Dạy bạn 6 kỹ năng thiết kế nguồn điện
01 Bộ khuếch đại từ tính Ferrite trong Bộ nguồn Flyback
Đối với nguồn cung cấp flyback đầu ra kép có công suất thực trên cả hai đầu ra (5V 2A và 12V 3A, cả hai đều được điều chỉnh bởi ± 5 phần trăm ), khi điện áp đạt 12V, nó chuyển sang trạng thái không tải và không thể điều chỉnh trong giới hạn 5 phần trăm. Bộ điều chỉnh tuyến tính là một giải pháp khả thi, nhưng vẫn không lý tưởng do chi phí cao và giảm hiệu quả.
Giải pháp được đề xuất của chúng tôi là sử dụng bộ khuếch đại từ tính trên đầu ra 12V, thậm chí có thể sử dụng cấu trúc liên kết flyback. Để giảm chi phí, nên sử dụng bộ khuếch đại từ tính ferit. Tuy nhiên, mạch điều khiển của bộ khuếch đại từ tính ferrite khác với mạch điều khiển của vật liệu vòng trễ hình chữ nhật truyền thống (vật liệu có độ thấm từ tính cao). Mạch điều khiển của ferrite (D1 và Q1) giảm dòng điện để duy trì nguồn điện ở đầu ra. Mạch này đã được kiểm tra kỹ lưỡng. Các cuộn dây của máy biến áp được thiết kế cho đầu ra 5V và 13V. Mạch thậm chí có thể đạt được công suất đầu vào phụ-1W (5V 300mW và 12V không tải) trong khi đạt được mức điều chỉnh ±5 phần trăm của đầu ra 12V.
02 Sử dụng mạch xà beng hồ quang hiện có để bảo vệ quá dòng
Xem xét nguồn cung cấp flyback 5V 2A và 12V 3A. Một trong những thông số kỹ thuật chính của bộ nguồn này là bảo vệ quá công suất (OPP) trên đầu ra 5V khi đầu ra 12V không tải hoặc tải rất nhẹ. Cả hai đầu ra đều có yêu cầu điều chỉnh điện áp ±5 phần trăm.
Đối với các giải pháp phổ biến, việc sử dụng điện trở cảm biến làm giảm hiệu suất điều chỉnh chéo và cầu chì đắt tiền. Tuy nhiên, các mạch xà beng để bảo vệ quá áp (OVP) hiện đã có sẵn. Mạch này có thể đáp ứng cả OPP và yêu cầu điều chỉnh điện áp, điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng mạch xà beng hồ quang một phần.
R1 và VR1 tạo thành tải trước tích cực trên đầu ra 12V, cho phép điều chỉnh 12V khi đầu ra 12V được tải nhẹ. Khi đầu ra 5V ở tình trạng quá tải, điện áp trên đầu ra 5V sẽ giảm xuống. Tải giả vẽ rất nhiều hiện tại. Có thể sử dụng điện áp rơi trên R1 để cảm nhận dòng điện lớn này. Q1 bật và kích hoạt mạch OPP.
03 Bộ điều chỉnh shunt chủ động và tải trước
Flyback hiện là cấu trúc liên kết phổ biến nhất trong lĩnh vực chuyển đổi các sản phẩm cung cấp điện từ điện áp dòng AC sang điện áp thấp DC. Lý do chính cho điều này là hiệu quả chi phí duy nhất của việc cung cấp nhiều điện áp đầu ra bằng cách chỉ cần thêm các cuộn dây bổ sung vào thứ cấp của máy biến áp.
Thông thường, phản hồi đến từ đầu ra với các yêu cầu về dung sai đầu ra chặt chẽ nhất. Sau đó, đầu ra này xác định số vòng trên mỗi vôn cho tất cả các cuộn dây thứ cấp khác. Do hiệu ứng điện cảm rò rỉ, các đầu ra không phải lúc nào cũng đạt được điều chỉnh chéo điện áp đầu ra mong muốn, đặc biệt nếu một đầu ra nhất định có thể không tải hoặc tải rất nhẹ do các đầu ra khác được tải đầy đủ.
Có thể sử dụng bộ điều chỉnh sau hoặc tải giả để ngăn điện áp ở đầu ra tăng trong các điều kiện như vậy. Tuy nhiên, do chi phí tăng và hiệu quả giảm của bộ điều chỉnh sau hoặc tải giả, chúng không đủ hấp dẫn, đặc biệt là trong những năm gần đây đối với mức tiêu thụ điện đầu vào không tải và/hoặc dự phòng trong nhiều ứng dụng tiêu dùng. Trong điều kiện các yêu cầu quy định ngày càng nghiêm ngặt, thiết kế này bắt đầu bị bỏ quên. Bộ điều chỉnh shunt chủ động thể hiện trong Hình 3 không chỉ giải quyết vấn đề điều chỉnh điện áp mà còn giảm thiểu tác động về chi phí và hiệu quả.
Mạch hoạt động như sau: Khi cả hai đầu ra được điều chỉnh, bộ chia điện trở R14 và R13 phân cực bóng bán dẫn Q5, giữ cho Q4 và Q1 tắt. Trong các điều kiện hoạt động này, dòng điện qua Q5 hoạt động như một tải trước nhỏ trên đầu ra 5V.
Chênh lệch tiêu chuẩn giữa đầu ra 5V và đầu ra 3,3V là 1,7V. Khi tải yêu cầu dòng điện bổ sung từ đầu ra 3,3V mà không tăng dòng tải tương ứng từ đầu ra 5V, điện áp đầu ra sẽ tăng so với đầu ra 3,3V. Với chênh lệch điện áp hơn khoảng 100 mV, Q5 sẽ bị tắt, bật Q4 và Q1 và cho phép dòng điện chạy từ đầu ra 5V sang đầu ra 3,3V. Dòng điện này sẽ làm giảm điện áp ở đầu ra 5V, giảm chênh lệch điện áp giữa hai đầu ra.
Lượng dòng điện trong Q1 được xác định bởi sự khác biệt về điện áp ở hai đầu ra. Do đó, mạch có thể giữ cho cả hai đầu ra được điều chỉnh bất kể mức tải của chúng, ngay cả trong trường hợp xấu nhất khi đầu ra 3,3V được tải đầy và đầu ra 5V không tải. Q5 và Q4 trong thiết kế cung cấp bù nhiệt độ do nhiệt độ VBE thay đổi trong mỗi bóng bán dẫn triệt tiêu lẫn nhau. Điốt D8 và D9 không bắt buộc nhưng có thể được sử dụng để giảm công suất tiêu thụ trong Q1, loại bỏ nhu cầu thêm bộ tản nhiệt vào thiết kế.
Mạch chỉ đáp ứng với sự chênh lệch tương đối giữa hai điện áp và hầu như không hoạt động ở điều kiện đầy tải và nhẹ tải. Vì bộ điều chỉnh song song được kết nối từ đầu ra 5V đến đầu ra 3,3V, nên mạch có thể giảm 66% độ tiêu hao hoạt động so với bộ điều chỉnh song song nối đất. Kết quả là đạt hiệu suất cao khi đầy tải và tiêu thụ điện năng thấp từ tải nhẹ đến không tải.
04 Bộ nguồn chuyển đổi đầu vào điện áp cao sử dụng StackFET
Thiết bị công nghiệp hoạt động trên dòng điện xoay chiều ba pha thường yêu cầu một tầng nguồn phụ có thể cung cấp điện áp một chiều điện áp thấp được điều chỉnh cho các mạch tương tự và kỹ thuật số. Ví dụ về các ứng dụng như vậy bao gồm ổ đĩa công nghiệp, hệ thống UPS và đồng hồ đo năng lượng.
Thông số kỹ thuật cho loại nguồn điện này chặt chẽ hơn nhiều so với yêu cầu đối với công tắc tiêu chuẩn bán sẵn. Không chỉ điện áp đầu vào cao hơn trong các ứng dụng này, mà thiết bị được thiết kế cho các ứng dụng ba pha trong môi trường công nghiệp cũng phải chịu được các dao động rất rộng—bao gồm thời gian nhúng kéo dài, điện áp tăng vọt và thỉnh thoảng mất một hoặc nhiều pha. Ngoài ra, dải điện áp đầu vào được chỉ định cho các nguồn cung cấp phụ trợ này có thể rộng từ 57 VAC đến 580 VAC.
Việc thiết kế một nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi phạm vi rộng như vậy có thể là một thách thức, chủ yếu là do chi phí cao của MOSFET điện áp cao và giới hạn về dải động của các vòng điều khiển PWM truyền thống. Công nghệ StackFET cho phép kết hợp các MOSFET điện áp thấp định mức 600V rẻ tiền và bộ điều khiển nguồn điện tích hợp từ Power Integrations, cho phép thiết kế đơn giản và rẻ tiền các bộ nguồn chuyển mạch có khả năng hoạt động trên dải điện áp đầu vào rộng.
Mạch hoạt động như sau: Dòng điện ở đầu vào của mạch có thể đến từ hệ thống ba pha ba dây hoặc bốn dây hoặc thậm chí từ hệ thống một pha. Bộ chỉnh lưu ba pha bao gồm các điốt D1-D8. Điện trở R1-R4 cung cấp giới hạn dòng khởi động. Nếu sử dụng điện trở nóng chảy, những điện trở này có thể được ngắt kết nối một cách an toàn khi xảy ra sự cố mà không cần cầu chì riêng. Bộ lọc pi gồm C5, C6, C7, C8, L1 để lọc điện áp một chiều đã chỉnh lưu.
Điện trở R13 và R15 dùng để cân bằng điện áp giữa các tụ lọc đầu vào. Khi MOSFET bên trong công tắc tích hợp (U1) bật, nguồn của Q1 sẽ được kéo xuống mức thấp, R6, R7 và R8 sẽ cung cấp dòng cổng và điện dung đường giao nhau từ VR1 đến VR3 sẽ bật Q1. Zener diode VR4 được sử dụng để giới hạn điện áp nguồn cổng được áp dụng cho Q1. Khi MOSFET trong U1 tắt, điện áp thoát tối đa của U1 được kẹp bởi mạng kẹp 450 V bao gồm VR1, VR2 và VR3. Điều này giới hạn điện áp thoát của U1 ở mức xấp xỉ 450 V.
Bất kỳ điện áp bổ sung nào ở cuối cuộn dây nối với Q1 sẽ được đưa vào Q1. Thiết kế này phân phối hiệu quả tổng điện áp DC đầu vào được chỉnh lưu và điện áp flyback giữa Q1 và U1. Điện trở R9 được sử dụng để hạn chế dao động tần số cao trong quá trình chuyển đổi và mạng kẹp VR5, D9 và R10 được sử dụng để hạn chế điện áp cực đại trên sơ cấp do điện cảm rò rỉ trong khoảng thời gian bay ngược.
Chỉnh lưu đầu ra được cung cấp bởi D1. C2 là bộ lọc đầu ra. L2 và C3 tạo thành một bộ lọc thứ cấp để giảm gợn chuyển đổi ở đầu ra.
VR6 bật khi điện áp đầu ra vượt quá tổng điện áp rơi trên đi-ốt của bộ ghép quang và VR6. Sự thay đổi điện áp đầu ra gây ra sự thay đổi dòng điện qua đi-ốt bộ ghép quang trong U2, do đó làm thay đổi dòng điện qua bóng bán dẫn trong U2B. Khi dòng điện này vượt quá ngưỡng hiện tại chân FB của U1, chu kỳ tiếp theo sẽ bị chặn. Điều chỉnh đầu ra có thể đạt được bằng cách kiểm soát số chu kỳ kích hoạt và vô hiệu hóa. Sau khi bật chu kỳ chuyển đổi, chu kỳ kết thúc khi dòng điện tăng đến giới hạn dòng điện bên trong của U1. R11 được sử dụng để hạn chế dòng điện qua bộ ghép quang trong khi tải nhất thời và để điều chỉnh mức tăng của vòng phản hồi. Điện trở R12 được sử dụng để phân cực diode Zener VR6.
IC U1 (LNK 304) có các chức năng tích hợp để mạch được bảo vệ chống mất tín hiệu phản hồi, ngắn mạch ở đầu ra và quá tải. Vì U1 được cấp nguồn trực tiếp từ chân DRAIN của nó nên không cần thêm cuộn dây phân cực trên máy biến áp. C4 được sử dụng để cung cấp khả năng tách nguồn bên trong.
05 Lựa chọn tốt điốt chỉnh lưu có thể đơn giản hóa và giảm chi phí mạch lọc EMI trong bộ chuyển đổi AC/DC
Mạch này có thể đơn giản hóa và giảm chi phí mạch lọc EMI trong bộ chuyển đổi AC/DC. Để làm cho nguồn điện AC/DC tuân thủ EMI, yêu cầu sử dụng một số lượng lớn các thành phần bộ lọc EMI như tụ điện X và Y. Mạch đầu vào tiêu chuẩn dành cho nguồn điện AC/DC bao gồm bộ chỉnh lưu cầu để chỉnh lưu điện áp đầu vào (thường là 50-60 Hz). Vì đây là điện áp đầu vào AC tần số thấp nên có thể sử dụng các điốt tiêu chuẩn như sê-ri điốt 1N400X, cũng bởi vì đây là những điốt ít tốn kém nhất.
Các thiết bị lọc này được sử dụng để giảm EMI do nguồn điện tạo ra nhằm tuân thủ các giới hạn EMI đã công bố. Tuy nhiên, do các phép đo được sử dụng để ghi EMI chỉ bắt đầu ở 150 kHz và tần số điện áp dòng AC chỉ là 50 hoặc 60 Hz, nên thời gian phục hồi ngược của điốt tiêu chuẩn (xem Hình 5-1) được sử dụng trong bộ chỉnh lưu cầu là tương đối chậm. dài và thường không liên quan trực tiếp đến việc tạo ra EMI.
Tuy nhiên, các mạch lọc đầu vào trước đây đôi khi bao gồm các tụ điện song song với bộ chỉnh lưu cầu để triệt tiêu mọi dạng sóng tần số cao do chỉnh lưu điện áp đầu vào tần số thấp.
Các tụ điện này không cần thiết nếu điốt phục hồi nhanh được sử dụng trong bộ chỉnh lưu cầu. Khi điện áp trên các điốt này bắt đầu đảo ngược, chúng sẽ phục hồi rất nhanh (xem Hình 5-2). Điều này làm giảm kích thích cảm ứng đường dây đi lạc trong đường dây đầu vào AC bằng cách giảm các lần ngắt tần số cao và EMI sau đó. Vì 2 điốt có thể dẫn mỗi nửa chu kỳ nên chỉ cần 2 trong số 4 điốt là loại phục hồi nhanh. Tương tự như vậy, chỉ một trong hai điốt dẫn mỗi nửa chu kỳ cần có đặc tính phục hồi nhanh.
Điện áp đầu vào và dạng sóng hiện tại cho thấy sự tắc nghẽn đi-ốt ở cuối quá trình phục hồi ngược.
06 Sử dụng Khởi động mềm để vô hiệu hóa các đầu ra chi phí thấp để chứa các mức tăng đột biến hiện tại
Để đáp ứng các thông số kỹ thuật nguồn dự phòng nghiêm ngặt, một số bộ nguồn nhiều đầu ra được thiết kế để ngắt kết nối đầu ra khi tín hiệu dự phòng hoạt động.
Thông thường, điều này được thực hiện bằng cách tắt một bóng bán dẫn lưỡng cực nối tiếp (BJT) hoặc MOSFET. Đối với các đầu ra dòng điện thấp, BJT có thể là một giải pháp thay thế phù hợp và ít tốn kém hơn so với MOSFET nếu máy biến áp nguồn được thiết kế có tính đến sự sụt giảm điện áp bổ sung trên các bóng bán dẫn.
