למד אותך 6 מיומנויות עיצוב של ספק כוח
01 מגבר מגנטי פריט בספק כוח Flyback
עבור אספקת יציאה כפולה עם הספק אמיתי בשני היציאות (5V 2A ו-12V 3A, שניהם מווסתים ב-5 אחוזים ±), כאשר המתח מגיע ל-12V הוא נכנס למצב עומס אפס ולא יכול להתכוונן בתוך הגבול של 5 אחוזים. ווסת ליניארי הוא פתרון בר קיימא, אך עדיין לא אידיאלי בשל עלותו הגבוהה ואובדן היעילות שלו.
הפתרון המוצע שלנו הוא להשתמש במגבר מגנטי על יציאת 12V, אפילו ניתן להשתמש בטופולוגיה של flyback. כדי להוזיל עלות, מומלץ להשתמש במגבר מגנטי פריט. עם זאת, מעגל הבקרה של המגבר המגנטי הפריט שונה מזה של החומר המסורתי של לולאת ההיסטרזיס המלבנית (חומר חדירות מגנטית גבוהה). מעגל הבקרה של הפריט (D1 ו-Q1) שוקע זרם כדי לשמור על הספק במוצא. מעגל זה נבדק ביסודיות. פיתולי השנאי מיועדים לפלט של 5V ו-13V. המעגל יכול אפילו להשיג הספק כניסה של תת--1W (5V 300mW ו-12V אפס עומס) תוך השגת ±5 אחוז ויסות של פלט 12V.
02 השתמש במעגל קשת קיים כדי לספק הגנה מפני זרם יתר
שקול אספקה של 5V 2A ו-12V 3A. אחד המפרטים המרכזיים של ספק כוח זה הוא הגנת יתר (OPP) ביציאת 5V כאשר פלט 12V מגיע ללא עומס או לעומס קל מאוד. שתי היציאות מציגות דרישת ויסות מתח של ±5 אחוז.
עבור פתרונות נפוצים, השימוש בנגדי חישה פוגע בביצועי ויסות צולב, והנתיכים יקרים. עם זאת, מעגלי ברזל להגנת מתח יתר (OVP) זמינים כעת. מעגל זה מסוגל לעמוד גם בדרישות OPP וגם בדרישות ויסות מתח, שניתן להשיג על ידי שימוש במעגל קשת חלקי.
R1 ו-VR1 יוצרים עומס מוקדם פעיל על יציאת ה-12V, המאפשרת ויסות 12V כאשר יציאת ה-12V עמוסה קלות. כאשר פלט 5V נמצא במצב עומס יתר, המתח ביציאת 5V יירד. עומסי דמה מושכים הרבה זרם. ניתן להשתמש במפל מתח על פני R1 כדי לחוש את הזרם הגדול הזה. Q1 נדלק ומפעיל את מעגל OPP.
03 וסת shunt פעיל ועומס מראש
Flyback היא כיום הטופולוגיה הפופולרית ביותר בתחום מיתוג מוצרי אספקת חשמל ממתח קו AC למתח נמוך DC. סיבה עיקרית לכך היא העלות-תועלת הייחודית של אספקת מתחי מוצא מרובים פשוט על ידי הוספת פיתולים נוספים לשנאי המשני.
בדרך כלל, המשוב מגיע מהפלט עם דרישות סובלנות הפלט המחמירות ביותר. פלט זה מגדיר את הסיבובים לוולט עבור כל שאר הפיתולים המשניים. עקב השפעות השראות דליפה, היציאות לא תמיד יכולות להשיג את ויסות הצולב של מתח המוצא הרצוי, במיוחד אם פלט נתון עשוי להיות פרוק או טעון קל מאוד מכיוון ששאר היציאות עמוסות במלואן.
ניתן להשתמש בעומס פוסט-ווסת או דמה כדי למנוע מהמתח ביציאה לעלות בתנאים כאלה. עם זאת, בשל העלות המוגדלת והיעילות המופחתת של הרגולטורים או עומסי הדמה, הם לא היו מספיק אטרקטיביים, במיוחד בשנים האחרונות לצריכת חשמל ללא עומס ו/או המתנה ביישומים צרכניים רבים. בתנאי של דרישות רגולטוריות מחמירות יותר ויותר, עיצוב זה החל להיות מוזנח. וסת ה-shunt הפעיל המוצג באיור 3 לא רק פותר את בעיית ויסות המתח, אלא גם ממזער את העלות וההשפעה על היעילות.
המעגל פועל באופן הבא: כאשר שתי היציאות נמצאות בוויסות, מחלק הנגדים R14 ו-R13 מוטים טרנזיסטור Q5, אשר שומר על Q4 ו-Q1 כבויים. בתנאי הפעלה אלה, הזרם דרך Q5 פועל כעומס מוקדם קטן על יציאת ה-5V.
