kondenzátoru A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 13

C XT [F] kapacita primárního vinutí transformátoru D oznaèení diody na schématu DC/DC pøevodník ze stejnosmìrného napìtí na vstupu na stejnosmìrné napìtí na výstupu, obvykle o jiné velikosti èi polaritì (DC = direct current = pøímý, stejnosmìrný proud) DC MAX [%] maximální hodnota støídy spínání (DC = duty cycle = pracovní cyklus = obvykle pomìr doby sepnutí k dobì periody, nìkdy i pomìr doby sepnutí k dobì rozepnutí) DC MIN [%] minimální hodnota støídy spínání di/dt [A/s] rychlost nárùstu (nebo poklesu) proudu v èase, strmost nárùstu proudu DIA [mm] prùmìr vodièe (dia = diameter = prùmìr) DIA S [mm] prùmìr sekundárního vodièe DIL oznaèení typu pouzdra integrovaného obvodu (DIL = dual in line = vývody ve dvou øadách) DIP-8 oznaèení typu pouzdra integrovaného obvodu s osmi vývody DRAIN oznaèení elektrody obvodù TOPSwitch, na kterou je uvnitø struktury pøipojen i drain (kolektor) interního tranzistoru MOSFET du/dt [V/s] rychlost nárùstu (nebo poklesu) napìtí v èase, strmost nárùstu napìtí EA oznaèení pro chybový zesilovaè na schématu (EA = error amplifier = chybový zesilovaè) EMI oznaèení pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMI = electromagnetic interference = elektromagnetické vzájemné pùsobení) ESL [W] efektivní sériový odpor cívky (ESL = effective serial L = efektivní sériový odpor cívky) ESR [W] efektivní sériový odpor kondenzátoru (ESR = effective serial resistor) f L [Hz] kmitoèet sítì (L = line = sí ) f S [Hz] kmitoèet spínání, pøepínání (S = switch = pøepínání) FREQUENCY oznaèení vývodu obvodu TOPSwitch, pomocí kterého lze nastavovat hodnotu spínacího kmitoètu HV RTN oznaèení výstupního zemního vodièe (HV RTN = high voltage return = návrat vysokého napìtí) I ACRMS [A] efektivní hodnota støídavého proudu (AC = alternating current = støídavý proud, RMS = root mean square = støední kvadratická hodnota = efektivní hodnota) I AVG [A] støední hodnota proudu (AVG = average = prùmìr) I C [A] nabíjecí proud vstupu CONTROL I CTRL [A] proud øídicí elektrody CONTROL obvodu TOPSwitch I D [A] proud elektrody DRAIN obvodu TOPSwitch, s níž je uvnitø struktury spojen drain (kolektor) interního MOSFET tranzistoru I DC1 [A] vybíjecí proud øídicí elektrodou CONTROL pøi interním tranzistoru MOSFET sepnutém (DC = discharge current = vybíjecí proud) 14 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

I DC2 [A] vybíjecí proud øídicí elektrodou CONTROL pøi interním tranzistoru MOSFET rozepnutém I F [A] proud vývodem FREQUENCY I LIMIT [A] proud omezení, limitace obvodu TOPSwitch (limit = hranice, mez) I LIMIT int [A] proud interního (vnitøního) omezení obvodem TOPSwitch I M [A] maximální hodnota proudu I M(DC) [A] maximální hodnota proudu I OB [A] proudová hranice mezi spojitým a nespojitým režimem èinnosti spínaného zdroje I P [A] špièková hodnota primárního proudu I PRI [A] proud primárním vinutím transformátoru I R [A] zvlnìná hodnota primárního proudu I RIPPLE [A] efektivní hodnota zvlnìného proudu (ripple = vlnìní) I RMS [A] efektivní hodnota primárního proudu I SEC [A] proud sekundárním vinutím transformátoru I SP [A] špièková hodnota sekundárního proudu I SRMS [A] efektivní hodnota sekundárního proudu I UV [A] proud podpìtí (UV = under voltage = pod napìtí = podpìtí) j [A/mm 2 ] proudová hustota K JA [K/W] tepelný odpor mezi pøechodem (junction = pøechod) a okolím (ambient = okolí) K JC [K/W] tepelný odpor mezi pøechodem a pouzdrem souèástky (case = pouzdro) K RP [%] koeficient pomìru zvlnìného a špièkového proudu (RP = ripple peak = zvlnìní špièka) L [H] indukènost L oznaèení cívky (tlumivky) na schématu L e [cm] efektivní délka magnetické siloèáry jádra transformátoru LED oznaèení pro svítivou diodu na schématu (LED = light emitting diode = svìtlo emitující dioda) Lg [m] velikost vzduchové mezery v magnetickém obvodu jádra transformátoru (Lg = length gap = délka mezery) L MAX [H] maximální hodnota indukènosti cívky L MIN [H] minimální hodnota indukènosti cívky L P [H] indukènost primárního vinutí transformátoru M [mm] velikost (délka) izolaèní vzdálenosti mezi okrajem vinutí a cívkou transformátoru MOSFET oznaèení unipolárního tranzistoru (MOS = metal oxide semiconductor = kov oxid polovodiè), øízeného polem (FET = field effect transistor = tranzistor s efektem elektrického pole) MULTIFUNCTION oznaèení vícefunkèní elektrody obvodù TOPSwitch øady FX A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 15

N N B N J [1/V] N P N S OD [mm] OD S [mm] ON/OFF OV P [W] P1 [W] P CXT [W] PF PFC P IR [W] PIV B [V] PIV S [V] P MIN [W] PN P O, P OUT [W] P PEAK [W] PWM R R A, R B [W] RC RCD R D [W] R DS(ON) oznaèení vinutí transformátoru poèet závitù zpìtnovazebního vinutí (B = bias = ovlivnit) konstanta transformátoru, urèující poèet závitù na jeden volt daného vinutí poèet závitù primárního vinutí transformátoru poèet závitù sekundárního vinutí transformátoru prùmìr vodièe vèetnì tlouš ky jeho izolace (OD = out diameter = = vnìjší prùmìr) prùmìr sekundárního vodièe vèetnì tlouš ky jeho izolace oznaèení vstupu, kterým lze obvod TOPSwitch zapínat a vypínat (pøechod z aktivní èinnosti do neaktivní a naopak) pøepìtí (OV = over voltage = pøepìtí) výkon pøíkon, primární výkon ztrátový výkon pøepínacími ztrátami oznaèení pro úèiník (cos j) v USA (Power Factor = výkonový faktor) korekce úèiníku (Power Factor Correction = korekce výkonového faktoru) ztrátový výkon obvodù TOPSwitch vedením proudu sepnutým interním tranzistorem MOSFET maximální hodnota závìrného (B = bias = ovlivnit) špièkového napìtí na usmìròovací diodì zpìtnovazebního usmìròovaèe (PIV = peak inverse voltage = špièkové závìrné napìtí) maximální hodnota závìrného špièkového napìtí na usmìròovací diodì sekundárního usmìròovaèe minimální hodnota výkonu oznaèení pro PN pøechod (polovodièové diody, tranzistoru, ) výstupní výkon (O = output = výstup) špièkový výkon zkratka pro oznaèení pulznì šíøkové modulace jako regulaèního principu spínaného zdroje (PWM = pulse width modulation = pulznì šíøková modulace) oznaèení odporu na schématu ohmická hodnota odporu oznaèení pro RC èlen, tj pro dvojici odpor a kondenzátor oznaèení pro ochranný obvod na primáru transformátoru, složený z odporu, kondenzátoru a diody odpor diody D v propustném smìru odpor kanálu interního tranzistoru MOSFET v obvodu TOPSwitch mezi kolektorem (DRAIN) a emitorem (SOURCE) v sepnutém stavu (ON) 16 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

