№5 / 2011 / статья 3

Один ШИМ и три светодиода: разработка источника питания для светодиодной линейки

Кирилл Автушенко (КОМПЭЛ)

Микросхема NCP1014 представляет собой ШИМ-контроллер с фиксированной частотой преобразования и встроенным высоковольтным ключом. Дополнительные внутренние блоки, реализованные в составе микросхемы (см. рис. 1), позволяют ей обеспечить весь спектр функциональных требований, предъявляемых к современным источникам питания.

 

Упрощенная внутренняя схема NCP1014

 

Рис. 1. Упрощенная внутренняя схема NCP1014

Контроллеры серии NCP101X были подробно рассмотрены в статье Константина Староверова [1] в номере 3 журнала за 2010 год, поэтому, в статье мы ограничимся рассмотрением лишь ключевых особенностей микросхемы NCP1014 [2], а основное внимание уделим рассмотрению особенностей расчета и механизма работы ИП, представленного в эталонном дизайне.

 

Особенности контроллера NCP1014

  • Интегрированный выходной 700-вольтовый MOSFET-транзистор с малым сопротивлением открытого канала (11Ом);
  • обеспечение выходного тока драйвера до 450мА;
  • возможность работы на нескольких фиксированных частотах преобразования- 65 и 100кГц;
  • частота преобразования варьируется в пределах ±3…6% относительно ее предустановленного значения, что позволяет «размыть» мощность излучаемых помех в пределах определенного частотного диапазона и тем самым снизить уровень EMI;
  • встроенная высоковольтная система питания способна обеспечить работоспособность микросхемы без применения трансформатора с третьей вспомогательной обмоткой, что в значительной мере упрощает намотку трансформатора. Данная особенность обозначается производителем как DSS (Dynamic Self-Supply— автономное динамическое питание), однако его использование ограничивает выходную мощность ИП;
  • возможность работать с максимальной эффективностью при малых токах нагрузки благодаря режиму пропуска импульсов ШИМ, что позволяет добиться малой мощности холостого хода- не более 100мВт при питании микросхемы от третьей вспомогательной обмотки трансформатора;
  • переход в режим пропуска импульсов происходит при снижении тока потребления нагрузки до значения 0,25 от номинально заданного, что снимает проблему генерации акустических шумов даже при использовании недорогих импульсных трансформаторов;
  • реализована функция плавного запуска (1мс);
  • вывод обратной связи по напряжению напрямую подключается к выходу оптопары;
  • реализована система защиты от короткого замыкания с последующим возвратом в нормальный режим работы после его устранения. Функция позволяет отслеживать как непосредственно короткое замыкание в нагрузке, так и ситуацию с обрывом цепи обратной связи в случае повреждения развязывающей оптопары;
  • встроенный механизм защиты от перегрева.

Контроллер NCP1014 выпускается в корпусах трех типов — SOT-223, PDIP-7 и PDIP-7 GULLWING (см. рис. 2) с расположением выводов, показанном на рис. 3. Последний корпус является особой версией корпуса PDIP-7 со специальной формовкой выводов, что делает его пригодным для поверхностного монтажа.

 

Корпусировка и маркировка NCP1014

 

Рис. 2. Корпусировка и маркировка NCP1014

 

Схема расположения выводов  

 

Рис. 3. Схема расположения выводов

Типовая схема применения контроллера NCP1014 в обратноходовом (Flyback) преобразователе представлена на рисунке 4.

 

NCP1014 в схеме обратноходового (flyback) преобразователя

 

Рис. 4. NCP1014 в схеме обратноходового (flyback) преобразователя

 

 

Метод расчета ИП на базе контроллера NCP1014

Рассмотрим метод пошагового расчета обратноходового преобразователя на базе NCP1014 на примере эталонной разработки ИП выходной мощностью до 5 Вт для питания системы из трех последовательно-включенных светодиодов [3]. В качестве светодиодов рассмотрены одноваттные белые светодиоды с током нормировки 350 мА и падением напряжения 3,9 В.  

