Gebruik van geavanceerde schakel-IC’s om efficiënte en veelzijdige low-power AC/DC-voedingen te implementeren

Low-power AC/DC-voedingen van ongeveer 10 W of minder worden veel gebruikt in huisdimmers, schakelaars, sensoren, huishoudapparaten, Internet of Things (IoT) en industriële besturingen. Hun bedrijfscyclus is relatief laag, met een belasting die gedurende lange perioden in stand-by staat, maar wanneer het apparaat wordt geactiveerd, moet de voeding snel ‘ontwaken’.

Het ontwerpen van dergelijke voedingen is in principe eenvoudig: begin met een paar diodes voor gelijkrichting, voeg een regel-IC toe, plaats filtercondensatoren op de uitgang, voeg een transformator toe als er isolatie nodig is en de taak is volbracht. Ondanks de schijnbare eenvoud verschilt de realiteit van het maken van deze voedingen echter aanzienlijk.

Ze moeten basis functionaliteit leveren voor een stabiele DC-uitgangsrail en voldoen aan meerdere strenge regelgevende mandaten voor gebruikersveiligheid, efficiëntie onder belasting en stand-by efficiëntie. Ontwerpers moeten rekening houden met de fysieke lay-out, ondersteunende componenten, betrouwbaarheid, prestatie-evaluatie, certificering en pakketkwesties. Daarnaast moeten ze ook de voetafdruk en de kosten minimaliseren als ze tegelijkertijd korte time-to-market cycli willen halen.

Dit artikel introduceert een familie van sterk geïntegreerde offline schakelcontroller-IC’s van Power Integrations en laat zien hoe deze kunnen worden gebruikt om deze uitdagingen aan te gaan.

Geïntegreerde MOSFET en controller-IC

De LinkSwitch-TNZ-familie van acht verschillende offline schakelcontroller-IC’s van Power Integrations combineert een 725 V vermogens-MOSFET-schakelaar met een voedingscontroller in een enkele SO-8C-behuizing. Elke monolithische IC biedt een uitstekende weerstand tegen piekspanningen, een oscillator, een high-voltage geschakelde stroombron voor zelf-biasing, frequentiejittering, een snelle (cyclus-per-cyclus) stroomlimiet, uitschakeling door thermische hysterese en beveiligingscircuits voor uitgangs- en ingangsoverspanning.

De componenten kunnen de kern vormen van een niet-geïsoleerde opstelling zoals het ontwerp van de buck-converter (afbeelding 1) met behulp van de LNK3306D-TL met een uitgangsstroom van 225 mA of 360 mA, afhankelijk van de geselecteerde geleidingsmodus. Ze kunnen ook worden geconfigureerd als niet-geïsoleerde buck-boost-voedingen, die een uitgangsstroom tot 575 mA leveren.

Afbeelding 1: Dit typische ontwerp van een niet-geïsoleerde buck-converter met een component uit de LinkSwitch-familie is slechts een van de vele mogelijke topologieën die met deze apparaten kunnen worden geïmplementeerd. (Bron: Power Integrations)

Hoewel belastingen die dubbel geïsoleerd zijn of op een andere manier beschermd zijn tegen AC-bedradingsfouten geen galvanische scheiding vereisen, hebben sommige componenten dit wel nodig. Het gebruik van de LinkSwitch-TNZ in een geïsoleerd flybackontwerp met universele ingang is in zo'n situatie een betere keuze. De componenten bieden een uitgangsvermogen tot 12 W in die topologie.

De IC’s in de LinkSwitch-TNZ-familie bieden verschillende uitgangsstromen en vermogens, afhankelijk van de topologie (tabel 1).

Tabel 1: De LinkSwitch-TNZ familie ondersteunt meerdere configuraties, topologieën en bedrijfsmodi. Elke opstelling heeft een andere maximale uitgangsstroom of vermogenslimiet. (Bron: Power Integrations)

Van concept tot implementatie

De hoge integratie en flexibiliteit van de LinkSwitch-TNZ-familie vereenvoudigt de taak van de ontwerper. Enkele van de vele uitdagingen bij het ontwikkelen van een gecertificeerd, verzendbaar voedingsontwerp zijn:

1. Strenge verplichte vereisten in verband met efficiëntie en veiligheid. Dit wordt bemoeilijkt door de noodzaak om stroom te leveren in een stand-bymodus en toch te voldoen aan de strenge voorschriften voor efficiëntie in stand-by. LinkSwitch-TNZ-IC’s bieden de beste rendementen voor lichte belasting in hun klasse, waardoor meer systeemfuncties van stroom kunnen worden voorzien terwijl wordt voldaan aan standby-voorschriften, waaronder:
   • De norm van de Europese Commissie (EC) voor huishoudelijke apparaten (1275), die vereist dat apparaten niet meer dan 0,5 W verbruiken als ze in stand-by of uit staan.
   • Energy Star versie 1.1 voor Smart Home Energy Management Systems (SHEMS), die het verbruik van slimme verlichtingsregelaars in stand-by beperkt tot 0,5 W.
   • De Chinese norm GB24849, die het stroomverbruik van magnetrons beperkt tot 0,5 W als ze uit staan.

Terwijl LinkSwitch-TNZ-IC’s aan deze vereisten voldoen, verminderen ze ook het aantal componenten met 40% of meer in vergelijking met discrete ontwerpen. Deze schakelende voedings-IC’s maken ±3% regeling over lijn en belasting mogelijk, hebben een nullastverbruik van minder dan 30 mW met externe bias en hebben een IC-standbystroom van minder dan 100 µA.

2. Een veilige ondersteuning bieden voor tweedraads-AC-aansluitingen zonder nuldraad en driedraadsaansluitingen. Veel belastingen, zoals dimmers, schakelaars en sensoren hebben deze derde draad niet, waardoor er een risico bestaat op een grote en mogelijk gevaarlijke lekstroom. De norm definieert de maximale lekstroom onder verschillende omstandigheden en de LinkSwitch-TNZ-lekkage onder 150 µA in tweedraadsontwerpen zonder nuldraad ligt onder dit maximum.
3. Niet de emissielimieten voor elektromagnetische interferentie (EMI) overschrijden. Om dit doel te bereiken gebruikt de LinkSwitch-TNZ-oscillator een spread-spectrumtechniek die een kleine frequentiejitter van 4 kilohertz (kHz) rond de nominale schakelfrequentie van 66 kHz introduceert (afbeelding 2). De modulatiesnelheid van de frequentiejitter is ingesteld op 1 kHz om de EMI-reductie voor zowel gemiddelde als quasi-piekemissies te optimaliseren.

Afbeelding 2: Om de EMI-emissies onder de wettelijke limiet te houden, gebruikt de LinkSwitch-TNZ-oscillator een spread-spectrumtechniek met een spreiding van 4 kHz rond de nominale schakelfrequentie van 66 kHz . (Bron: Power Integrations)

4. Detecteren van AC-lijnnuldoorgangen met minimale extra componenten of stroomverbruik. Deze detectie is nodig voor lichtschakelaars, dimmers, sensoren en stekkers, die de AC-lijn periodiek verbinden en ontkoppelen met behulp van een relais of triac.

Het nuldoorgangssignaal wordt gebruikt door slimme huishoudelijke en gebouwautomatiseringsproducten (HBA) en -apparaten om het schakelen te regelen en zo de schakelspanning en systeeminschakelstroom te minimaliseren.

Op een vergelijkbare manier gebruiken apparaten vaak een discreet nuldoorgangsdetectiecircuit om de timing van de motor en de microcontrollerunit (MCU) te regelen. Deze toepassingen hebben ook een extra voeding nodig voor draadloze connectiviteit, poortdrivers, sensoren en displays.

Om dit te bereiken wordt meestal een discreet circuit geïmplementeerd om de nuldoorgang van de AC-lijn te detecteren en zo de inschakelovergang van het primaire voedingsapparaat te regelen en tegelijkertijd de schakelverliezen en inschakelstroom te beperken. Deze aanpak vereist veel componenten en zorgt voor flinke verliezen, waardoor soms bijna de helft van het budget voor stand-byvermogen wordt verbruikt.

In plaats daarvan leveren de LinkSwitch-TNZ-IC’s een nauwkeurig signaal dat aangeeft dat de sinusvormige AC-lijn nul volt heeft. De nuldoorgangsdetectie van de LinkSwitch-TNZ verbruikt minder dan 5 mW, waardoor systemen stand-by stroomverliezen kunnen beperken ten opzichte van alternatieve benaderingen die tien of meer discrete componenten vereisen en 50 tot 100 mW continu vermogen dissiperen.

En dan is er de X-condensator

Lijn-EMI-filters bevatten condensatoren van klasse X en klasse Y om de opwekking van EMI/RFI te minimaliseren. Ze zijn rechtstreeks aangesloten op de AC-voedingsingang op de AC-lijn en de AC-nuldraad (afbeelding 3).

Afbeelding 3: Voor EMI-filtering zijn klasse X- en klasse Y-filtercondensatoren nodig op de AC-lijn, maar de klasse X-condensator moet worden beheerd na het loskoppelen van de lijn om de veiligheid van de gebruiker te garanderen. (Bron afbeelding: www.topdiode.com)

Veiligheidsmandaten vereisen dat de X-condensator in EMC-filters wordt ontladen wanneer de AC-lijn wordt losgekoppeld om ervoor te zorgen dat opgeslagen spanning en energie niet gedurende langere tijd op het netsnoer achterblijven na het uitschakelen. De maximaal toegestane ontladingstijd wordt bepaald door industrienormen zoals IEC60950 en IEC60065.

De traditionele aanpak om te zorgen dat de vereiste ontlading plaatsvindt, is het parallel schakelen van ontlastweerstanden aan de X-condensator. Deze aanpak heeft echter een nadelig effect op het vermogen. Een betere oplossing is om een ontladingsfunctie voor de X-condensator op te nemen met een door de gebruiker instelbare tijdconstante. IC’s zoals de LNK3312D-TL volgen deze aanpak. Dit resulteert in minder ruimte op de printplaat, een lagere materiaallijst (BOM) en een hogere betrouwbaarheid.

Voedingen en converters hebben meerdere beveiligingsfuncties nodig. Alle LinkSwitch-TNZ-IC’s bevatten:

• Softstart om de spanning op systeemonderdelen bij het opstarten te beperken.
• Automatisch herstarten bij kortsluit- en openlusfouten.
• Overspanningsbeveiliging van de uitgang.
• Overspanningsbeveiliging van de lijningang.
• Hysterese-overtemperatuurbeveiliging.

Van IC tot volledig ontwerp

Een IC alleen, hoe goed of veelzijdig ook, kan geen complete, kant-en-klare AC/DC-omzetter zijn, omdat veel componenten daar niet in kunnen of mogen worden geïntegreerd. Deze omvatten bulkfiltercondensatoren, bypasscondensatoren, spoelen, transformatoren en beschermende componenten. De noodzaak van externe componenten blijkt uit de niet-geïsoleerde universele ingang, 6 V, 80 mA constante voeding met een nuldoorgangsdetector op basis van een LNK3302D-TL-apparaat (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Afgebeeld zijn de externe componenten die nodig zijn voor een complete en veilige niet-geïsoleerde, universele ingangsvoeding van 6 V, 80 mA met nuldoorgangsdetectie op basis van een LNK3302D-TL-IC. (Bron afbeelding: Power Integrations)

Er zijn ook veiligheidsgerelateerde minimumafmetingen voor attributen zoals kruip en vrije ruimte. Het probleem ligt dan bij het ontwikkelen van een compleet ontwerp. De LinkSwitch-TNZ-IC-familie verlicht deze taak. Door bijvoorbeeld een schakelfrequentie van 66 kHz te gebruiken, zijn de benodigde magneten standaard, kant-en-klaar producten van meerdere leveranciers. Daarnaast biedt Power Integrations referentieontwerpen.

Voor degenen die een geïsoleerde voeding nodig hebben, is het RDK-877-referentieontwerp (afbeelding 5) een geïsoleerde flybackvoeding van 6 W met nuldoorgangsdetectie op basis van de LNK3306D-TL.

Afbeelding 5: Het RDK-877-referentieontwerp van 6 W biedt isolatie in een flybacktopologie en is gebaseerd op de LNK3306D-TL. (Bron afbeelding: Power Integrations)

De voeding heeft een ingangsbereik van 90 V_AC tot 305 V_AC, een uitgang van 12 V bij 500 mA en een onbelast stroomverbruik van minder dan 30 mW over het hele AC-lijnbereik. Er is meer dan 350 mW vermogen beschikbaar in de stand-bymodus, terwijl de efficiëntie in de actieve modus voldoet aan de DOE6 en EC CoC (v5) vereisten met een rendement bij vollast van meer dan 80% bij nominale belasting. Het ontwerp voldoet ook aan EN550022 en CISPR-22 klasse B vereisten voor geleide EMI.

Conclusie

Het ontwerpen en implementeren van een low-power AC/DC-voeding lijkt misschien triviaal. Toch blijkt dit een uitdagende taak te zijn vanwege prestatie- en efficiëntiedoelstellingen en veiligheids- en regelgevingsmandaten, evenals vereisten voor kosten, voetafdruk en time-to-market . Schakel-IC’s zoals die in de gecombineerde regelaars en MOSFET's uit de LinkSwitch-TNZ-familie van Power Integrations vereenvoudigen de taak aanzienlijk. Deze IC’s ondersteunen verschillende vermogensniveaus, kunnen worden gebruikt met verschillende voedingstopologieën en bevatten essentiële functies zoals nuldoorgangsdetectie en ontlading van de X-condensator.