ההבדל הסטנדרטי בין פלט 5V לפלט 3.3V הוא 1.7V. כאשר העומס דורש זרם נוסף מתפוקת ה-3.3V ללא עליה שווה בזרם העומס מיציאת ה-5V, מתח המוצא יעלה בהשוואה לפלט ה-3.3V. עם הפרש מתח של יותר מ-100 mV בקירוב, Q5 יהיה מוטה, יפעיל את Q4 ו-Q1 ויאפשר לזרם לזרום ממוצא 5V למוצא 3.3V. זרם זה יפיל את המתח ביציאת 5V, ויפחית את הפרש המתח בין שתי היציאות.
כמות הזרם ב-Q1 נקבעת על ידי ההבדל במתח בשני היציאות. לכן, המעגל יכול לשמור על שתי היציאות מווסתות ללא קשר לטעינה שלהן, אפילו בתרחיש הגרוע ביותר שבו פלט 3.3V נטען במלואו ופלט 5V אינו טעון. Q5 ו-Q4 בעיצוב מספקים פיצוי טמפרטורה מכיוון ששינויי טמפרטורת VBE בכל טרנזיסטור מבטלים זה את זה. דיודות D8 ו-D9 אינן נדרשות אך ניתן להשתמש בהן כדי להפחית את פיזור הכוח ב-Q1, ולבטל את הצורך להוסיף גוף קירור לעיצוב.
המעגל מגיב רק להבדל היחסי בין שני המתחים והוא לא פעיל ברובו בתנאי עומס מלא וקל. מאחר ווסת ה-shunt מחובר מפלט 5V ליציאת 3.3V, המעגל יכול להפחית פיזור אקטיבי ב-66 אחוז בהשוואה לווסת shunt מוארק. התוצאה היא יעילות גבוהה בעומס מלא וצריכת חשמל נמוכה מעומס קל ועד ללא עומס.
04 מתח גבוה מיתוג ספק כוח באמצעות StackFET
ציוד תעשייתי הפועל על AC תלת פאזי דורש לעתים קרובות שלב כוח עזר שיכול לספק DC מתח נמוך מווסת עבור מעגלים אנלוגיים ודיגיטליים. דוגמאות ליישומים כאלה כוללים כוננים תעשייתיים, מערכות UPS ומדדי אנרגיה.
המפרטים עבור סוג זה של ספק כוח הם הרבה יותר הדוקים מאלה הנדרשים עבור מתגי מדף סטנדרטיים. לא רק מתחי הכניסה גבוהים יותר ביישומים אלה, אלא שציוד המיועד ליישומים תלת פאזיים בסביבות תעשייתיות חייב גם לסבול תנודות רחבות מאוד - כולל זמני טבילה ממושכים, נחשולי מתח ואובדן מזדמן של שלב אחד או יותר. כמו כן, טווח מתח הכניסה שצוין עבור ספקי עזר אלה יכול להיות רחב עד 57 VAC עד 580 VAC.
תכנון ספק כוח מיתוג רחב כל כך יכול להיות אתגר, בעיקר בשל העלות הגבוהה של MOSFETs במתח גבוה והגבלת הטווח הדינמי של לולאות בקרת PWM מסורתיות. טכנולוגיית StackFET מאפשרת שילוב של MOSFET במתח נמוך מדורג 600V זולים ובקרי אספקת חשמל משולבים מבית Power Integrations, המאפשרת עיצוב פשוט וזול של מיתוג ספקי כוח המסוגלים לפעול על פני טווח מתח כניסה רחב.
המעגל פועל באופן הבא: הזרם בכניסת המעגל יכול להגיע ממערכת תלת-פאזית תלת-פאזית או ארבעה-חוטית, או אפילו ממערכת חד-פאזית. המיישר התלת פאזי מורכב מדיודות D1-D8. נגדים R1-R4 מספקים הגבלת זרם פריצה. אם נעשה שימוש בנגדים ניתנים להיתוך, ניתן לנתק נגדים אלו בבטחה במהלך תקלה ללא צורך בנתיך נפרד. מסנן ה-pi מורכב מ-C5, C6, C7, C8 ו-L1 כדי לסנן את מתח ה-DC המיושר.
נגדים R13 ו-R15 משמשים לאיזון המתח בין קבלי מסנן הכניסה. כאשר ה-MOSFET בתוך המתג המשולב (U1) נדלק, המקור של Q1 יימשך נמוך, R6, R7 ו-R8 יספקו זרם שער, וקיבול הצומת מ-VR1 ל-VR3 יופעל Q1. דיודת זנר VR4 משמשת להגבלת מתח מקור השער המופעל על Q1. כאשר ה-MOSFET ב-U1 כבוי, מתח הניקוז המרבי של U1 מהודק על ידי רשת הידוק של 450 V המורכבת מ-VR1, VR2 ו-VR3. זה מגביל את מתח הניקוז של U1 לכ-450 V.
כל מתח נוסף בקצה הפיתול המחובר ל-Q1 יופעל על Q1. תכנון זה מפיץ ביעילות את כל מתח ה-DC של הקלט המיושר ומתח הזינוק בין Q1 ל-U1. הנגד R9 משמש להגבלת תנודות בתדר גבוה במהלך המיתוג, ורשת מהדקים VR5, D9 ו-R10 משמשת להגבלת מתח שיא על הראשוני עקב השראות דליפה במהלך מרווח ההחזרה.