R E [W] interní snímací odpor v TOPSwitch R IL [W] odpor nastavení omezení proudu R LS [W] odpor nastavení velikosti hranice podpìtí a pøepìtí R ZD2 [W] odpor Zenerovy diody ZD2 v pracovním bodì za kolenem její charakteristiky v závìrném smìru S Fe [m 2 ] prùøez jádra transformátoru SMD sufrace mounting devices = povrchová montáž souèástek SMD-8 typ pouzdra integrovaného obvodu s osmi vývody pro SMD montáž SOURCE oznaèení pro elektrodu obvodù TOPSwitch, která je internì spojena s emitorem (source) tranzistoru MOSFET T [s] doba periody spínání T1 oznaèení transformátoru na schématu T 100 [s] doba periody napìtí po dvoucestném usmìrnìní sítì 50 Hz t C [s] doba po kterou vede dioda vstupního usmìròovaèe proud (C = conducting = vedení, vodivý) TC [1/cm] poèet závitù daného vodièe, který se vejde na 1 cm šíøky vinutí cívky THD oznaèení pro zkreslení v USA (THD = total harmonic distortion = = celkové harmonické zkreslení) T j [ C] teplota pøechodu (J = junction = pøechod) TO-220-7B typ pouzdra obvodù TOPSwitch se sedmi pozicemi pro vývody, ale jen s pìti skuteènými vývody t OFF [s] doba vypnutí, rozepnutí t ON [s] doba sepnutí U oznaèení integrovaného obvodu na schématu U ACMAX [V] nejvyšší možná efektivní hodnota støídavého (sí ového) vstupního napìtí spínaného zdroje U ACMIN [V] nejnižší možná efektivní hodnota støídavého (sí ového) vstupního napìtí spínaného zdroje U B [V] hodnota zpìtnovazebního napìtí U BE [V] napìtí na bázovém pøechodu bipolárního tranzistoru v propustném smìru (mezi bází a emitorem) U CES [V] saturaèní napìtí bipolárního tranzistoru U CLO [V] indukované napìtí na primárním vinutí transformátoru U CTRL [V] napìtí mezi øídicí elektrodou CONTROL a elektrodou SOURCE (zem) obvodu TOPSwitch U D, U F [V] napìtí na diodì v propustném smìru (F = forward = pøední) U D2 [V] propustné napìtí na diodì D2 U DB [V] propustné napìtí na diodì zpìtnovazebního usmìròovaèe U DS [V] propustné napìtí na diodì sekundárního usmìròovaèe U DS(ON) [V] napìtí mezi elektrodami DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch pøi jeho sepnutí A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 17

U DSmax [V] U DSo [V] U IN [V] U LED [V] U MS [V] U O, U OUT [V] U OV [V] U R [V] U REF [V] U UV [V] UV U ZD2 [V] VA W F(max) [m] W T(min) [m] Z [W] Z C [W] ZD h [%] p DI CTRL [A] DI D [A] DU OUT [V] DU REF [V] F M [Wb] t RR [s] maximální napìtí mezi elektrodami DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch napìtí mezi elektrodami DRAIN a SOURCE obvodu TOPSwitch v jeho rozepnutém stavu stejnosmìrné vstupní napìtí (na kondenzátoru C1 zdroje) napìtí na svítivé diodì (LED) optronu v propustném smìru napìtí mezi vývody MULTIFUNCTION a SOURCE výstupní napìtí velikost pøepìtí, pøi kterém reaguje pøepì ová ochrana obvodù TOPSwitch velikost závìrného napìtí na diodì (R = reverse = zpìtný) velikost referenèního napìtí (obvykle obvodu TL431) velikost podpìtí, pøi kterém reaguje podpì ová ochrana obvodù TOPSwitch oznaèení pro podpìtí (UV = under voltage = podpìtí) napìtí na Zenerovì diodì v pracovním bodì v závìrném smìru za kolenem její VA charakteristiky zkratka pro voltampérovou charakteristiku souèástky maximálné hodnota tlouš ky stìny cívky celková šíøka cívky vèetnì tlouš ky boèních stìn (pro možnost zjištìní, zda se taková cívka vejde do jádra) impedance impedance vstupní elektrody CONTROL proti SOURCE oznaèení pro Zenerovu diodu na schématu, také ZD1, ZD2, úèinnost Ludolfovo èíslo (3,14159 ) zmìna proudu øídicí elektrodou CONTROL zmìna proudu elektrodou DRAIN zmìna výstupního napìtí zdroje zmìna referenèního napìtí maximální (špièková) hodnota magnetického toku jádra vypínací doba diody (RR = reverse recovery time = doba závìrného zotavení) 18 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