Первым шагом является определение входных, выходных и мощностных характеристик разрабатываемого ИП:

  • диапазон входного напряжения — Vac(min) = 85В, Vac(max) = 265В;
  • выходные параметры- Vout= 3х3,9В ≈ 11,75В, Iout = 350мА;
  • выходная мощность- Pout= VoutхIout = 11,75 Вх0,35 А ≈ 4,1Вт
  • входная мощность- Pin = Pout/h, где h — оценочный КПД = 78%

Pin = 4,1 Вт/0,78 = 5,25 Вт

  • диапазон входного напряжения по постоянному току

Vdc(min) = Vdc(min) х 1,41 = 85 х  1,41 = 120 В (dc)

Vdc(max) = Vdc(max) х 1,41 = 265 х 1,41 = 375 В (dc)

  • средний входной ток — Iin(avg) = Pin / Vdc(min) ≈ 5,25/120 ≈ 44мА
  • пиковый входной ток- Ipeak= 5хIin(avg) ≈ 220мА.

Первым входным звеном является предохранитель и EMI-фильтр, и их выбор является вторым шагом при проектировании ИП. Предохранитель должен выбираться исходя из значения тока разрыва, и в представленной разработке выбран предохранитель с током разрыва 2 А. Мы не будем углубляться в процедуру расчета входного фильтра, а лишь отметим, что степень подавления синфазных и дифференциальных помех в значительной мере зависит от топологии печатной платы, а также близости расположения фильтра к разъему питания.

Третьим шагом является расчет параметров и выбор диодного моста. Ключевыми параметрами здесь являются:

  • допустимое обратное (блокирующее) напряжение диода- VR ≥ Vdc(max) = 375В;
  • прямой ток диода- IF ≥ 1,5хIin(avg) = 1,5х0,044 = 66мА;
  • допустимый ток перегрузки (surge current), который может достигать пятикратного значения среднего тока:

IFSM ≥ 5 х IF = 5 х 0,066 = 330 мА.

Четвертым шагом является расчет параметров входного конденсатора, устанавливаемого на выход диодного моста. Размеры входного конденсатора определяются пиковым значением выпрямленного входного напряжения и заданным уровнем входных пульсаций. Больший входной конденсатор обеспечивает более низкие значения пульсаций, но увеличивает пусковой ток ИП. В общем случае емкость конденсатора определяется следующей формулой:

Cin = Pin/[fac х (V2dc(min) — (Vdc(min) — DV)2)], где

fac — частота сети переменного тока (60 Гц для рассматриваемого дизайна);

DV — допустимый уровень пульсаций (20% от Vdc(min) в нашем случае).

Cin = 5,25/[60 х (1202 — 962)] = 17 мкФ.

В нашем случае мы выбираем алюминиевый электролитический конденсатор емкостью 33 мкФ.

Пятым и основным шагом является расчет моточного изделия — импульсного трансформатора. Расчет трансформатора является наиболее сложной, важной и «тонкой» частью всего расчета источника питания. Основными функциями трансформатора в обратноходовом преобразователе является накопление энергии при замкнутом управляющем ключе и протекании тока через его первичную обмотку, а затем — ее передача во вторичную обмотку при отключении питания первичной части схемы.

С учетом входных и выходных характеристик ИП, рассчитанных на первом шаге, а также требования по обеспечению работы ИП в режиме непрерывного тока трансформатора, максимальное значение коэффициента заполнения (duty cycle) равно 48%. Все расчеты трансформатора мы будем проводить, основываясь на данном значении коэффициента заполнения. Обобщим расчетные и заданные значения ключевых параметров:

  • частота работы контроллера fop= 100 кГц
  • коэффициент заполнения dmax= 48%
  • минимальное входное напряжение Vin(min) = Vdc(min) — 20% = 96В
  • выходная мощность Pout= 4,1Вт
  • оценочное значение КПДh = 78%
  • пиковое значение входного тока Ipeak= 220мА

Теперь мы можем произвести расчет индуктивности первичной обмотки трансформатора:

Lpri = Vin(min) х dmax/(Ipeak х fop) = 2,09 мГн

Соотношение количества витков обмоток определяется уравнением:

Npri/Nsec = Vdc(min) х dmax/(Vout + VF х (1 — dmax)) ≈ 7

Нам осталось проверить способность трансформатора «прокачать» через себя требуемую выходную мощность. Сделать это можно с помощью следующего уравнения:

Pin(core) = Lpri х I2peak х fop/2 ≥ Pout

Pin(core) = 2,09 мГн х 0,222 х 100 кГц/2 = 5,05 Вт ≥ 4,1 Вт.