תיקון פלט מסופק על ידי D1. C2 הוא מסנן הפלט. L2 ו-C3 יוצרים מסנן משני להפחתת אדוות המיתוג במוצא.
VR6 נדלק כאשר מתח המוצא עולה על מפל המתח הכולל על פני דיודת המצמד האופטו ו-VR6. שינוי במתח המוצא גורם לשינוי בזרימת הזרם דרך דיודת המצמד האופטו ב-U2, אשר בתורו משנה את זרימת הזרם דרך הטרנזיסטור ב-U2B. כאשר זרם זה חורג מזרם סף פין FB של U1, המחזור הבא מעוכב. ניתן להשיג ויסות פלט על ידי שליטה במספר מחזורי ההפעלה וההשבתה. לאחר הפעלת מחזור מיתוג, המחזור מסתיים כאשר הזרם עולה לגבול הזרם הפנימי של U1. R11 משמש להגבלת הזרם דרך המצמד האופטו במהלך עומסים חולפים וכדי לכוונן את ההגבר של לולאת המשוב. הנגד R12 משמש להטיית דיודת זנר VR6.
ל-IC U1 (LNK 304) יש פונקציות מובנות כך שהמעגל מוגן מפני אובדן אות משוב, קצר חשמלי במוצא ועומס יתר. מכיוון ש-U1 מופעל ישירות מפין ה-DRAIN שלו, אין צורך בפיתול הטיה נוסף על השנאי. C4 משמש לספק ניתוק אספקה פנימי.
05 מבחר טוב של דיודות מיישר יכול לפשט ולהפחית את העלות של מעגלי מסנן EMI בממירי AC/DC
מעגל זה יכול לפשט ולהפחית את העלות של מעגלי מסנן EMI בממירי AC/DC. כדי להפוך ספק כוח AC/DC לתואם EMI דורש שימוש במספר רב של רכיבי מסנן EMI כגון קבלים X ו-Y. מעגלי כניסה סטנדרטיים עבור ספקי כוח AC/DC כוללים מיישר גשר לתיקון מתח הכניסה (בדרך כלל 50-60 הרץ). מכיוון שמדובר במתח כניסה AC בתדר נמוך, ניתן להשתמש בדיודות סטנדרטיות כגון סדרת הדיודות 1N400X, גם בגלל שהן הכי פחות יקרות.
התקני סינון אלו משמשים להפחתת ה-EMI שנוצר על ידי ספק הכוח כדי לעמוד במגבלות EMI שפורסמו. עם זאת, מכיוון שהמדידות המשמשות לרישום EMI מתחילות רק ב-150 קילו-הרץ, ותדר מתח הקו AC הוא רק 50 או 60 הרץ, זמן ההתאוששות ההפוכה של דיודות סטנדרטיות (ראה איור 5-1) המשמשות במיישרי גשר הוא איטי יחסית. ארוך ובדרך כלל לא קשור ישירות ליצירת EMI.
עם זאת, מעגלי מסנן כניסה בעבר כללו לפעמים קבלים במקביל למיישר הגשר כדי לדכא כל צורות גל בתדר גבוה שנגרמו על ידי יישור מתח הכניסה בתדר נמוך.
אין צורך בקבלים אלה אם משתמשים בדיודות התאוששות מהירה במיישר הגשר. כאשר המתח על פני הדיודות הללו מתחיל להתהפך, הן מתאוששות מהר מאוד (ראה איור 5-2). זה מפחית עירור אינדוקטיבי של קו תועה בקו כניסת AC על ידי הפחתת הצמדת כיבוי בתדר גבוה ו-EMI הבאים. מכיוון ש-2 דיודות יכולות לנהל כל חצי מחזור, רק 2 מתוך 4 הדיודות צריכות להיות סוגים של התאוששות מהירה. באופן דומה, רק אחת משתי הדיודות המובילות כל חצי מחזור צריכה להיות בעלת מאפיין התאוששות מהיר.
צורות הגל של מתח הכניסה והזרם מראים את הצמדת הדיודה בסוף ההתאוששות ההפוכה.
06 השתמש בהתחלה רכה כדי להשבית יציאות בעלות נמוכה כדי להכיל קוצים נוכחיים
כדי לעמוד במפרטי כוח המתנה מחמירים, חלק מספקי הכוח מרובים מתוכננים לנתק את הפלט כאשר אות ההמתנה פעיל.
בדרך כלל, זה מושג על ידי כיבוי של טרנזיסטור דו-קוטבי מעקף סדרתי (BJT) או MOSFET. עבור יציאות זרם נמוכות, BJTs יכולים להוות אלטרנטיבה מתאימה ופחות יקרה ל-MOSFETs אם שנאי הכוח מתוכנן תוך התחשבות במפלת המתח הנוספת על פני הטרנזיסטורים.