ÚVOD Obvody TOPSwitch Firma Power Integrations, Inc 5245 Hellyer Avenue San Jose, CA 95138 USA vyrábí nìkolik øad obvodù TOPSwitch Tyto obvody lze vzhledem k jejich jednoduchosti pøirovnat k tøísvorkovým lineárním monolitickým stabilizátorùm a lze je považovat za souèasné optimum øešení spínaných zdrojù o výkonu do 250 W V ÈR se prodávají vybrané obvody, urèené pro napájení ze sítì 230 V, tj obvody TOP2xx Napø fa GM Electronic inzeruje (ke dni 14 11 2001) následující typy tìchto obvodù: W\S VNOþtVOR FHQD þ 723<$, 723<$, 723<$, 7233), 723<$, Všechna zapojení, která jsou uvedena s obvody TOP1xx jsou urèena pro støídavé napìtí sítì 110 V a lze je pøi použití obvodù TOP2xx aplikovat i na sí ové napìtí 230 V po zdvojnásobení poètu primárních závitù transformátoru Detailní katalogové listy všech obvodù pro možnost porovnání jednotlivých typù jsou na adrese http://www powerint com/datasheets htm, z tìchto katalogových listù vycházejí i zde uveøejnìné parametry Transformátory Všechny obvody TOPSwitch jsou pøednostnì urèeny do zapojení s transformátorem a zpìtnou vazbou, a již z výstupu nebo ze samostatného sekundárního zpìtnovazebního vinutí Protože transformátor jako souèástku nelze koupit hotový a je nutno jej vždy individuálnì vinout, je zde vìnována zpùsobu zhotovení velká pozornost Vlastní návrh transformátoru pak je dán programem v Excelu od fy Power Integrations, Inc, který si lze volnì zkopírovat po pøihlášení na adrese http://www powerint com/designsoftware htm Program je však poplatný americké provenienci a tak v øadì bodù se oznaèování velièin liší od evropských zvyklostí Pokud by nìkterý ètenáø mìl zájem o jeho èeskou mutaci, lze se obrátit na autora pomocí e-mailu Magnetické materiály pro konstrukci jader transformátorù, ale i další díly jako jsou kostry cívek a vodièe nejsou obvykle bìžnì na trhu Velký sortiment tìchto materiálù však prodává jak osobnì, tak i na dobírku fa Elektronika JD&VD, Meèovská 378/3, 193 00 Praha Horní Poèernice, jejíž nabídku najdete na adrese http://www ferity cz/ Vede prakticky celý sortiment firmy Pramet Šumperk, jako jsou jádra (E, EI, EDT, EC, EF, toroidy apod ) vèetnì cívkových koster, montážních spon a samopájecích vodièù A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 19

Firma prodává i kusové množství, ceník je na uvedené adrese Pro odbìr ve vìtším množství je možno se obrátit i na adresu http://www tr edb cz/unilex htm, kde inzeruje firma, navíjející transformátory, cívky i odrušovací tlumivky Schémata zapojení Pøestože jsou si všechna schémata zapojení spínaných zdrojù s obvody TOPSwitch do znaèné míry podobná, byl pro pøehlednost popisu zvolen zpùsob kreslení vždy celého zapojení a ne jen zmìnìné èásti Na nìkterých schématech je vedením vodièù zdùraznìno spojení souèástek v jediném zemním bodu, ale tento zpùsob spojování platí samozøejmì pro všechna uvedená zapojení V jednotlivých popisech zapojení se i opakují nìkolikrát stejná fakta tak, aby se