Сетевой источник питания с расширенным диапазоном входных напряжений на основе VIPER26xK

14 июля

учёт ресурсовуправление питаниеммедицинаавтоматизацияинтернет вещейST Microelectronicsстатьяинтегральные микросхемыисточники питанияAC-DCизоляцияInternet-of-ThingsDC-DCIoT

Александр Русу (г. Одесса)

Преобразователи на базе микросхем VIPER26xK из нового семейства VIPerPlus, разработанного компанией STMicroelectronics, можно с успехом использовать для питания интеллектуальных счетчиков электроэнергии, датчиков для промышленных автоматизированных систем, кабельных модемов, а также в приложениях, которые должны работать от одно- или трехфазных источников электрической энергии постоянного или переменного тока с повышенным напряжением.

Питание стационарных электронных устройств в большинстве случаев осуществляется переменным напряжением 220 В, получаемым от одной фазы трехфазной промышленной сети. Однако существует ряд приложений, которым принципиально необходимо получать энергию из всех трех фаз, в том числе и в аварийных режимах, например, при обрыве нулевого или фазных проводов. Решение этой задачи до недавнего времени требовало введения в модули питания дополнительных узлов, увеличивающих как их размеры, так и стоимость.

Главной технической проблемой при создании любых сетевых источников питания является высокое значение входного переменного напряжения. При использовании трех фаз действующее значение линейного напряжения на входе источника питания равно приблизительно 400 В. Такая же величина напряжения может быть на входе однофазного источника питания в аварийных режимах работы, например, при обрыве нулевого провода. Поскольку максимально допустимое напряжение «сток-исток» («коллектор-эмиттер») большинства силовых транзисторов, используемых в выпрямительных устройствах, обычно не превышает 800 B, столь высокое напряжение может привести к их пробою, что повлечет за собой отказ всей системы. Это заставляет отслеживать величину входного напряжения и либо аварийно отключать источник питания, либо, если прибор должен работать и в этих режимах, вводить дополнительные ограничители напряжений.

Очевидно, что такой подход на практике весьма неудобен. Поэтому появление на рынке специализированных преобразователей с расширенным диапазоном входного напряжения позволило значительно упростить схемы источников питания интеллектуальных счетчиков электроэнергии, устройств автоматики, промышленного освещения и кондиционирования, а также ряда других приложений, требующих питания от трехфазной сети переменного тока либо от других высоковольтных источников. Одними из упомянутых преобразователей являются микросхемы VIPER26xK из нового семейства VIPerPlus, разработанного компанией STMicroelectronics. 

Ключевые особенности микросхем VIPER26xK

Линейка VIPerPlus является дальнейшим развитием семейства микросхем VIPer (Vertical Intelligent Power Enhanced Regulator), содержащих интегрированный полевой транзистор с вертикальным каналом. На их основе можно создавать компактные импульсные преобразователи постоянного напряжения с выходной мощностью до 15 Вт, построенные по понижающей, инвертирующей или обратноходовой схеме. Семейство VIPer выпускается с 2002 года (VIPerPlus – с 2008 года) и за это время приобрело широкую популярность среди разработчиков самых разнообразных устройств.

Основными ключевыми преимуществами микросхем VIPerPlus являются:

  • высокая степень интеграции, в том числе и благодаря наличию встроенного высоковольтного MOSFET, позволяющая создавать на их основе преобразователи с минимальным количеством внешних компонентов;
  • поддержка нескольких вариантов организации отрицательной обратной связи;
  • использование технологии «качающейся» частоты переключений, уменьшающей спектральную плотность создаваемых помех, что позволяет в ряде случае отказаться от установки на входе традиционных фильтров электромагнитных помех;
  • наличие широкого спектра защит, в том числе и защиты от перегрева, перегрузки по току и короткого замыкания выхода;
  • высокий КПД, позволяющий устанавливать микросхемы на плату без дополнительных внешних радиаторов;
  • привлекательная цена.

Все это делает микросхемы VIPerPlus идеальной основой для создания недорогих компактных преобразователей постоянного напряжения, способных работать в широком диапазоне входных напряжений. Очевидно, что при установке на входе источника питания узла выпрямления и сглаживающего фильтра преобразователи постоянного напряжения превращаются в выпрямительные устройства, пригодные для использования в большом количестве приложений, рассчитанных на питание от промышленной сети.

Большинство микросхем семейства VIPerPlus содержит интегрированный транзистор, максимально допустимое напряжение между стоком и истоком которого равно 800 B. Этого вполне достаточно для создания выпрямителей, работающих в стандартном и даже расширенном диапазонах питающих напряжений (90…280 В), но для приложений с ультрашироким диапазоном входных напряжений на момент написания статьи подходят всего две микросхемы из этого семейства: VIPER265K и VIPER267K.

Ключевым отличием микросхем VIPER26xK от остальных представителей семейства VIPerPlus является повышенное максимально допустимое напряжение между стоком и истоком интегрированного полевого транзистора, равное 1050 B. Структурная схема (рисунок 1) и технические характеристики (таблица 1) микросхем VIPER265K и VIPER267K практически одинаковы, а отличаются они только порогом ограничения тока стока полевого транзистора, равным, соответственно, 500 и 700 мА.

Рис. 1. Структурная схема микросхем VIPER26xK

Рис. 1. Структурная схема микросхем VIPER26xK

Таблица 1. Основные технические характеристики микросхем VIPER26xK

Технические характеристики Значение
Максимально допустимое напряжение «сток-исток» MOSFET, В 1050
Сопротивление открытого канала MOSFET при температуре кристалла 25°С, Ом 7
Максимальный импульсный ток стока MOSFET при температуре кристалла 150°С, А 3
Порог ограничения тока стока MOSFET, мА 500 (VIPER265K),
700 (VIPER267K)
Средняя частота переключений, кГц 60
Глубина модуляции частоты переключений, кГц ±4
Диапазон рабочих температур кристалла, °С -40…150
Корпус SO16N
Максимальная рассеиваемая мощность при температуре окружающей среды 60°С, Вт 1,05

Максимальная мощность источников питания на основе микросхем VIPER26xK зависит от величины входного напряжения и условий охлаждения. При эксплуатации внутри невентилируемых объемов, например, внутри корпусов сетевых адаптеров, этот параметр обычно не превышает 10 Вт во всем рабочем диапазоне рабочих напряжений, а при обеспечении необходимого обдува, обеспечивающего требуемое охлаждение кристалла, выходную мощность микросхемы можно увеличить до 20 Вт (таблица 2).

Таблица 2. Максимальная выходная мощность преобразователей на основе микросхем VIPER26xK при температуре окружающей среды 50⁰С

Входное напряжение, В AC Эксплуатация внутри невентилируемого корпуса, Вт Эксплуатация при хорошем теплоотводе, Вт
230 16 20
85…440 10 12

Для стабилизации выходного напряжения в микросхемах VIPER26xK используется метод управления на основе ШИМ с ограничением тока силового транзистора в каждом цикле преобразования. Порог отключения MOSFET зависит от текущего уровня расхождения между выходным и внутренним опорными напряжениями: при уменьшении выходного напряжения ток выключения транзистора увеличивается. При коротком замыкании, когда величина расхождения максимальна, ток стока MOSFET ограничивается компаратором OCP (Overcurrent Protection) схемы защиты от перегрузки по току. При малых токах нагрузки схема переходит в пакетный режим (Burst mode), при котором энергия в выходных конденсаторах пополняется в течение коротких периодов времени, в которые успевает произойти всего несколько циклов преобразования (рисунок 2). В микросхеме также реализован механизм плавного нарастания выходного напряжения при включении (Soft Start).

Рис. 2. Диаграммы работы микросхем VIPER26xK в режиме легких нагрузок

Рис. 2. Диаграммы работы микросхем VIPER26xK в режиме легких нагрузок

Микросхемы VIPER26xK имеют также защиту от перегрева, отключающую схему при повышении температуры кристалла выше 150⁰С (Thermal Shutdown), а также защиту от выхода напряжения питания микросхемы за пределы допустимого диапазона.

Для питания внутренних узлов микросхем VIPER26xK предназначен встроенный источник питания на основе стабилизатора тока, подключаемый к стоку полевого транзистора, что позволяет значительно уменьшить количество внешних компонентов, необходимых для запуска микросхемы (рисунок 3). В целом, благодаря высокому уровню интеграции и наличию в составе микросхемы таких узлов как собственный источник питания, усилитель ошибки, датчик тока силового транзистора и многих других, количество внешних компонентов для построения преобразователей на основе VIPER26xK сведено к минимуму.

Рис. 3. Типовая схема включения микросхем VIPER26xK

Рис. 3. Типовая схема включения микросхем VIPER26xK

Средняя частота переключений силового транзистора равна 60 кГц, при этом для уменьшения спектральной плотности создаваемых высокочастотных помех она постоянно изменяется в диапазоне ±4 кГц. Такой подход позволяет значительно упростить входные фильтры электромагнитных помех вплоть до полного их исключения, а также упростить процедуру сертификации устройств.

Микросхемы VIPER26xK наилучшим образом подходят для создания обратноходовых преобразователей – основной схемы преобразования при построении маломощных изолированных выпрямительных устройств. При этом можно использовать несколько вариантов формирования сигналов отрицательной обратной связи, используя в качестве основы напряжение с выходных клемм, передаваемое в схему управления с помощью изолированного (рисунок 4) или неизолированного (рисунок 5) датчика выходного напряжения, или напряжение со вспомогательной обмотки дросселя (рисунок 6), используемой также для питания микросхемы. Очевидно, что в последнем случае точность установки выходного напряжения будет немного хуже. Кроме этого, на основе микросхем VIPER26xK можно создавать преобразователи, построенные по другим схемам, например, по понижающей (рисунок 7).

Рис. 4. Изолированный обратноходовой преобразователь на основе VIPER26xK

Рис. 4. Изолированный обратноходовой преобразователь на основе VIPER26xK

Рис. 5. Неизолированный обратноходовой преобразователь на основе VIPER26xK

Рис. 5. Неизолированный обратноходовой преобразователь на основе VIPER26xK

Рис. 6. Изолированный обратноходовой преобразователь на основе VIPER26xK с регулированием на первичной стороне

Рис. 6. Изолированный обратноходовой преобразователь на основе VIPER26xK с регулированием на первичной стороне

Рис. 7. Неизолированный понижающий преобразователь на основе VIPER26xK

Рис. 7. Неизолированный понижающий преобразователь на основе VIPER26xK

Оценочная плата STEVAL-VP26K03F

Особенностью импульсных источников питания является высокая стоимость ошибок, допущенных во время проектирования и способных проявиться даже через несколько лет эксплуатации серийных образцов. Поэтому разработчики электроники с большой неохотой переходят от старых проверенных решений к новым продуктам, даже если они имеют лучшие технические характеристики. Для ускорения и облегчения этого процесса практически все ведущие производители электронных компонентов выпускают различные ознакомительные наборы, позволяющие оценить возможности того или иного решения, минуя такие долгие и сложные этапы проектирования как разработка принципиальной схемы, трассировка печатных плат и многие другие.

Именно таким решением является оценочная плата STEVAL-VP26K03F, готовый к использованию двухканальный изолированный источник питания на основе микросхемы VIPER267K с выходной мощностью до 13 Вт (рисунок 8). Ключевой особенностью этого преобразователя является ультраширокий диапазон входного переменного напряжения – 85…498 В, при этом плата рассчитана на подключение к трехфазной сети, хотя для ее работы достаточно наличия напряжения на любой из трех фаз.

Рис. 8. Внешний вид оценочной платы STEVAL-VP26K03F

Рис. 8. Внешний вид оценочной платы STEVAL-VP26K03F

Входная цепь платы STEVAL-VP26K03F рассчитана на подключение к трехфазной сети по четырехпроводной схеме (рисунок 9). Преобразование входного напряжения из переменного в постоянное выполняется с помощью восьми диодов: D1…D8, включенных таким образом, что плату можно подключать к одной, двум или трем фазам как с использованием нулевого провода, так и без него.

Рис. 9. Схема входной цепи платы STEVAL-VP26K03F

Рис. 9. Схема входной цепи платы STEVAL-VP26K03F

Для снижения уровня эмиссии высокочастотных помех предназначены дроссели L1…L4, коэффициента ослабления которых вполне достаточно для большинства приложений. Если же плата будет использоваться в оборудовании с более жесткими требованиями к уровню электромагнитной совместимости, то на ней предусмотрено место для установки дополнительного помехоподавляющего дросселя СК1, однако при этом необходимо будет удалить шунтирующие перемычки R0a и R0b.

Преобразователь постоянного напряжения собран на основе микросхемы VIPER267K по обратноходовой схеме со стабилизацией напряжения на первичной стороне (рисунок 10). Напряжение сигнала отрицательной обратной связи снимается со вспомогательной обмотки (AUX) дросселя Т1 и подается на вывод FB микросхемы с помощью делителей напряжения R12 и R13.

Рис. 10. Схема преобразователя платы STEVAL-VP26K03F

Рис. 10. Схема преобразователя платы STEVAL-VP26K03F

Основное преобразование параметров электрической энергии осуществляется с помощью компактного дросселя (обратноходового трансформатора) T1 (таблица 3) производства компании Wurth Elektronik. Кроме первичной обмотки, с помощью которой происходит накопление энергии в ферритовом Ш-образном магнитопроводе с немагнитным зазором, дроссель имеет еще три изолированные обмотки: одну вспомогательную (AUX), используемую для питания микросхемы и стабилизации выходных напряжений, и две вторичные (SEC1 и SEC2), как показано на рисунке 11. Такая конфигурация позволила создать двухканальный источник питания с выходными напряжениями 6 и 12 В с максимальными выходными токами, соответственно, 200 и 700 мА.

Рис. 11. Электрическая схема и габаритные размеры дросселя Т1

Рис. 11. Электрическая схема и габаритные размеры дросселя Т1

Таблица 3. Технические характеристики силового дросселя Т1

Технические характеристики Значение
Производитель Wurth Elektronik
Наименование 750318135
Магнитопровод Е16
Индуктивность первичной обмотки, мГн 1,5 ±10%
Ток насыщения, мА 950 (20% от начальной индуктивности)
Индуктивность рассеяния первичной обмотки, мГн 100 (тип.), 200 (макс.)
Коэффициент трансформации между первичной и вспомогательной (AUX) обмотками, % 5,03 ±1
Коэффициент трансформации между первичной и первой вторичной (SEC1) обмотками, % 10,94 ±%
Коэффициент трансформации между первичной и второй вторичной (SEC2) обмотками, % 10,94 ±1

Как и все импульсные преобразователи электрической энергии, выпрямитель, реализованный на плате STEVAL-VP26K03F, критичен к конфигурации дорожек печатной платы. Однако большинство рекомендаций по трассировке проводников, приведенных в технической документации на плату STEVAL-VP26K03F, являются стандартными для всех импульсных источников питания и сводятся к разделению силовых и сигнальных цепей, максимально возможному уменьшению общей длины соединительных проводников, использованию «звездообразной» схемы трассировки общего провода (рисунок 12), а также правильному выбору фильтрующих компонентов.

Рис. 12. Рекомендации по трассировке печатных проводников

Рис. 12. Рекомендации по трассировке печатных проводников

Технические характеристики платы STEVAL-VP26K03F (таблица 4) позволяют использовать ее в большом количестве приложений. Например, она отлично подходит для питания промышленных кабельных модемов, в которых напряжение 12 В будет использоваться для питания аналоговых приемопередатчиков, а 6 В – для питания узлов цифровой обработки сигналов. В целом преобразователи, реализованные по схемам, аналогичным схеме платы STEVAL-VP26K03F, можно с успехом использовать для питания интеллектуальных счетчиков электроэнергии, датчиков для промышленных автоматизированных систем, а также во многих других приложениях, которые должны работать от источников электрической энергии постоянного или переменного тока с повышенным напряжением.

Таблица 4. Технические характеристики платы STEVAL-VP26K03F

Параметр Мин. Тип. Макс.
Диапазон фазного напряжения при трехфазном подключении (с.к.з.), В 50 290
Диапазон напряжения при однофазном подключении (с.к.з.), В 85 498
Частота сети, Гц 47 63
Выходное напряжение первого канала, В 11 12 16
Выходной ток первого канала (продолжительный), мА 10 700
Выходной ток первого канала (кратковременный), мА 1000
Выходное напряжение второго канала, В 5,5 6 7
Выходной ток второго канала (продолжительный), мА 10 200
Максимальная мощность (кратковременная), Вт 13,2
Максимальная мощность (продолжительная), Вт 9,6
КПД при полной нагрузке, % 78
Температура окружающей среды, °С -40 85

Результаты исследований тестовых образцов плат STEVAL-VP26K03F

Результаты исследований двух тестовых образцов платы STEVAL-VP26K03F показывают, что ее выходные напряжения имеют малый уровень пульсаций, не превышающий 2% для любого из каналов, в промежутке входных напряжений 100…400 В во всем рабочем диапазоне токов нагрузок (рисунок 13). Помимо этого при наличии нагрузки в выходном напряжении присутствует ярко выраженная низкочастотная составляющая с частотой около 250 Гц, причиной которой могут быть неточности, допущенные при расчете устойчивости контура отрицательной обратной связи. При этом уровень пульсаций на частоте преобразования (60 кГц ±4 кГц) как минимум на порядок меньше.

Рис. 13. Выходные напряжения 6-вольтового (желтая осциллограмма) и 12-вольтового (фиолетовая осциллограмма) каналов при: а) входном напряжении 100 В АС и выходном токе канала 180 мА; б) входном напряжении 400 В АС и выходном токе канала 500 мА

Рис. 13. Выходные напряжения 6-вольтового (желтая осциллограмма) и 12-вольтового (фиолетовая осциллограмма) каналов при: а) входном напряжении 100 В АС и выходном токе канала 180 мА; б) входном напряжении 400 В АС и выходном токе канала 500 мА

При наличии подключенной нагрузки хотя бы на одном из каналов выходные напряжения находились в заявленном производителем диапазоне и составляли 12,6 В при выходном токе 500 мА и 6,1 В при выходном токе 180 мА для первой платы и 12,2 В и 6,05 В для второй платы при те же выходных токах. Однако при полном отключении нагрузки выходные напряжения обеих плат значительно увеличивались, достигая 18 В для 12-вольтового канала и 9 В для 6-вольтового. Такое поведение выходного напряжения является типовым для обратноходовых преобразователей с регулированием на первичной стороне, ведь в отличие от силовых обмоток SEC1 и SEC2, вспомогательная обмотка AUX, с которой снимается напряжение отрицательной обратной связи, остается под нагрузкой (от этой обмотки осуществляется питание внутренних узлов микросхемы), поэтому появление подобных расхождений неизбежно. При этом обе платы в целом показали неплохую реакцию на резкие изменения выходного тока без значительных всплесков и просадок напряжения (рисунок 14).

Рис. 14. Выходные напряжения 12-вольтового канала при входном напряжении 220 В АС при изменении выходного тока: а) с 0 мА до 500 мА; б) с 500 мА до 0 мА (6-вольтовый канал отключен)

Рис. 14. Выходные напряжения 12-вольтового канала при входном напряжении 220 В АС при изменении выходного тока: а) с 0 мА до 500 мА; б) с 500 мА до 0 мА (6-вольтовый канал отключен)

Анализ диаграмм в силовой части (рисунок 15) показывает, что при малых входных напряжениях накопительный дроссель Т1 работает в безразрывном режиме, постепенно, по мере увеличения входного напряжения, переходя в разрывный режим даже при значительных токах нагрузок.

Рис. 15. Напряжение «сток-исток» полевого транзистора (фиолет.) и на вспомогательной обмотке (AUX) дросселя T1 (желт.) при: а) Uвх 100 В АС и I вых канала 180 мА (6-вольтовый канал); б) Uвх 400 В АС и Iвых канала 500 мА (12-вольтовый канал)

Рис. 15. Напряжение «сток-исток» полевого транзистора (фиолет.) и на вспомогательной обмотке (AUX) дросселя T1 (желт.) при: а) Uвх 100 В АС и I вых канала 180 мА (6-вольтовый канал); б) Uвх 400 В АС и Iвых канала 500 мА (12-вольтовый канал)

Еще одной особенностью преобразователей на основе VIPER26xK является высокое значение КПД. Анализ температурных режимов оценочных плат STEVAL-VP26K03F показал, что при входном напряжении 400 В АС и выходных токах 180 мА (6-вольтовый канал) и 500 мА (12-вольтовый канал) температура перегрева корпусов микросхем VIPER267K в условиях свободной конвенции воздуха окружающей среды не превысила 30°С, что свидетельствует о малой величине внутренних потерь.

Заключение

Обнаружение у оценочных плат STEVAL-VP26K03F ряда специфических особенностей, таких как наличие на выходе низкочастотных пульсаций 250 Гц и увеличение выходного напряжения при отключении нагрузок, в целом никоим образом не сужает сферу применения микросхем VIPER26xK, ведь эти особенности с большой долей вероятности относятся непосредственно к схемотехнике платы, а не к микросхеме VIPerPlus. При этом даже при наличии несущественных недостатков платы STEVAL-VP26K03F данную микросхему можно с успехом использовать для питания достаточно широкого круга устройств, для которых эти недостатки не имеют ключевого значения.

Не следует забывать, что платы STEVAL-VP26K03F не позиционируются как законченные источники питания. Их задача – лишь быстро оценить возможности применения микросхем VIPER26xK в тех или иных ситуациях, ведь последнее слово всегда остается за разработчиком. А анализ схемы платы STEVAL-VP26K03F показывает, что при необходимости работы от источников энергии с ультрашироким диапазоном питающих напряжений использование микросхем VIPER26xK, благодаря наличию интегрированного высоковольтного транзистора и поддержке нескольких вариантов организации отрицательной обратной связи, позволяет уменьшить общее количество компонентов источников питания как минимум на треть. Это является весомым аргументом в пользу выбора микросхем семейства VIPerPlus в качестве основы для создания импульсных источников питания широкого спектра практических приложений.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
VIPER013HSTR (ST)
VIPER013BLSTR (ST)
VIPER012LSTR (ST)
VIPER06LSTR (ST)
VIPER06HSTR (ST)
VIPER06LN (ST)
VIPER222XSTR (ST)
VIPER222LSTR (ST)
VIPER122LSTR (ST)
VIPER26HD (ST)
VIPER26LDTR (ST)
VIPER26LN (ST)
VIPER16HN (ST)
VIPER16LN (ST)
VIPER16LDTR (ST)
VIPER115XSTR (ST)
VIPER114LSTR (ST)
VIPER115LSTR (ST)