Из результатов следует, что наш трансформатор может прокачать требуемую мощность.

Можно заметить, что здесь мы привели далеко не полный расчет параметров трансформатора, а лишь определили его индуктивные характеристики и показали достаточную мощность выбранного решения. По расчету трансформаторов написано множество трудов, и читатель может найти интересующие его методики расчета, например в [4] или [5]. Освещение этих методик выходит за рамки данной статьи.

Электрическая схема ИП, соответствующая проведенным расчетам, представлена на рисунке 5.

 

Принципиальная схема ИП

 

Рис. 5. Принципиальная схема ИП

 

Теперь пришла пора ознакомиться с особенностями приведенного решения, расчет которых не был приведен выше, но которые имеют большое значение для функционирования нашего ИП и понимания особенностей реализации защитных механизмов, реализуемых контроллером NCP1014.

 

Особенности работы схемы, реализующей ИП

Вторичная часть схемы состоит из двух основных блоков — блока передачи тока в нагрузку и блока питания цепи обратной связи.

При замкнутом управляющем ключе (прямой режим) работает схема питания цепи обратной связи, реализованная на диоде D6, токозадающем резисторе R3, конденсаторе C5 и стабилитроне D7, задающем совместно с диодом D8 требуемое напряжение питания (5,1 В) оптопары и шунт-регулятора IC3.

Во время обратного хода энергия, запасенная в трансформаторе, передается в нагрузку через диод D10. Одновременно осуществляется зарядка накопительного конденсатора C6, который сглаживает выходные пульсации и обеспечивает постоянное напряжение питания нагрузки. Ток нагрузки задается резистором R6 и контролируется шунт-регулятором IC3.

ИП имеет защиту от отключения нагрузки и короткого замыкания нагрузки. Защиту от КЗ осуществляет шунт-регулятор TLV431, основная роль которого — регулятор цепи ОС. Короткое замыкание возникает при условии короткого пробоя всех нагрузочных LED (в случае выхода из строя одного или двух LED их функции принимают на себя параллельные стабилитроны D11…D13). Значение резистора R6 подбирается так, чтобы при рабочем токе нагрузки (350 мА в нашем случае) падение напряжения на нем составляло менее 1,25 В. При возникновении КЗ ток через R6 резко возрастает, что приводит к открыванию шунта IC3 и включению оптопары IC2 и заставляет контроллер NCP1014 уменьшить выходное напряжение.

Механизм защиты от отключения нагрузки основан на включении стабилитрона D9 параллельно нагрузке. В условиях размыкания цепи нагрузки и, как следствие, повышения выходного напряжения ИП до 47 В происходит открытие стабилитрона D9. Это приводит к включению оптопары и заставляет контроллер снизить выходное напряжение.

 

Желаете познакомиться с NCP1014 лично? — Нет проблем!

Для тех, кто перед началом разработки собственного ИП на базе NCP1014 хочет убедиться в том, что это действительно простое, надежное и эффективное решение, компания ONSemiconductor выпускает несколько типов оценочных плат (см таблицу 1, рис. 6; доступны для заказа через компанию КОМПЭЛ).

Таблица 1. Обзор оценочных плат  

Код заказа Наименование Краткое описание
NCP1014LEDGTGEVB Драйвер светодиодов мощностью 8 Вт с коэффициентом мощности 0,8 Плата разработана с целью демонстрации возможности построения LED-драйвера с коэффициентом мощности > 0,7 (стандарт Energy Star) без применения дополнительной микросхемы PFC. Выходная мощность (8 Вт) делает представленное решение идеальным для питания структур подобных Cree XLAMP MC-E, содержащих четыре последовательных светодиода в одном корпусе.
NCP1014STBUCGEVB Неинвертирующий понижающий преобразователь Плата является доказательством утверждения, что контроллера NCP1014 достаточно для построения ИП низкого ценового диапазона для жестких условий работы.