omezil poèet odkazù a ètenáø nemusel èíst celou knihu pøi studiu jednoho zapojení Nìkterá schémata vycházejí z profesionálních výrobkù spínaných napájecí zdrojù øady ST200 (v knize je nejèastìji zmiòovaný typ ST202A) Jedná se o finální výrobky urèené pro telekomunikaèní techniku, které nejsou bohužel na trhu bìžnì dostupné Bezpeènost Vzhledem k tomu, že všechna zapojení jsou pøímo galvanicky spojena se sítí, existuje zejména pøi oživování velké nebezpeèí úrazu a to jak dotykem na fázový vodiè proti zemi, tak dotykem mezi fázovým a nulovým vodièem Pro oživování tìchto typù zdrojù se doporuèuje používat oddìlovacího transformátoru 1 : 1 (230 V/230 V) Takové transformátory nejsou bìžnì k dispozici, ale lze je snadno nahradit dvojicí transformátorù Nejvhodnìjší jsou toroidní transformátory 230 V/12 V pro osvìtlovací techniku, které se vyrábìjí a standardnì prodávají pro celou škálu potøebných výkonù Pøipojíme-li na výstup takovéhoto transformátoru stejný další, ale v opaèném pøevodu, dostaneme výsledkem oddìlovací transformátor Pøi jeho použití již je výstupní napìtí 230 V vzhledem k zemi plovoucí a dotykem na jeden z vodièù již nemùže dojít k úrazu Samozøejmì nebezpeèí dotyku mezi obìma výstupními vodièi trvá Z hlediska bezpeènosti pøi vlastním provozu zdroje je nutno vìnovat mimoøádnou péèi realizaci transformátoru, který musí vyhovovat zejména z hlediska izolaèních vzdáleností jak jednotlivých vinutí, tak potom i pøipojením na plošný spoj Mìøení Pro všechny spínané zdroje obecnì platí omezená možnost užívat pøi mìøení støídavých mìøících pøístrojù, které obvykle nemají možnost mìøit skuteènou efektivní hodnotu daného prùbìhu Vìtšina pøístrojù mìøí støední hodnotu po usmìrnìní a tuto hodnotu pøevádí koeficientem 1,11 na hodnotu efektivní, zobrazovanou na displeji Koeficient 1,11 však platí pouze pro sinusový prùbìh a jakákoliv odchylka od tohoto sinusového prùbìhu znamená, že tyto pøístroje užít nelze Proto je nejèastìjší užívání osciloskopù, které prùbìhy zobrazují vìrnì Vìtšina osciloskopù má však svoji zem spojenu se zemí sítì a tím ve všech zapojeních spínaných zdrojù, kde je na vstupu mùstkový usmìròovaè jsou tyto osciloskopy vlastnì nepoužitelné Øešením je užít osciloskop se speciálním vstupem, jehož vstupní svorka nižšího potenciálu 20 A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH A

mùže plavat na pomìrnì vysokém napìtí, nebo užít dvoukanálový osciloskop v diferenciálním zapojení a koneènì užít oddìlovací transformátor (viz výše) a zemnit osciloskopem právì ten jeden jediný mìøený bod zapojení, kam pøipojujeme zem mìøicí sondy Pøestože spínané zdroje s obvody TOPSwitch lze považovat v souèasných aplikacích za horkou novinku, existuje kromì firemní literatury velmi málo aplikaèních publikací Je možno jen doufat, že tato publikace se stane vodítkem pro širší aplikaci tìchto obvodù, které se dostaly teprve nedávno na náš trh Publikace byla zpracována v rámci øešení úkolu Rozhodování a øízení pro prùmyslovou výrobu, Vývoj inteligentních prùmyslových automatù a prostøedí pro jejich obsluhu 34-99136 Napájecí zdroje prùmyslových automatù Pokud by vznikly nìjaké pøipomínky, pøípadnì dotazy, lze se obrátit na autora prostøednictvím e-mailové adresy krejciri@feld cvut cz A A KREJÈIØÍK: SPÍNANÉ NAPÁJECÍ ZDROJE S OBVODY TOPSWITCH 21