Сетевой источник питания на основе VIPER26xK.

.


____Преобразователи на базе микросхем VIPER26xK из нового семейства VIPerPlus, разработанного компанией STMicroelectronics, можно с успехом использовать для питания интеллектуальных счётчиков электроэнергии, датчиков для промышленных автоматизированных систем, кабельных модемов, а также в приложениях, которые должны работать от одно- или трехфазных источников электрической энергии постоянного или переменного тока с повышенным напряжением.


____Питание стационарных электронных устройств в большинстве случаев осуществляется переменным напряжением 220 В, получаемым от одной фазы трехфазной промышленной сети. Однако существует ряд приложений, которым принципиально необходимо получать энергию из всех трёх фаз, в том числе и в аварийных режимах, например, при обрыве нулевого или фазных проводов. Решение этой задачи до недавнего времени требовало введения в модули питания дополнительных узлов, увеличивающих как их размеры, так и стоимость.
____Главной технической проблемой при создании любых сетевых источников питания является высокое значение входного переменного напряжения. При использовании трёх фаз действующее значение линейного напряжения на входе источника питания равно приблизительно 400 В. Такая же величина напряжения может быть на входе однофазного источника питания в аварийных режимах работы, например, при обрыве нулевого провода. Поскольку максимально допустимое напряжение «сток-исток» («коллектор-эмиттер») большинства силовых транзисторов, используемых в выпрямительных устройствах, обычно не превышает 800 B, столь высокое напряжение может привести к их пробою, что повлечет за собой отказ всей системы. Это заставляет отслеживать величину входного напряжения и либо аварийно отключать источник питания, либо, если прибор должен работать и в этих режимах, вводить дополнительные ограничители напряжений.
____Очевидно, что такой подход на практике весьма неудобен. Поэтому появление на рынке специализированных преобразователей с расширенным диапазоном входного напряжения позволило значительно упростить схемы источников питания интеллектуальных счётчиков электроэнергии, устройств автоматики, промышленного освещения и кондиционирования, а также ряда других приложений, требующих питания от трехфазной сети переменного тока либо от других высоковольтных источников. Одними из упомянутых преобразователей являются микросхемы VIPER26xK из нового семейства VIPerPlus, разработанного компанией STMicroelectronics.



____Линейка VIPerPlus является дальнейшим развитием семейства микросхем VIPer (Vertical Intelligent Power Enhanced Regulator), содержащих интегрированный полевой транзистор с вертикальным каналом. На их основе можно создавать компактные импульсные преобразователи постоянного напряжения с выходной мощностью до 15 Вт, построенные по понижающей, инвертирующей или обратноходовой схеме. Семейство VIPer выпускается с 2002 года (VIPerPlus – с 2008 года) и за это время приобрело широкую популярность среди разработчиков самых разнообразных устройств.
____Основными ключевыми преимуществами микросхем VIPerPlus являются:

• высокая степень интеграции, в том числе и благодаря наличию встроенного высоковольтного MOSFET, позволяющая создавать на их основе преобразователи с минимальным количеством внешних компонентов;
  
  
• поддержка нескольких вариантов организации отрицательной обратной связи;
  
  
• использование технологии «качающейся» частоты переключений, уменьшающей спектральную плотность создаваемых помех, что позволяет в ряде случае отказаться от установки на входе традиционных фильтров электромагнитных помех;
  
  
• наличие широкого спектра защит, в том числе и защиты от перегрева, перегрузки по току и короткого замыкания выхода;
  
  
• высокий КПД, позволяющий устанавливать микросхемы на плату без дополнительных внешних радиаторов;
  
  
• привлекательная цена.
  

____Всё это делает микросхемы VIPerPlus идеальной основой для создания недорогих компактных преобразователей постоянного напряжения, способных работать в широком диапазоне входных напряжений. Очевидно, что при установке на входе источника питания узла выпрямления и сглаживающего фильтра преобразователи постоянного напряжения превращаются в выпрямительные устройства, пригодные для использования в большом количестве приложений, рассчитанных на питание от промышленной сети.
____Большинство микросхем семейства VIPerPlus содержит интегрированный транзистор, максимально допустимое напряжение между стоком и истоком которого равно 800 B. Этого вполне достаточно для создания выпрямителей, работающих в стандартном и даже расширенном диапазонах питающих напряжений (90…280 В), но для приложений с ультрашироким диапазоном входных напряжений на момент написания статьи подходят всего две микросхемы из этого семейства: VIPER265K и VIPER267K.
____Ключевым отличием микросхем VIPER26xK от остальных представителей семейства VIPerPlus является повышенное максимально допустимое напряжение между стоком и истоком интегрированного полевого транзистора, равное 1050 B. Структурная схема (рисунок 1) и технические характеристики (таблица 1) микросхем VIPER265K и VIPER267K практически одинаковы, а отличаются они только порогом ограничения тока стока полевого транзистора, равным, соответственно, 500 и 700 мА.


____Таблица 1. Основные технические характеристики микросхем VIPER26xK


____Максимальная мощность источников питания на основе микросхем VIPER26xK зависит от величины входного напряжения и условий охлаждения. При эксплуатации внутри невентилируемых объёмов, например, внутри корпусов сетевых адаптеров, этот параметр обычно не превышает 10 Вт во всём рабочем диапазоне рабочих напряжений, а при обеспечении необходимого обдува, обеспечивающего требуемое охлаждение кристалла, выходную мощность микросхемы можно увеличить до 20 Вт (таблица 2).
____Таблица 2. Максимальная выходная мощность преобразователей на основе микросхем VIPER26xK при температуре окружающей среды 50⁰С.


____Для стабилизации выходного напряжения в микросхемах VIPER26xK используется метод управления на основе ШИМ с ограничением тока силового транзистора в каждом цикле преобразования. Порог отключения MOSFET зависит от текущего уровня расхождения между выходным и внутренним опорными напряжениями: при уменьшении выходного напряжения ток выключения транзистора увеличивается. При коротком замыкании, когда величина расхождения максимальна, ток стока MOSFET ограничивается компаратором OCP (Overcurrent Protection) схемы защиты от перегрузки по току. При малых токах нагрузки схема переходит в пакетный режим (Burst mode), при котором энергия в выходных конденсаторах пополняется в течение коротких периодов времени, в которые успевает произойти всего несколько циклов преобразования (рисунок 2). В микросхеме также реализован механизм плавного нарастания выходного напряжения при включении (Soft Start).


____Микросхемы VIPER26xK имеют также защиту от перегрева, отключающую схему при повышении температуры кристалла выше 150⁰С (Thermal Shutdown), а также защиту от выхода напряжения питания микросхемы за пределы допустимого диапазона.
____Для питания внутренних узлов микросхем VIPER26xK предназначен встроенный источник питания на основе стабилизатора тока, подключаемый к стоку полевого транзистора, что позволяет значительно уменьшить количество внешних компонентов, необходимых для запуска микросхемы (рисунок 3). В целом, благодаря высокому уровню интеграции и наличию в составе микросхемы таких узлов как собственный источник питания, усилитель ошибки, датчик тока силового транзистора и многих других, количество внешних компонентов для построения преобразователей на основе VIPER26xK сведено к минимуму.


____Средняя частота переключений силового транзистора равна 60 кГц, при этом для уменьшения спектральной плотности создаваемых высокочастотных помех она постоянно изменяется в диапазоне ±4 кГц. Такой подход позволяет значительно упростить входные фильтры электромагнитных помех вплоть до полного их исключения, а также упростить процедуру сертификации устройств.
____Микросхемы VIPER26xK наилучшим образом подходят для создания обратноходовых преобразователей – основной схемы преобразования при построении маломощных изолированных выпрямительных устройств. При этом можно использовать несколько вариантов формирования сигналов отрицательной обратной связи, используя в качестве основы напряжение с выходных клемм, передаваемое в схему управления с помощью изолированного (рисунок 4) или неизолированного (рисунок 5) датчика выходного напряжения, или напряжение со вспомогательной обмотки дросселя (рисунок 6), используемой также для питания микросхемы. Очевидно, что в последнем случае точность установки выходного напряжения будет немного хуже. Кроме этого, на основе микросхем VIPER26xK можно создавать преобразователи, построенные по другим схемам, например, по понижающей (рисунок 7).







____Особенностью импульсных источников питания является высокая стоимость ошибок, допущенных во время проектирования и способных проявиться даже через несколько лет эксплуатации серийных образцов. Поэтому разработчики электроники с большой неохотой переходят от старых проверенных решений к новым продуктам, даже если они имеют лучшие технические характеристики. Для ускорения и облегчения этого процесса практически все ведущие производители электронных компонентов выпускают различные ознакомительные наборы, позволяющие оценить возможности того или иного решения, минуя такие долгие и сложные этапы проектирования как разработка принципиальной схемы, трассировка печатных плат и многие другие.
____Именно таким решением является оценочная плата STEVAL-VP26K03F, готовый к использованию двухканальный изолированный источник питания на основе микросхемы VIPER267K с выходной мощностью до 13 Вт (рисунок 8 ). Ключевой особенностью этого преобразователя является ультраширокий диапазон входного переменного напряжения – 85…498 В, при этом плата рассчитана на подключение к трехфазной сети, хотя для её работы достаточно наличия напряжения на любой из трех фаз.


____Входная цепь платы STEVAL-VP26K03F рассчитана на подключение к трёхфазной сети по четырёхпроводной схеме (рисунок 9). Преобразование входного напряжения из переменного в постоянное выполняется с помощью восьми диодов: D1…D8, включённых таким образом, что плату можно подключать к одной, двум или трём фазам как с использованием нулевого провода, так и без него.


____Для снижения уровня эмиссии высокочастотных помех предназначены дроссели L1…L4, коэффициента ослабления которых вполне достаточно для большинства приложений. Если же плата будет использоваться в оборудовании с более жесткими требованиями к уровню электромагнитной совместимости, то на ней предусмотрено место для установки дополнительного помехоподавляющего дросселя СК1, однако при этом необходимо будет удалить шунтирующие перемычки R0a и R0b.
____Преобразователь постоянного напряжения собран на основе микросхемы VIPER267K по обратноходовой схеме со стабилизацией напряжения на первичной стороне (рисунок 10). Напряжение сигнала отрицательной обратной связи снимается со вспомогательной обмотки (AUX) дросселя Т1 и подаётся на вывод FB микросхемы с помощью делителей напряжения R12 и R13.


____Основное преобразование параметров электрической энергии осуществляется с помощью компактного дросселя (обратноходового трансформатора) T1 (таблица 3) производства компании Wurth Elektronik. Кроме первичной обмотки, с помощью которой происходит накопление энергии в ферритовом Ш-образном магнитопроводе с немагнитным зазором, дроссель имеет ещё три изолированные обмотки: одну вспомогательную (AUX), используемую для питания микросхемы и стабилизации выходных напряжений, и две вторичные (SEC1 и SEC2), как показано на рисунке 11. Такая конфигурация позволила создать двухканальный источник питания с выходными напряжениями 6 и 12 В с максимальными выходными токами, соответственно, 200 и 700 мА.


____Таблица 3. Технические характеристики силового дросселя Т1.


____Как и все импульсные преобразователи электрической энергии, выпрямитель, реализованный на плате STEVAL-VP26K03F, критичен к конфигурации дорожек печатной платы. Однако большинство рекомендаций по трассировке проводников, приведённых в технической документации на плату STEVAL-VP26K03F, являются стандартными для всех импульсных источников питания и сводятся к разделению силовых и сигнальных цепей, максимально возможному уменьшению общей длины соединительных проводников, использованию «звездообразной» схемы трассировки общего провода (рисунок 12), а также правильному выбору фильтрующих компонентов.


____Технические характеристики платы STEVAL-VP26K03F (таблица 4) позволяют использовать её в большом количестве приложений. Например, она отлично подходит для питания промышленных кабельных модемов, в которых напряжение 12 В будет использоваться для питания аналоговых приёмопередатчиков, а 6 В – для питания узлов цифровой обработки сигналов. В целом преобразователи, реализованные по схемам, аналогичным схеме платы STEVAL-VP26K03F, можно с успехом использовать для питания интеллектуальных счётчиков электроэнергии, датчиков для промышленных автоматизированных систем, а также во многих других приложениях, которые должны работать от источников электрической энергии постоянного или переменного тока с повышенным напряжением.
____Таблица 4. Технические характеристики платы STEVAL-VP26K03F.




____Результаты исследований двух тестовых образцов платы STEVAL-VP26K03F показывают, что её выходные напряжения имеют малый уровень пульсаций, не превышающий 2% для любого из каналов, в промежутке входных напряжений 100…400 В во всём рабочем диапазоне токов нагрузок (рисунок 13). Помимо этого при наличии нагрузки в выходном напряжении присутствует ярко выраженная низкочастотная составляющая с частотой около 250 Гц, причиной которой могут быть неточности, допущенные при расчёте устойчивости контура отрицательной обратной связи. При этом уровень пульсаций на частоте преобразования (60 кГц ±4 кГц) как минимум на порядок меньше.


____При наличии подключённой нагрузки хотя бы на одном из каналов выходные напряжения находились в заявленном производителем диапазоне и составляли 12,6 В при выходном токе 500 мА и 6,1 В при выходном токе 180 мА для первой платы и 12,2 В и 6,05 В для второй платы при тех же выходных токах. Однако при полном отключении нагрузки выходные напряжения обеих плат значительно увеличивались, достигая 18 В для 12-вольтового канала и 9 В для 6-вольтового. Такое поведение выходного напряжения является типовым для обратноходовых преобразователей с регулированием на первичной стороне, ведь в отличие от силовых обмоток SEC1 и SEC2, вспомогательная обмотка AUX, с которой снимается напряжение отрицательной обратной связи, остается под нагрузкой (от этой обмотки осуществляется питание внутренних узлов микросхемы), поэтому появление подобных расхождений неизбежно. При этом обе платы в целом показали неплохую реакцию на резкие изменения выходного тока без значительных всплесков и просадок напряжения (рисунок 14).


____Анализ диаграмм в силовой части (рисунок 15) показывает, что при малых входных напряжениях накопительный дроссель Т1 работает в безразрывном режиме, постепенно, по мере увеличения входного напряжения, переходя в разрывный режим даже при значительных токах нагрузок.


____Еще одной особенностью преобразователей на основе VIPER26xK является высокое значение КПД. Анализ температурных режимов оценочных плат STEVAL-VP26K03F показал, что при входном напряжении 400 В АС и выходных токах 180 мА (6-вольтовый канал) и 500 мА (12-вольтовый канал) температура перегрева корпусов микросхем VIPER267K в условиях свободной конвенции воздуха окружающей среды не превысила 30°С, что свидетельствует о малой величине внутренних потерь.



____Обнаружение у оценочных плат STEVAL-VP26K03F ряда специфических особенностей, таких как наличие на выходе низкочастотных пульсаций 250 Гц и увеличение выходного напряжения при отключении нагрузок, в целом никоим образом не сужает сферу применения микросхем VIPER26xK, ведь эти особенности с большой долей вероятности относятся непосредственно к схемотехнике платы, а не к микросхеме VIPerPlus. При этом даже при наличии несущественных недостатков платы STEVAL-VP26K03F данную микросхему можно с успехом использовать для питания достаточно широкого круга устройств, для которых эти недостатки не имеют ключевого значения.
____Не следует забывать, что платы STEVAL-VP26K03F не позиционируются как законченные источники питания. Их задача – лишь быстро оценить возможности применения микросхем VIPER26xK в тех или иных ситуациях, ведь последнее слово всегда остаётся за разработчиком. А анализ схемы платы STEVAL-VP26K03F показывает, что при необходимости работы от источников энергии с ультрашироким диапазоном питающих напряжений использование микросхем VIPER26xK, благодаря наличию интегрированного высоковольтного транзистора и поддержке нескольких вариантов организации отрицательной обратной связи, позволяет уменьшить общее количество компонентов источников питания как минимум на треть. Это является весомым аргументом в пользу выбора микросхем семейства VIPerPlus в качестве основы для создания импульсных источников питания широкого спектра практических приложений.



.