 

Внешний вид оценочной платы

 

Рис. 6. Внешний вид оценочной платы

Кроме того, существует еще несколько примеров готового дизайна различных ИП, помимо рассмотренного в статье. Это и 5 Вт AC/DC-адаптер для сотовых телефонов [6], и еще один вариант ИП для LED [7], а также большое количество статей по применению контроллера NCP1014, которые вы можете найти на официальном сайте компании ONSemiconductor — http://www.onsemi.com/.

Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором ONSemiconductor и поэтому на нашем сайте http://catalog.compel.ru/ вы всегда можете найти информацию о доступности и стоимости микросхем, выпускаемых ONS, а также заказать опытные образцы, в том числе и NCP1014.

 

Заключение

Использование контроллера NCP1014, выпускаемого компанией ONS, позволяет разрабатывать высокоэффективные AC/DC-преобразователи для питания нагрузки стабилизированным током. Грамотное использование ключевых возможностей контроллера позволяет обеспечить безопасность работы конечного ИП в условиях размыкания или короткого замыкания нагрузки при минимальном числе дополнительных электронных компонентов.

 

Литература

1. Константин Староверов «Применение контроллеров NCP101X/102X при разработке сетевых источников питания средней мощности», журнал «Новости электроники», №3 , 2010, сс. 7-10.

2. http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NCP1010-D.PDF.

3. http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AND8136-D.PDF.

4. Мэк Раймонд. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению/Пер. с англ. Пряничникова С.В., М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2008, — 272 с.: ил.

5. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов, Л.: Энергоатомиздат, 1991, — 208 с.: ил.

6. TND329-D. «5W Cellular Phone CCCV AC-DC Adepter»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND329-D.PDF.

7. TND371-D. «Offline LED Driver Intended for ENERGY STAR»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND371-D.PDF.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: analog.vesti@compel.ru

 

 

NCP4589 — LDO-регулятор
с автоматическим энергосбережением 

NCP4589 — новый КМОП LDO-регулятор на 300 мА от ON Semiconductor. NCP4589 переключается в режим низкого потребления при малой токовой нагрузке и автоматически переключается обратно в «быстрый» режим, как только нагрузка на выходе превышает 3 мА.

NCP4589 может быть переведен в режим постоянной быстрой работы посредством принудительного выбора режима (управлением по специальному входу).

 

Основные характеристики NCP4589:

 

  • Рабочий диапазон входных напряжений: 1,4…5,25В
  • Выходной диапазон напряжений: 0,8…4,0В (с шагом 0,1В)
  • Входной ток в трех режимах:
    • Режим низкого потребления — 1,0 мкА при VOUT < 1,85 В
    • Быстрый режим — 55 мкА
    • Режим энергосбережения — 0,1 мкА
  • Минимальное падение напряжения: 230мВ при IOUT = 300мА, VOUT = 2,8В
  • Высокий коэффициент подавления пульсаций по напряжению: 70дБ при 1кГц (в быстром режиме).

 

NCP4620 — LDO-регулятор с широким диапазоном входных напряжений

NCP4620 — это КМОП LDO-регулятор на ток 150 мА от ON Semiconductor с диапазоном входных напряжений от 2,6 до 10 В. Устройство имеет высокую точность на выходе — порядка 1% — с низким температурным коэффициентом ±80 ppm/°C.

NCP4620 имеет защиту от перегрева и вход отключения (Enable), представлен в модификациях со стандартным выходом и выходом с автоматическим разрядом (Auto Discharge).  

Основные характеристики NCP4620:

 

  • Диапазон рабочего входного напряжения от 2,6 до 10В (макс. 12В)
  • Диапазон выходных фиксированных напряжений от 1,2 до 6,0В (сшагом 100мВ)
  • Прямое минимальное падение напряжения- 165мВ (при 100мА)
  • Подавление пульсаций питания- 70дБ
  • Отключение питания микросхемы при перегреве до 165°C

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики: