השתמשו ב-ICs‏ מיתוג מתקדמים כדי לממש ספקי-כוח AC/DC בהספק נמוך, יעילים ועתירי-מאפיינים

ספקי-כוח AC/DC בהספק נמוך של בערך W‏ 10‏ או פחות משמשים באופן נרחב בעמעמים ביתיים, מתגים, חיישנים, מכשירי חשמל, אינטרנט של דברים (IoT) ופקדים תעשייתיים. יחס המחזור שלהם הוא נמוך יחסית, כאשר העומס שלהם נמצא באופן-המתנה לפרקי זמן ארוכים, אך הספקת-הכוח חייבת "להתעורר" במהירות כאשר ההתקן מופעל.

תכנון ספקי-כוח כאלו הוא קל בעיקרון: התחילו עם כמה דיודות עבור יישור, הוסיפו IC בקר, הציבו קבלי סינון ביציאה, הכניסו שנאי אם יש צורך בבידוד, והמשימה הושלמה. עם זאת, למרות הפשטות לכאורה, המציאות של יצירת ספקי-כוח אלו שונה משמעותית.

הם חייבים לספק את הפונקציה הבסיסית של הספקת-כוח DC‏ יציבה לפסי הצבירה של היציאה ולעמוד במספר דרישות רגולטוריות מחמירות עבור בטיחות המשתמש, הנצילות תחת עומס והנצילות באופן-המתנה. בנוסף, ישנן סוגיות של פרישה פיזית, רכיבי תמיכה, אמינות, הערכת ביצועים, הרשאה ומארז שעל המתכננים להביא בחשבון, שכן הם פועלים גם למזעור חתימת-השטח והעלות תוך עמידה בזמני יציאה לשוק קצרים.

מאמר זה מציג משפחה של ICs‏ של בקרי מיתוג מרשת-החשמל משולבים ביותר של Power Integrations‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי להתמודד עם אתגרים אלו.

IC‏ בקר ו-MOSFET‏ משולבים

משפחת LinkSwitch-TNZ‏ של שמונה ICs‏ של בקרי מיתוג מרשת-החשמל שלPower Integrations משלבת מתג MOSFET להספק V‏ 725‏ עם בקר הספקת-כוח בהתקן יחיד הנתון במארז SO-8C‏. כל IC מונוליתי מציע יכולת עמידה מצוינת מפני נחשולים, מתנד, מקור זרם-ממותג במתח גבוה עבור ממתח-עצמי, ריצוד תדרים, גבול זרם מהיר (מחזור-אחר-מחזור), כיבוי תרמי עם היסטרזיס, ומעגלי הגנת מתח-יתר יציאה וכניסה.

ההתקנים יכולים להוות את הליבה של סידור לא-מבודד כמו תכן ממיר Buck‏ (איור 1) באמצעות LNK3306D-TL‏ עם זרם יציאה של mA‏ 225‏ או mA‏ 360‏, בהתאם לאופן ההולכה שנבחר. ניתן גם להגדיר אותם כספקי-כוח לא-מבודדים, המספקים עד mA‏ 575‏ של זרם יציאה.

איור 1‏: תכן טיפוסי זה של ממיר Buck‏ לא-מבודד המשתמש בחלק של משפחת LinkSwitch‏ הוא רק אחת מתוך טופולוגיות אפשריות רבות שניתן לממש באמצעות התקנים אלו. (מקור התמונה: Power Integrations)

בעוד שעומסים עם בידוד כפול או מוגנים בדרך אחרת מתקלות בחיווט קווי AC אינם זקוקים לבידוד גלווני, התקנים מסוימים דורשים זאת. השימוש בהתקני LinkSwitch-TNZ בתכן Flyback‏ מבודד עם כניסה אוניברסלית הוא בחירה טובה יותר במצב כזה. ההתקנים מציעים הספק יציאה של עד W‏ 12‏ בטופולוגיה זו.

ה-ICs של משפחת LinkSwitch-TNZ מציעים זרמי יציאה ויכולות הספק שונות, בהתאם לטופולוגיה (טבלה 1).

טבלה 1: משפחת LinkSwitch-TNZ תומכת במספר תצורות, טופולוגיות ואופני פעולה. לכל סידור יש זרם יציאה מקסימלי או מגבלת הספק שונה. (מקור התמונה: Power Integrations)

מהרעיון ועד למימוש

האינטגרציה הגבוהה והגמישות של משפחת LinkSwitch-TNZ מפשטת את משימת המתכנן. בין האתגרים הרבים של פיתוח תכנון ספק-כוח מורשה הניתן למשלוח הם:

1. דרישות מחייבות מחמירות הקשורות עם נצילות ובטיחות. אלו נהיים קשים יותר עקב הצורך בהספקת-כוח באופן-המתנה תוך עמידה בתקנות מחמירות של נצילות הספקת-הכוח באופן-המתנה. ה-ICs של LinkSwitch-TNZ מעניקים נצילויות עומס קל הטובות ביותר בסוגן, ומאפשרות יותר מאפייני מערכת תוך עמידה בתקנות אופן-המתנה הכוללות:
   • תקן הנציבות האירופית (EC) עבור מכשירי חשמל ביתיים (1275), המחייב ציוד לצרוך לא יותר מ-W‏ 0.5‏ באופן-המתנה או באופן כבוי
   • Energy Star גרסה 1.1 עבור מערכות ניהול אנרגיה לבית חכם (SHEMS‏), המגבילה את צריכת אופן-המתנה של התקני בקרת תאורה חכמים ל-W‏ 0.5‏
   • תקן GB24849‏ של סין, המגביל את צריכת ההספק באופן כבוי בתנורי מיקרוגל ל-W‏ 0.5‏

תוך עמידה בדרישות אלה, ה-ICs של LinkSwitch-TNZ גם מפחיתים את מספר הרכיבים ב-40% או יותר בהשוואה לתכנים בדידים. ICs של ספקי-כוח ממותגים אלה מאפשרים ייצוב של ±3% על פני קו ועומס, יש להם צריכת הספק ללא-עומס של פחות מ-mW‏ 30‏ עם ממתח חיצוני, ויש להם זרם אופן-המתנה IC של פחות מ-µA‏ 100‏.

2. תמיכה בטוחה בחיבורי קווי AC שני-חוטים ללא חוט נקודת אפס (Neutral‏) וחיבורי שלושה-חוטים. לעומסים רבים, כגון עמעמים, מתגים וחיישנים אין חוט שלישי זה, כך שיש סיכון לזרם זליגה חריג העלול להיות מסוכן. התקן מגדיר את זרם הזליגה המקסימלי בנסיבות שונות, וזרם הזליגה של ה-LinkSwitch-TNZ של מתחת ל-µA‏ 150‏ בתכנים של שני חוטים וללא חוט-נקודת אפס (Neutral‏) הוא מתחת למקסימום זה.
3. אין לחרוג מגבולות פליטת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). כדי לעמוד ביעד זה, מתנד LinkSwitch-TNZ משתמש בטכניקת ספקטרום-מפוזר (Spread Spectrum‏) המכניסה כמות קטנה של ריצוד תדר של 4 קילו-הרץ (kHz) סביב תדר המיתוג הנומינלי של 66 קילו-הרץ (איור 2). קצב האפנון של ריצוד התדר מוגדר ל-1 קילו-הרץ כדי למטב את הפחתת ה-EMI עבור פליטות ממוצעות וקוואזי-שיא כאחד.

איור 2: כדי לשמור על פליטות EMI מתחת לגבול הרגולטורי, מתנד LinkSwitch-TNZ משתמש בטכניקת ספקטרום-מפוזר עם פיזור של 4 קילו-הרץ סביב תדר המיתוג הנומינלי של 66 קילו-הרץ. (מקור התמונה: Power Integrations)

4. גילוי חציות אפס של קווי AC עם מינימום רכיבים נוספים או צריכת הספק. גילוי זה נחוץ עבור מתגי אור, עמעמים, חיישנים ותקעים, המחברים ומנתקים את קו ה-AC מעת לעת באמצעות ממסר או טריאק.

אות חציית-אפס משמש במוצרי ומכשירי אוטומציה בבניינים ובתים (HBA) חכמים כדי לבקר את המיתוג ולמזער את מתח המיתוג וזרם ההתנעה של המערכת.

בדומה, מכשירי חשמל משתמשים לעתים קרובות במעגל חציית-אפס בדיד כדי לבקר את תזמון המנוע ויחידת המיקרו-בקר (MCU). יישומים אלה דורשים גם ספק-כוח עזר עבור חיבוריות אלחוטית, דוחפי שער, חיישנים וצגים.

כדי להשיג זאת ממשים בדרך כלל מעגל בדיד לגילוי חציית-אפס של קו ה-AC כדי לבקר את המעבר להפעלה של התקן הספקת-הכוח הראשי תוך הפחתת הפסדי המיתוג וזרם ההתנעה. גישה זו דורשת רכיבים רבים וגורמת להפסדי הספק, ולעיתים צורכת כמעט מחצית מתקציב הספקת-הכוח באופן-המתנה.

במקום זאת, ה-LinkSwitch-TNZ ICs מספקים אות מדויק המציין שקו ה-AC הסינוסואידלי נמצא באפס וולט. הגילוי של LinkSwitch-TNZ של חציית-אפס צורך מתחת ל-mW‏ 5‏, ובכך מאפשר למערכות להפחית את הפסדי ההספק באופן-המתנה לעומת גישות חלופיות הדורשות עשרה רכיבים נפרדים או יותר ומבזבזות mW‏ 50‏ עד mW‏ 100‏ של ההספק הרצוף.

ואז יש את הקבל X

מסנני קווי EMI כוללים קבלים Class X ו- Class Y כדי למזער את יצירת EMI/RFI. הם מחוברים ישירות לכניסת הספקת-הכוח AC בקו ה-AC ובקו האפס (איור 3).

איור 3: סינון EMI דורש קבלי סינון Class X ו- Class Y בקו ה-AC, אך יש לנהל את קבל Class X לאחר ניתוק הקו כדי להבטיח את בטיחות המשתמש. (מקור התמונה: www.topdiode.com)

תקני הבטיחות דורשים שהקבלים X במסנני EMC ייפרקו כאשר קו ה-AC מנותק כדי להבטיח שהמתח והאנרגיה המאוחסנים לא יישארו על כבל הקו לפרק זמן ממושך לאחר הניתוק. זמן הפריקה המרבי המקסימלי המותר מוגדר על ידי תקנים תעשייתיים כגון IEC60950 ו-IEC60065.

הגישה המסורתית להבטחת הפריקה הנדרשת היא הוספת נגדי ניקוז (Bleeder‏) במקביל לקבל X. עם זאת, גישה זו מגיעה עם קנס על ההספק. פתרון טוב יותר הוא לכלול פונקציית פריקת קבלים X עם קבוע זמן הניתן להגדרה על ידי המשתמש. ICs כגון ה-LNK3312D-TL‏ נוקטים בגישה זו. התוצאה היא הפחתת שטח לוח המעגלים המודפסים (PC), מפרט חומרים (BOM) קטן יותר ואמינות משופרת.

ספקי-כוח וממירים זקוקים למספר מאפייני הגנה. כל ההתקנים במשפחת LinkSwitch-TNZ של ICs‏ כוללים:

• אתחול-רך כדי להגביל את המאמץ על הרכיבים בהתנעה
• אתחול-אוטומטי לטובת תקלות קצר וחוג-פתוח
• הגנת מתח-יתר ביציאה
• הגנת מתח-יתר בכניסת הקו
• הגנת טמפרטורת-יתר עם היסטרזיס

מה-IC ועד לתכן שלם

IC לבדו, לא משנה כמה טוב או עמוס במאפיינים, אינו יכול להיות ממיר AC/DC שלם ומוכן לשימוש, מכיוון שרכיבים רבים אינם יכולים או לא אמורים להשתלב בהתקן זה. אלה כוללים קבלי סינון Bulk‏, קבלי מעקף, משרנים, שנאים ורכיבי הגנה. הצורך ברכיבים חיצוניים מוצג בכניסה האוניברסלית הלא-מבודדת, ספק כוח של V‏ 6‏, mA‏ 80‏ במתח קבוע עם גלאי חציית-אפס המבוסס על התקן LNK3302D-TL‏ (איור 4).

איור 4: מוצגים הרכיבים החיצוניים הדרושים עבור כניסה אוניברסלית שלמה ובטוחה לא-מבודדת, ספק כוח של V‏ 6‏, mA‏ 80‏ במתח קבוע עם גלאי חציית-אפס המבוסס על ה-IC‏ LNK3302D-TL‏. (מקור התמונה: Power Integrations)

יש גם מידות מינימליות הקשורות לבטיחות עבור מאפיינים כדוגמת Creepage‏ ו-Clearance‏. הנושא הופך לקושי כאשר מפתחים תכן שלם. משפחת ה-LinkSwitch-TNZ IC מקלה על המשימה. לדוגמה, על ידי שימוש בתדר מיתוג של 66 קילו-הרץ, המגנטיות הנדרשת היא פריט סטנדרטי מן-המדף ממספר יצרנים. בנוסף, Power Integrations מספקת תכני ייחוס.

עבור אלה הדורשים הספקת-כוח מבודדת, תכן הייחוס RDK-877‏ (איור 5) הוא ספק-כוח Flyback‏ מבודד של 6 וואט, עם גילוי חציית-אפס המבוסס על LNK3306D-TL‏.

איור 5: תכן הייחוס RDK-877‏ 6 וואט מספק בידוד בטופולוגיית Flyback‏ ומבוסס על LNK3306D-TL‏. (מקור התמונה: Power Integrations)

לספק-הכוח יש תחום כניסות של _AC‏V‏ 90‏ עד _AC‏V‏ 305‏, יציאה של V‏ 12‏ ב- mA‏ 500‏, וצריכת הספק ללא-עומס של פחות מ-mW‏ 30‏ על פני מלוא תחום מתחי ה-AC‏. באופן-המתנה ההספק הזמין הוא יותר מ- mW‏ 350‏, בעוד שהנצילות באופן-פעיל עומדת בדרישות DOE6‏ ו-EC CoC‏ (v5‏) עם נצילות עומס מלא של יותר מ-80% בעומס נומינלי. התכן עומד גם בדרישות EN550022‏ ו-Class B‏ CISPR-22‏ עבור EMI בהולכה.

סיכום

תכנון ומימוש של ספק-כוח AC/DC‏ בהספק נמוך עלול להיראות טריוויאלי. ובכל זאת, המציאות של עמידה ביעדי ביצועים ונצילות, דרישות רגולטוריות ובטיחותיות, כמו גם עלות, חתימת-שטח ודרישות זמן היציאה לשוק הופכות את זה למשימה מאתגרת. ICs‏ מיתוג כמו אלו של משפחת LinkSwitch-TNZ‏ של Power Integrations‏ עם בקר ו-MOSFET‏ משולבים מקלים מאוד על המשימה. ICs אלה תומכים ברמות הספק שונות וניתן להשתמש בהם עם טופולוגיות הספקת-כוח שונות תוך שילוב מאפיינים חיוניים כגון גילוי חציית-אפס ופריקת קבלי X.