Viper12a схема включения без трансформатора
Импульсные источники питания VIPer от STMicroelectronics
Современный офис трудно представить без оргтехники. Многочисленные электроприборы прочно вошли в наш быт и стали просто незаменимы. И практически в каждом из этих приборов, будь то компьютер или принтер, телевизор или зарядное устройство мобильного телефона, стоят импульсные источники питания. Достижения микроэлектроники последних лет позволили применить импульсные источники не только в бытовой, но и промышленной, военной и медицинской сферах. Многочисленные преимущества импульсных источников питания были давно оценены. Существуют также и недостатки, часто выходящих из строя и не желающих после ремонта запускаться импульсных стабилизаторов. Многие проблемы связаны с большим количеством применяемых дискретных компонент и трудностями при разработке и производстве эффективных схем защиты и управления. Все эти задачи решает разработанное фирмой STMicroelectronics семейство микросхем VIPer, представляющих собой высоковольтный MOSFET-транзистор со схемой управления и защиты в одном корпусе.
Микросхемы предназначены для построения гальванически развязанных преобразователей с обратной связью (flyback converters) с постоянным Uвх от 35 до 400 В (переменным Uвх от 85 до 300 В), Uвых от 2,5 до 150 В и токами до 30 А. Режим токовой стабилизации и управляемого ограничения по току, функции авторестарта и мягкого старта, защита от перенапряжений и перегрузки, возможность внешней синхронизации и управления отключением – позволяют проектировать компактные и высоконадежные ИП с КПД до 90%. В табл. 1 предоставлены основные характеристики микросхем VIPer от STMicroelectronics.
Табл. 1. Основные характеристики микросхем VIPer от STMicroelectronics
В устройствах семейства VIPer в одной микросхеме интегрированы высоковольтный (700 В) МОП-транзистор и контроллер широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Микросхемы VIPer включают в себя все функции, необходимые для построения импульсного источника электропитания: мощный МОП-транзистор, ШИМ-контроллер, высоковольтная цепь запуска, цепи компенсации и защиты по току и температуре. Конструктивно микросхема выполнена в 5-выводном корпусе Pentawatt (ТО-220-5) или в корпусе для поверхностного монтажа PowerSO-10. Корпус PowerSO-10 - фирменная разработка STM, он обеспечивает превосходный отвод тепла, его тепловое сопротивление составляет 50оС/Вт. Блок-схема ШИМ-контроллеров семейства VIPer и схемотехническое построение источника питания на базе VIPer100 приведены на рис.1 и 2.
Интеграция в одном кристалле ШИМ-контроллера и высоковольтного МОП-транзистора позволяет значительно повысить надёжность микросхем семейства VIPer за счёт уменьшения числа компонентов системы и встроенных в микросхему схем защиты от перегрузки по току и перегрева. Уменьшение числа компонентов и упрощение конструирования позволяют также понизить общую стоимость разработки и производства источников питания. Упрощение проектирования уменьшает вероятность паразитного возбуждения и пульсацию выходного напряжения, что нередко бывает вследствие неудачного расположения элементов и печатных проводников на плате.
Рис. 1. Блок-схема ШИМ-контроллеров семейства VIPer
Рис. 2. Схемотехническое построение источника питания на базе VIPer100
• регулируемая частота переключения - от 0 до 200 кГц;
• режим токовой регуляции;
• мягкий старт;
• потребление от сети переменного тока менее 1 Вт в дежурном режиме;
• выключение при понижении напряжения питания в случае короткого замыкания (КЗ) или перегрузки по току;
• интегрированная в микросхему цепь запуска;
• автоматический перезапуск;
• защита от перегрева;
• регулируемое ограничение по току.
Преимущества
Как и в аналогичных микросхемах семейства TOPSwitch производства фирмы Power Integrations, в микросхемах семейства VIPer применяется режим регулирования по току. Используется две петли обратной связи - внутренняя петля контроля по току и внешняя петля контроля по напряжению. Когда МОП-транзистор открыт, значение тока первичной обмотки трансформатора отслеживается датчиком SenseFET и преобразуется в напряжение, пропорциональное току. Когда это напряжение достигает величины, равной Vcomp (напряжение на выводе COMP - выходное напряжение усилителя ошибки), транзистор закрывается. Таким образом, внешняя петля регулирования по напряжению определяется величиной, при которой внутренняя токовая петля выключает высоковольтный ключ .
Режим токового регулирования гарантирует хорошее ограничение в случае КЗ. В этом случае происходит понижение напряжения обмотки обратной связи, и таким образом Vdd (напряжение на выводе VDD) достигает уровня 8 В. При этом срабатывает защита от понижения напряжения питания UVLO, и транзистор закрывается. Включается высоковольтный запускающий источник тока, который заряжает внешний конденсатор С4 ( рис. 2) до уровня 11 В (соответственно, от ёмкости С4 будет зависеть время перезапуска), при котором происходит попытка включения источника питания в рабочий режим.
При желании внутренне ограниченный пиковый ток можно уменьшить, ограничивая напряжение на выводе Vcomp, что удобно для дистанционного выключения всего источника питания по внешнему сигналу.
Важным преимуществом семейства VIPer является чрезвычайно широкий диапазон рабочего цикла - от 0 до 90 %. Известно, что микросхемы Power Integrations семейства TOPSwitch требуют небольшую балластную нагрузку при работе в режиме холостого хода, чтобы источник питания не вышел за пределы регулирования.
У VIPer этот недостаток отсутствует. Находясь в режиме холостого хода, они переходят в режим отдельных импульсов тока, позволяющий осуществить регулирование по вторичной обмотке. При этом напряжение на вспомогательной обмотке превышает 13 В и переводит усилитель ошибки в состояние логического нуля. Транзистор выключается, и источник питания работает практически с нулевым рабочим циклом. Когда Vdd достигает порога включения, устройство вновь включается на короткое время. Эти циклы повторяются с пропуском периодов переключения, и эквивалентная рабочая частота в таком режиме намного меньше, чем в нормальном режиме, что приводит к значительному уменьшению потребления энергии от сети переменного тока. Дежурный режим работы соответствует немецкому стандарту Blue Angel (потребление энергии меньше 1 Вт для систем в режиме Stand-by).
Ещё одним важным преимуществом VIPer является регулируемая частота преобразования до 200 кГц с помощью внешней RC-цепочки. Тактовая частота 200 кГц позволяет уменьшить габариты трансформатора и выходного сглаживающего LC-фильтра, а значит и всего источника питания в целом. Также вывод OSC позволяет осуществить синхронизацию источника питания от внешнего источника сигнала.
Нельзя не отметить и улучшенные тепловые характеристики микросхем семейства VIPer, по сравнению с семейством TOPSwitch Power Integrations. Тепловое сопротивление RJA VIPer корпуса Pentawatt достигает 60ºC/Вт, а корпуса PowerSO-10 - 50ºC/Вт. При этом корпус PowerSO-10 очень удобен при применении технологии поверхностного монтажа и может быть установлен на контактную медную площадку на поверхности печатной платы широкой подложкой, соединённой со стоком мощного транзистора.
Последними разработками являются новые микросхемы семейства VIPer. Это VIPer20AII, VIPer50AII с частотой переключения до 300 кГц, а также VIPer12А с фиксированной частотой переключения 50 кГц и максимальной выходной мощностью 12 Вт в корпусах DIP-8 и SO-8. Интересно сравнить технические характеристики двух похожих семейств высоковольтных ШИМ-контроллеров TOPSwitch фирмы Power Integrations и VIPer фирмы STMicroelectronics (табл. 2).
Табл. 2. Сравнительные характеристики VIPer и TOPSwitch
* VDS - напряжение сток–исток; RDS ON MAX - сопротивление ключа в открытом состоянии; ILIMI - порог ограничения пикового тока; F - частота переключения; RJA - тепловое сопротивление перехода кристалл - окружающая среда; D - рабочий цикл; ISUPPLY - ток собственного потребления микросхемы.
Области применения
Основные области применения микросхем семейства VIPer - бытовая электроника с потреблением энергии до 100 Вт (телевизоры, компьютеры, мониторы, видеомагнитофоны, аудиоусилители), различные зарядные устройства (для радиотелефонов, сотовой телефонии, видеокамер), импульсные источники питания, компьютерная периферия и так далее.
Практическая реализация
Фирма STMicroelectronics предоставляет для разработчиков пакеты автоматизированного расчёта параметров источника питания на основе VIPer (VIPerXXX Design Software). При использовании специального программного обеспечения VIPer Software разработка еще более упрощается , которое может быть бесплатно предоставлено разработчикам. Интуитивно понятный интерфейс программы позволяет задать любой из параметров расчета стабилизатора (вплоть до температуры сердечника трансформатора), получить на выходе готовую схему и перечень элементов и посмотреть параметры работы стабилизатора в виде осциллограмм и графиков.
Быстрое решение: бюджетный неизолированный источник питания на контроллере VIPer122
Разработать и изготовить недорогой сетевой источник питания с выходной мощностью 11 Вт и КПД 77%, достаточным для широкого применения – вполне реальная задача. Для этого нужен контроллер VIPer122 производства STMicroelectronics, минимальная обвязка и минутный расчет с помощью утилиты eDesignSuite.
Часто у разработчиков электроники возникает потребность в максимально простом и дешевом сетевом адаптере. В идеале мы хотим получить низковольтный источник питания с выходным током в несколько сотен миллиампер и при этом не связываться с трудоемкими расчетами трансформаторов и компонентов обвязки. Специально для таких случаев компания STMicroelectronics разработала линейку контроллеров VIPerPlus, позволяющих создавать бюджетные и простые сетевые источники питания. Рассмотрим, как с помощью утилиты eDesignSuite можно за несколько минут получить законченную схему неизолированного сетевого источника питания на базе контроллера VIPer122. В качестве практического примера в статье рассматриваются характеристики типового сетевого адаптера STEVAL-VP12201B.
Современные сетевые блоки питания в погоне за высоким КПД становятся все сложнее. Производители старательно добиваются от своих преобразователей дополнительных 0,1% КПД. Другой популярной тенденцией, характерной для малопотребляющей электроники, является переход на аккумуляторное питание. Однако у батареек и аккумуляторов также есть множество недостатков, начиная от узкого диапазона рабочих температур и заканчивая необходимостью периодической замены/подзарядки элементов питания.
С другой стороны, у любого разработчика хотя бы раз в жизни возникает потребность в максимально простом и дешевом сетевом адаптере. При этом если у разработчика нет достаточного опыта и речь идет о небольшой выходной мощности, то создание сверхсовременного и сверхсложного преобразователя с фантастически высоким КПД вряд ли имеет смысл. В то же время, если требуемый выходной ток составляет сотни миллиампер, использование батареек также не всегда будет оправдано.
Специально для таких случаев, когда от сетевого источника питания требуется в первую очередь низкая стоимость и максимальная простота, а КПД имеет второстепенное значение, компания STMicroelectronics разработала линейку контроллеров VIPerPlus. В частности, с помощью контроллера VIPer122 можно без проблем создать неизолированный сетевой адаптер мощностью до 5 Вт?c выходным током до 200 мА [1, 2].
Рассмотрим особенности разработки неизолированного сетевого источника питания на базе контроллера VIPer122 с помощью бесплатной утилиты eDesignSuite. В качестве готового практического примера анализируются характеристики типового неизолированного преобразователя STEVAL-VP12201B с выходным напряжением 15 В и током до 200 мА (рисунок 1).
Рис. 1. Неизолированный сетевой преобразователь STEVAL-VP12201B 15 В, 200 мА на базе VIPer122 [1]
Семейство контроллеров VIPerPlus
Для начала следует сказать пару слов о семействе контролеров VIPerPlus производства ST. Общей отличительной чертой этих контроллеров является высокая степень интеграции. Они объединяют в одном корпусе ШИМ-контроллер, высоковольтный силовой транзистор, различные вспомогательные цепи и цепи защиты. В результате принципиальные схемы источников питания, использующих контроллеры VIPerPlus, оказываются максимально простыми (рисунок 2) [3].
Рис. 2. Преобразователи семейства VIPerPlus призваны максимально упростить создание сетевых адаптеров и источников питания [3]
В настоящий момент семейство VIPerPlus объединяет несколько серий контроллеров (рисунок 3). У каждой из серий есть свои отличительные особенности [3]. В частности, контроллеры VIPer122 и VIPer222 идеально подходят для создания сетевых бюджетных адаптеров с минимальным числом внешних компонентов. Контроллер VIPer122 обеспечивает выходную мощность сетевых адаптеров до 5 Вт при широком диапазоне входных напряжений 85…265 В AC, а контроллер VIPer222 обеспечивает выходную мощность до 8 Вт. Если речь идет о более узком диапазоне входных напряжений (номинальное напряжение 230 В AC) и открытом исполнении источника питания, то мощность адаптера с VIPer122 может достигать 9…11 Вт [4].Рис. 3. Обзор преобразователей семейства VIPer [3]
Обзор контроллера VIPer122
VIPer122 является высоковольтным преобразователем, который объединяет в одном корпусе ШИМ-контроллер, силовой МОП-транзистор с рейтингом напряжений 730 В, источник опорного напряжения 3,3 В, схему плавного запуска, защиту от перегрузки по току и напряжению, защиту от перегрева, генератор и измерительный резистор (рисунок 4) [4]. Встроенный ключ имеет сопротивление канала в открытом состоянии 27 Ом и позволяет коммутировать ток до 2 А (ограничено предельной температурой кристалла 150°С). Встроенный генератор обеспечивает базовую частоту коммутаций 60 кГц. Кроме того, спектр базового частотного сигнала дополнительно расширяется за счет модуляции в диапазоне ±4 кГц с частотой модуляции 230 Гц. Такой метод расширения спектра упрощает борьбу с помехами и позволяет использовать компактный выходной фильтр.
Контроллер VIPer122 работает в режиме контроля тока. Для этого используется встроенный резистор. Напряжение с резистора поступает на вход усилителя рассогласования, где сравнивается с напряжением с внешнего резистивного делителя или оптопары (вход EA-IN). Коммутация силового транзистора выполняется с помощью ШИМ и с учетом состояния на выходе усилителя. Таким образом, обратная связь в неизолированных адаптерах на базе VIPer122 может осуществляться с помощью простейшего резистивного делителя, а в случае использования изолированной топологии обратная связь осуществляется поcредством оптопары.
Компаратор OCP отвечает за защиту от перегрузки по току. Он отслеживает напряжение с измерительного резистора, которое не должно превышать предельное значение.
Еще одним преимуществом контроллера VIPer122 является наличие режима Burst mode, который позволяет обеспечивать потребление на уровне 40 мВт (230 В AC) даже при полном отсутствии нагрузки.
Рис. 4. Внешний вид и блок-схема контроллера VIPer122 [4]
С учетом параметров ключей и возможностей теплоотвода при входном переменном напряжении 230 В контроллер VIPer122 может обеспечивать выходную мощность до 9 Вт для адаптеров в закрытых невентилируемых корпусах и до 11 Вт для источников питания в открытом исполнении [4]. При более широком диапазоне входных напряжений 85…265 В AC мощность составляет 5 и 6 Вт соответственно.С помощью VIPer122 можно создавать как изолированные, так и неизолированные сетевые источники питания. В первую очередь нас интересует самый простой и бюджетный вариант – неизолированный понижающий источник питания, каковым является, например, типовой преобразователь STEVAL-VP12201B.
Неизолированный сетевой адаптер на VIPer122
Базовая схема неизолированного сетевого адаптера на VIPer122 представлена на рисунке 5. Данная схема содержит сам контроллер VIPer122 и полтора десятка внешних компонентов. Кратко рассмотрим их назначение:
- D1 – входной выпрямительный диод;
- NTC – входной термистор, позволяющий защитить сеть от бросков тока. Для защиты от перегрузки по току вместо термистора может использоваться низкоомный ограничительный резистор (единицы…десятки Ом) или плавкий предохранитель;
- С1 – емкость входного фильтра. Фильтр определяет пульсации входного выпрямленного напряжения. Для более качественной стабилизации напряжения могут использоваться LC- или CLC-фильтры;
- Lout, Cout – выходной фильтр;
- D5 – обратный диод;
- Rea-in1, Rea-in2 – резистивный делитель, определяющий выходное напряжение. Сигнал с этого делителя поступает на вход EA-IN усилителя рассогласования. С одной стороны, номиналы этих резисторов должны быть достаточно большими, чтобы минимизировать потребление. С другой стороны, если сопротивление резистивной цепочки будет слишком большим, могут возникнуть проблемы с построением цепи компенсации;
- С2 – дополнительный конденсатор, используемый для фильтрации сигнала обратной связи;
- D2 – диод обратной связи. Данный диод обеспечивает подачу сигнала обратной связи;
- при необходимости выходное напряжение адаптера может использоваться для питания самого контроллера, для этого в схему необходимо добавить дополнительный диод Daux между катодом D2 и входом VCC;
- Сvcc – развязывающий конденсатор, подключаемый ко входу питания контроллера (VCC). При первоначальном включении питания внутренний источник тока VIPer122 заряжает конденсатор Сvcc до порогового напряжения 13 В (VON), после чего источник тока выключается, и схема начинает плавный запуск. Далее питание контроллера осуществляется либо от внешнего источника, либо от выхода адаптера через диоды D2 и Daux (на схеме не показан);
- Rea-out1, Cea-out1, Cea-out2 – цепь компенсации, подключаемая к выходу усилителя рассогласования EA-OUT;
- в схеме также может присутствовать выходной нагрузочный резистор. Он необходим для защиты от бросков напряжения при отключении нагрузки. Его номинал выбирается, исходя из компромисса между броском напряжения и собственным потреблением.
Рис. 5. Неизолированный сетевой адаптер на VIPer122 [4]
Выходное напряжение адаптера может быть рассчитано по формуле 1:Обычно расчет выполняется в обратном порядке: сначала выбирается требуемое выходное напряжение, потом резистор Rea-in1, после чего уравнение решается относительно Rea-in2.
Расчет схемы понижающего преобразователя
При расчете схемы вручную основную сложность представляет расчет цепи компенсации. В то же время этот вопрос подробно описан в различных источниках, например, в разделе «Type II Compensator Using OTA» статьи «Demystifying Type II and Type III Compensators Using OpAmp and OTA for DC/DC Converters» [5] предлагается подробное описание расчета такой схемы.
Однако, как уже отмечалось выше, адаптер на VIPer122 будет в первую очередь интересен начинающим разработчикам или тем, кто не хочет тратить время на тщательные расчеты. Поэтому для большинства пользователей более практичным окажется автоматический расчет схемы с привлечением онлайн утилиты eDesignSuite. При этом сам расчет, или, точнее сказать, генерация схемы, состоит из нескольких простых шагов.
- Шаг 1. Заходим на страницу eDesignSuite.
- Шаг 2. Нажимаем кнопку «Start Design».
- Шаг 3. Выбираем в меню слева пункт «Converter».
- Шаг 4. Выбираем пункт «AC/DC».
- Шаг 5. Выбираем пункт «Non Isolated».
- Шаг 6. Выбираем пункт «Buck».
- Шаг 7. Выбираем из списка контроллеров VIPer122LS.
- Шаг 8. В появившемся окне будет представлена базовая схема адаптера, а слева от нее – панель ввода входных данных (рисунок 6). Пользователь должен задать диапазон входных напряжений (или выбрать готовый диапазон, например, European Range 50 Hz), частоту сети (50 или 60 Гц), выходное напряжение (3,3…70 В), выходной ток (не более 0,28 мА). Далее следует нажать кнопку «Start Design».
Рис. 6. Окно ввода исходных данных утилиты eDesignSuite
- Шаг 9. Утилита автоматически рассчитает все компоненты и параметры схемы и выведет их на экран. Пример расчета представлен на рисунке 7. В левой части окна будут собраны исходные данные к расчету и расчетные параметры схемы:
- актуальное выходное напряжение;
- нестабильность напряжения;
- пульсации тока;
- выпрямленное среднее входное напряжение;
- средний входной ток;
- пиковый входной ток;
- среднеквадратичный входной ток;
- запас по фазе;
- нагрев кристалла.
В средней части окна находится схема адаптера. Причем пользователь может в любой момент скорректировать параметры схемы (добавить или удалить выходной нагрузочный резистор, задать запас по фазе в цепи компенсации и так далее).
Под схемой представлены осциллограммы сигналов, график КПД и диаграмма Боде.
Слева приводится перечень компонентов и расчет мощности потерь для компонентов схемы.
Рис. 7. Утилита eDesignSuite автоматически рассчитывает компоненты и параметры схемы
Таким образом, генерация схемы может занять всего несколько минут.
Для того чтобы оценить возможности VIPer122LS на практике, следует воспользоваться готовым типовым источником питания STEVAL-VP12201B.
Обзор типового сетевого неизолированного источника питания STEVAL-VP12201B
При осмотре платы источника питания STEVAL-VP12201B сразу бросается в глаза ее простота: контроллер, несколько диодов, колодки разъемов, пассивные компоненты – вот, собственно, и все. Но именно эта простота и привлекает больше всего.
STEVAL-VP12201B предназначен для работы со входными напряжениями 85…265 В AC и обеспечивает выходную мощность 5 Вт. Выходное напряжение схемы составляет 15 В, а ток достигает 200 мА. Отличительными чертами STEVAL-VP12201B является высокий КПД – до 77% при полной нагрузке, и сверхмалое потребление – всего 30 мВт при отсутствии нагрузки. Благодаря встроенной схеме модуляции частоты ШИМ- и ЭМИ-фильтрам по уровню шума данный источник питания соответствует требованиям IEC55022 Class B.
Общие характеристики STEVAL-VP12201B представлены в таблице 1.
Таблица 1. Характеристики STEVAL-VP12201B
Схема типового источника питания STEVAL-VP12201B представлена на рисунке 8. Данная схема немного отличается от базовой схемы, приведенной на рисунке 5:
- вместо термистора здесь используется входной ограничительный резистор R1, который необходим для ограничения пусковых токов;
- входной фильтр представлен LC-цепочкой;
- питание контроллера после отключения встроенного источника тока осуществляется от выхода схемы через диоды Daux и D4;
- нагрузочный резистор Rbl обеспечивает минимальную нагрузку 0,45 мА. Он необходим, чтобы защитить выход от перенапряжений при отключении нагрузки.
Расчет компонентов схемы, в том числе – цепи компенсации, можно найти в руководстве «AN5401 Application note. 15 V, 3 W buck converter based on VIPER122» [2].
Рис. 8. Схема неизолированного сетевого преобразователя STEVAL-VP12201B
На рисунке 9 представлены осциллограммы токов и напряжений при полной нагрузке и номинальном входном напряжении 230 В AC. Как видно из осциллограмм, при полной нагрузке адаптер продолжает работать в режиме непрерывных токов.
Рис. 9. Осциллограммы тока индуктивности при полной нагрузке (входное напряжение 230 В AC)
Выходная характеристика источника напряжения представлена на рисунке 10. На графике можно наблюдать возрастание напряжения при малой нагрузке. Эту неприятную особенность следует учитывать. При отсутствии выходного резистора Rbl нестабильность напряжения в этой области была бы еще выше. Иными словами, чтобы уменьшить нестабильность напряжения, следует выбирать более низкий номинал Rbl. С другой стороны, уменьшение сопротивления Rbl негативно скажется на КПД.
Рис. 10. Выходная характеристика преобразователя STEVAL-VP12201B
На рисунке 11 представлены пульсации выходного напряжения при полной нагрузке, а на рисунке 12 – пульсации выходного напряжения при отсутствии внешней нагрузки. Как видим, размах пульсаций достигает десятков мВ и, согласно документации, ограничен значением 100 мВ. Если для конкретного приложения это слишком много, то может потребоваться дополнительный фильтр или стабилизатор напряжения.
Рис. 11. Осциллограммы выходного напряжения при полной нагрузке (входное напряжение 230 В AC)
Рис. 12. Осциллограммы выходного напряжения без нагрузки (входное напряжение 230 В AC)
С учетом нестабильности зависимости выходного напряжения от тока, в первую очередь следует опасаться скачкообразных изменений нагрузки. Отклик схемы на 100% увеличение нагрузки (с 0 до 200 мА) представлен на рисунке 13. Как видно из диаграммы, диапазон изменения выходного напряжения составил 14,61…15,85 В.
Рис. 13. Отклик схемы на скачкообразное изменение нагрузки с 0 А до 0,2 А (входное напряжение 230 В AC)
Так как запуск импульсных преобразователей обычно сопровождается значительными пусковыми токами, в частности – из-за заряда выходных конденсаторов, то при неблагоприятном стечении обстоятельств возможно насыщение индуктивности и выгорание силового ключа. Чтобы этого не происходило, в VIPer122 реализована схема плавного запуска, которая ограничивает выходной ток при старте (рисунок 14). Выходной ток при запуске не зависит от основной схемы управления и ступенчато увеличивается с 0 до максимального значения за 16 шагов. Время работы схемы плавного запуска составляет около 8,5 мс.
Рис. 14. Осциллограммы выходного тока и напряжения при запуске (входное напряжение 230 В AC)
Благодаря встроенной схеме расширения спектра кондуктивный шум преобразователя соответствует требованиям IEC55022 Class B. Спектр выходного напряжения представлен на рисунке 15.
Рис. 15. Спектральный состав выходного напряжения STEVAL-VP12201B (входное напряжение 230 В AC)
VIPer122 имеет несколько защитных функций: от перегрева, перегрузки по току и перенапряжений.
Защита от перегрева отключает схему при разогреве кристалла до 160°С. Повторное включение возможно только при остывании кристалла на 30°С.
Защита от перегрузки по току срабатывает, если выходной ток превышает пороговое значение IDLIM (типовое значение 450 мА), и эта перегрузка сохраняется более чем 50 мс. После этого работа силового ключа блокируется на 1 с. Спустя 1 с работа контроллера автоматически возобновляется (рисунок 16). Если перегрузка длилась менее 50 мс, то встроенный защитный счетчик сбрасывается не сразу, а начинает считать в обратную сторону. Таким образом, влияние нескольких следующих друг за другом импульсов перегрузки суммируется, и схема сработает даже в том случае, если каждый из импульсов длится менее 50 мс.
Рис. 16. Осциллограммы выходного тока и напряжения при срабатывании защиты от перегрузки по току (входное напряжение 230 В AC)
Выходное напряжение в данной схеме используется для питания самого контроллера. Если сигнал на входе VCC превысит пороговое значение (23,5 В), и входной ток превысит ICC_FAIL (4 мА), переключения будут заблокированы на 1 с (рисунок 17). Разблокировка происходит автоматически.
Рис. 17. Осциллограммы выходного тока и напряжения при срабатывании защиты от перенапряжений (входное напряжение 230 В AC)
Несмотря на то, что КПД не является самым важным параметром при разработке бюджетного сетевого адаптера, по этому показателю STEVAL-VP12201B также демонстрирует хорошие результаты.
График КПД адаптера представлен на рисунке 18. Из графика видно, что КПД не опускается ниже 77% в диапазоне токов 0,05…0,2 А.
Рис. 18. КПД преобразователя STEVAL-VP12201B
В соответствии с требованиями EC CoC version 5 (European Code of Conduct), минимальный средний КПД устройств с выходной мощностью 1…49 Вт должен быть не менее 74,46% при полной нагрузке (вход 230 В). Средний КПД определяется в точках нагрузки 25%, 50%, 75% и 100%. Расчет среднего КПД для STEVAL-VP12201B приведен в таблице 2. Полученное значение превышает 79%, что соответствует требованиям EC CoC version 5.
Таблица 2. Расчет усредненного КПД преобразователя STEVAL-VP12201B
Нагрузка, % | IOUT, A | VOUT, V | PIN, Вт | POUT, Вт | КПД, % |
---|---|---|---|---|---|
0,25 | 0,05 | 15,12 | 0,978 | 0,756 | 77,3 |
0,5 | 0,1 | 15,15 | 1,86 | 1,515 | 81,45 |
0,75 | 0,15 | 15,15 | 2,831 | 2,273 | 80,29 |
1 | 0,2 | 15,1 | 3,901 | 3,02 | 77,42 |
Усредненный КПД | – | 79,12 |
EC CoC version 5 также предъявляет требования к КПД источников питания при нагрузке 10%. Минимальное значение КПД должно быть не менее 64,46%. Для STEVAL-VP12201B этот показатель составляет 70,83% (входное напряжение 230 В AC).
Несмотря на то, что на выходе преобразователя есть нагрузочный резистор Rbl, собственное потребление STEVAL-VP12201B без внешней нагрузки составляет всего 30 мВт при входном напряжении 230 В AC (рисунок 19).
Рис. 19. Статическое потребление преобразователя STEVAL-VP12201B в режиме ожидания (без нагрузки)
Как отмечалось выше, для сетевых источников большое значение имеет конструктивное исполнение. Адаптеры размещаются в закрытых невентилируемых корпусах. Из-за перегрева их выходная мощность оказывается ниже чем у открытых источников. В случае STEVAL-VP12201B самым горячим компонентом на плате ожидаемо стал сам контроллер VIPer122, который разогрелся до 68,2°С при полной нагрузке и входном напряжении 230 В AC (рисунок 20).
Рис. 20. Температурный профиль преобразователя при полной нагрузке (230 В)
Рекомендации по компоновке и трассировке печатной платы
При компоновке и трассировке сетевых адаптеров на базе VIPer122 следует придерживаться стандартных рекомендаций. Для начинающих разработчиков на рисунке 21 специально выделены шумные силовые цепи, которые следует отделять от низковольтных цепей обратной связи. Подробнее о компоновке и трассировке сетевых адаптеров можно прочитать в приложении B руководства [2].
Рис. 21. Рекомендации по компоновке и трассировке печатной платы
Заключение
Контроллеры семейства VIPer производства компании STMicroelectronics существенно упрощают процесс создания сетевых источников питания. В частности, контроллеры VIPer122 и VIPer222 позволяют разрабатывать бюджетные сетевые адаптеры с минимальным числом внешних компонентов обвязки.
Контроллер VIPer122 интегрирует в одном корпусе систему управления, силовой транзистор, схемы защиты и различные вспомогательные элементы. С его помощью можно создавать сетевые адаптеры мощностью до 11 Вт c выходным напряжением 3,3…70 В и выходным током до 0,28 мА. Благодаря утилите eDesignSuite разработка схемы такого преобразователя занимает всего несколько минут и оказывается под силу даже начинающим электронщикам.
Подтверждением заявленных характеристик VIPER122 является готовый типовой источник питания STEVAL-VP12201B с выходной мощностью 5 Вт, выходным напряжением 15 В и током до 0,2 А. STEVAL-VP12201B обеспечивает КПД не менее 77% даже при работе в расширенном диапазоне входных напряжений 85…265 В AC.
Очередной БП 12В 2А как это сделано? и сожжено.
Без разборки естественно не обошлось.
Крышка крепится на защёлках и довольно просто снимается.
Монтаж вполне нормальный.
Придирки:
— Хилые сетевые провода к плате.
— Малая ёмкость входного накопительного конденсатора — под хорошей нагрузкой повышенные пульсации напряжения довольно быстро его раздуют
— Отсутствует радиатор на ключевом полевике — перегрев ему не очень полезен
— Выходной выпрямительный диод Шоттки имеет повышенное падение напряжения, вызывающее повышенный его нагрев. Таких диодов надо ставить два в параллель, либо использовать обычный кремний на радиаторе
— Выходного фильтра считай что нет
— Один выходной конденсатор на 16В (второй на 25В)
Реальная схема блока питания.
На токе 2А явно перегревается выходной диод Шоттки и подогревает конденсатор рядом с ним. Полевик без радиатора также довольно горячий.
Измерить температуры и пульсации не успел — через пол-часа под нагрузкой 2А блок со щелчком сгорел :( Выгорело почти всё, что возможно…
Первопричиной явился перегретый диод Шоттки (грелся свыше 100гр) — его просто закоротило и это привело к выходу из строя полевика, а затем и всего остального. Восстанавливать не имеет смысла.
Спор пока открывать не стал ибо спалил блок уже после вскрытия, на фотах он ещё живой и здоровый.
Для сравнения, покажу честный БП 12V 2A, купленный в оффлайне, который уже много лет нормально и без проблем работает на своей заявленной мощности. Не реклама!
Блок тоже не идеальный, однако 2А держит нормально.
Вывод: блок питания не имеет защиты от перегрузки и перегрева, лучше обходить его стороной или хотя-бы не нагружать свыше 1-1,2А.
Все мои неоднократные попытки найти у китайцев безымянный недорогой и качественный БП с треском провалились. Пожалуй, экспериментировать больше нет смысла.
Понижающий преобразователь напряжения с выходным током до 20А
К слову, вообще это уже второй такой заказанный преобразователь, некоторое время назад я уже пытался его заказать, но прислали вариант на 10А и самое обидное то, что заметил я это уже когда прошли все сроки защит. Пришлось повторить заказ, но уже в другом магазине.
Упаковка простейшая, конверт и антистатический пакет, преобразователь компактный, размеры 60х52х28мм.
Внешне выглядит относительно аккуратно, ничего не болтается, не висит, радиаторы прикручены небольшими винтиками, а не висят на выводах компонентов. Есть четыре крепежных отверстия.
Компоновка не сильно плотная, но тем не менее, не очень удачная, конденсаторы стоят впритирку к силовому дросселю, который в работе обычно довольно сильно греется.
ШИМ контроллер, операционный усилитель, шунт и остальная мелочь находится снизу платы.
Справа вверху виден ШИМ контроллер — LM25116, ниже шунт 4мОм и ОУ для усиления сигнала с него — LM321
Из ключевых особенностей ШИМ контроллера — синхронное выпрямление, встроенный драйвер с током до 3.5А, питание до 42 вольта, настраиваемое ограничение тока и выходное напряжение в диапазоне 1.21-36 вольт.
Если коротко, весьма интересный контроллер.
В даташите имеется схема типового включения, но собственно здесь ничего необычного, виден как контроллер, так и силовые транзисторы, а также токоизмерительный шунт. Отмечу что в даташите есть два примера включения и в обоих контроллер и силовая часть питаются от разных источников, у обозреваемого преобразователя источник один, что также допускается, но диапазон входного напряжения при этом ограничен максимальным для контроллера, т.е. 42 вольта.
В реальности с выходным напряжением все немного похуже.
1, 2. Если минимальное в общем-то соответствует заявленному, хотя без нагрузки и болтается в идапазоне примерно 1.24-1.45 вольта.
3. То вот максимально я смог получить только 30 вольт.
4. При том что на входе было установлены максимально заявленные в описании 40 вольт, так что это не ограничение из-за входного напряжения, а не совсем корректно рассчитанный делитель обратной связи.
Потребление вы выключенном состоянии практически нулевое. Во включенном, но без нагрузки в диапазоне 12-24 вольта ток около 20мА, но при входных 36 заметно поднимается и составляет уже 60мА. Измерение в данном случае грубое, но не думаю что это критично.
Ограничение тока работает, но минимум можно выставить только около 700мА, максимум что смог проверить, 12.2А, выше не стал поднимать, предохранители к мультиметру стоят дорого. При некоторых значениях тока преобразователь тихонько пищал.
Далее шла проверка точности поддержания напряжения при токах нагрузки от 5 до 20А. Для начала выставил на выходе 5 вольт.
И затем измерил выходное напряжение при токах 5, 10, 15 и 20А. Мультиметр был подключен к проводникам печатной платы под клеммником.
В диапазоне токов 0-20А просадка напряжения составила 0.12 вольта. Не скажу что это плохо, но при малых выходных напряжениях уже заметно.
Такая же проверка, но при выходном 12 вольт, входное было 24 вольта.
Сначала без нагрузки
Затем при токах 5, 10, 15 и 20А.
Имеем ту же разницу в 0.12 вольта, предположу что имеется проблема с корректностью разводки печатной платы.
Пока гонял преобразователь в разных режимах и делал фото для обзора, заметил что появился нагрев и был удивлен что температура довольно высокая, хотя не сказал бы что предварительные тесты заняли много времени.
Кроме того, обратил внимание на заметную зависимость КПД от входного напряжения, а точнее, от разницы вход/выход.
Для примера на входе 12 вольт, на выходе 5 вольт и ток 20А, при этом преобразователь потребляет 114.5Вт.
При 24 вольта по входу уже 117.3Вт, а если поднять входное до 36 вольт, то еще больше, 121.6Вт.
Т.е. при выходном 5 вольт 20А и изменении входного напряжения в диапазоне 12-36 вольт имеем от 114.5 до 121.6Вт.
В моем случае входное будет 10-14 вольт, потому все нормально, но возможно кому-то будет критично.
КПД измерялся в нескольких режимах, ниже три графика для выходного 5 вольт и входного 12, 24 и 36 вольт, по горизонтали ток нагрузки от 2.5 до 20А кратно 2.5А.
Результаты довольно грубые так как входная мощность оценивалась по показаниям блока питания, а значит влияло падение на проводах от него к преобразователю, думаю реально КПД примерно на 1% выше.
Здесь также три графика, но в других режимах, пара с выходным 12 вольт и входным 24 и 36 вольт, а также вариант с выходным 24 вольта и входным 36 вольт (верхний график).
Отмечу что в тесте 36-24 вольта был ток нагрузки 15А и соответственно выходная мощность почти 360Вт при максимальной заявленной 300Вт.
Как я писал ранее, преобразователь ощутимо греется, для проверки я провел тест при выходном напряжении 5 вольт, входном 12 вольт и токах нагрузки 10 и 15А. Отмечу что этот один из наиболее оптимальных режимов, в других нагрев может быть еще больше.
1. На момент начала теста преобразователь был уже немного прогрет.
2. Через 20 минут при токе 10А нагрев в пределах нормы.
3. Еще через 20 минут при токе 15А нагрев стал более заметным, максимальную температуру имел входной транзистор — 106 градусов.
По результатам теста рекомендую либо ограничивать выходной ток, либо подумать об активном охлаждении.
Пульсации.
В общих чертах очень даже неплохо, я как-то ожидал худшего.
Выходное напряжение 5 вольт, входное 12.
1. Без нагрузки
2, 3, 4. При токах 5, 10 и 20А
На самом деле в спектре пульсаций присутствовали «иголки», но так как тест производился с насадкой на измерительный щуп (1мкФ+0.1мкФ), то их не видно.
Ниже осциллограмма с прямым включением щупа при токе 20А и соотношении вход выход 12-5.
Те же токи нагрузки, 5, 10 и 20А, но соотношение вход/выход другое, слева 30-5 вольт, справа 24-12 вольт.
Если присмотреться к вышеприведенным осциллограммам, то думаю можно заметить что «горизонт завален», т.е. каждый последующий импульс выше или ниже предыдущего.
Меня заинтересовал этот момент и я увеличил время развертки в итоге получив такую вот не очень приятную картинку. Видно что общий размах пульсаций около 80мВ, проявляется такое при выходном напряжении 12 вольт и выше, а также при токах около 15А и более, нижняя осциллограмма сделана при выходном напряжении 12 вольт, входном 24 вольта и токе 15А.
Под конец обзора сравнительное фото других преобразователей в том же формфакторе, посередине повышающий, справа понижающий, но на 10А. Думаю также написать небольшие обзоры, если кому-то интересно.
Если коротко, то производитель взял в общем-то неплохую элементную базу, но в итоге получил средненький преобразователь, думаю что часть проблем кроется в ошибках трассировки.
Viper12a схема включения без трансформатора
VIPer12ADIP
Регулярные поставки, Оптовые поставки по заказу | | 25.08.2008, 11:37:39 |
ЦЕНА розничная: 30руб | от 10шт: 25руб | от 100шт: 23руб | |
ИС для импульсных источников питания (STm) |
VIPer12A - современная ИС для импульсных источников питания.
Компания STMicroelectronics, проанализировав трудности, возникающие при проектировании импульсных источников питания, разработала уникальную серию микросхем, объединив на одном кристалле ШИМ-контроллер, цепи защиты и мощный выходной MOSFET-транзистор. Серия приборов была названа VIPer.
Название VIPer произошло от технологии изготовления самого MOSFET-транзистора, а именно, Vertical Power MOSFET.
Помогите разобраться с Viper12a
Геннадий, посмотри на героя Шейнина вне студии! Тут и Майкл есть!
1-й косяк - нашёл коротыш в С4, заменил на исправный - без результата Подбором цепочки R3 дошёл до 240К - стартует резво, регулировка худо-бедно работает, нагрузку держит слабо. Без нагрузки разгоняется до максималки в минимальном положении RP1
По Вашему математика - недостаточно доказательна? То есть 2х2=2, числа фибоначчи, производная, признак даламбера, фурье и прочий матан это все так, для отвода глаз?
Вот именно что были, одна банка с 100 мкФ превратилась в 400 ПФ, а все остальные получили ESR больше 100 ом)
Читайте также: