Návrh odděleného měniče typu Flyback. Bez optočlenu pro vstupy do 560 V

Tradiční oddělené měniče typu Flyback pracující s vyšším napětím dosahují přesné regulace na základě optočlenů sloužících k přenosu informací tohoto druhu z referenčního obvodu sekundární strany zpět na primární část. Vazební optočleny však budou takto vznikající izolované návrhy výrazně komplikovat. Vnáší totiž určité zpoždění, trpí ujížděním parametrů v čase a kolísá i jejich zesílení. To vše u smyčky napájecího zdroje znesnadňuje kompenzaci a může také snižovat jeho spolehlivost. A nejen to. Po zapnutí se napájení integrovaného obvodu neobejde buď bez bleeder rezistoru, nebo dalších, náležitě dimenzovaných pomocných prvků. Pokud navíc ke spouštěcím obvodům nezapojíme dodatečný MOSFET vhodný pro práci s vyšším napětím, bude takový rezistor zdrojem nežádoucích výkonových ztrát.

Obvod LT^®8315 vystupuje na pozici vysokonapěťového měniče typu Flyback s integrovaným spínačem popsaným parametry 630 V / 300 mA. Jako takový se může bez optočlenu, komplikovaných referenčních obvodů na sekundární straně, dodatečných prvků sloužících k zapínání a také vnějšího vysokonapěťového MOSFETu obejít.

Jednoduchost i výkon

Uvnitř pouzdra typu TSSOP s 20 vývody a teplotně rozšířenou působností najdeme 630V MOSFET společně s řídicími obvody. Čtyři vývody pak byly s ohledem na potřebné vysokonapěťové rozestupy z pouzdra LT8315 vyjmuty. Na základě vzorkování napětí odděleného výstupu ze třetího vinutí nebude k zajištění regulace nutná žádná optická vazba. Výstupní napětí definujeme dvojicí vnějších rezistorů spolu se třetím volitelným odporem sloužícím ke kompenzaci teploty. K dosažení vynikající odezvy na změnu zátěže zde napomáhá řízení v hraničním režimu. Protože výstupní napětí dále snímáme při téměř nulovém sekundárním proudu, obejdeme se bez jakýchkoli vnějších rezistorů či kondenzátorů pro kompenzaci zátěže. Ve výsledku tak řešení s obvody LT8315 počítá s malým počtem součástek a výrazně tím zjednodušuje návrh měničů typu Flyback s galvanickým oddělením.

Obr. 1 Kompletní zapojení 12V měniče typu Flyback
s galvanickým oddělením pro široký vstupní rozsah od 20 V až do 450 V

Kompletní schéma zapojení takového měniče se širokým vstupním rozsahem od 20 V až do 450 V zachycuje obr. 1. Nabízí výstup 12 V a přesnou stabilizaci při uvážení proudů tekoucích zátěží od 5 mA až do více než 440 mA. Výstupní proudová zatížitelnost poroste spolu se vstupním napětím, přičemž po překročení vstupního napětí 250 V může proud zátěží dosáhnout zmíněných 440 mA. Takový měnič typu Flyback vykáže špičkovou účinnost 85 %. A jak ostatně vidíme na obr. 2, vyrovnané regulace s ohledem na změny zátěže či vstupního napětí dosáhneme i bez vazebního optočlenu.

Obr. 2 Odezva na změnu zátěže či vstupního napětí
pro měnič typu Flyback z předchozího obrázku

Spouštíme s vlastním MOSFETem

Obvody LT8315 zapracovaly interní tranzistor MOSFET pracující v ochuzovacím režimu, který bude mít záporné prahové napětí a je normálně sepnutý. Po přivedení napájení zmíněný MOSFET nabíjí kondenzátor INTV_CC na 12 V a naše prvky LT8315 tudíž dostávají energii potřebnou ke spínání. Nepotřebujeme již tedy žádný vnější pomocný rezistor ani jiné spouštěcí obvody. Jakmile máme kapacitu INTV_CC nabitou, MOSFET provozovaný v ochuzovacím režimu vypíná a omezuje tím výkonovou ztrátu.

Nízké klidové odběry

Obvody LT8315 na svém výstupu obvykle vyžadují malé zatížení, které se na vstupní straně projeví ve formě klidové spotřeby. Minimální zátěž umožňuje struktuře LT8315 snížit spínací kmitočet, zatímco bude za účelem omezení spotřeby stále udržovat minimální proudové omezení a zároveň přitom náležitým způsobem vzorkovat výstupní napětí. Typická nejnižší frekvence pro spínání dosahuje zhruba 3,5 kHz. Po aktivaci režimu standby minimální kmitočet dále klesá až na 220 Hz, což v kontextu extrémně nízkých klidových odběrů znamená 16násobné snížení. V režimu standby, kdy bude u obvodů LT8315 zátěž zpravidla menší než představuje 0,1 % plného výstupního výkonu, dostáváme klidovou spotřebu pod 100 µA. To pak oceníme u stále aktivních systémů s požadavkem na jejich vysokou účinnost.

Snižující měnič bez oddělení

Podporu širokého rozsahu vstupních napětí využijeme u obvodů LT8315 snadno také v případě zapojení bez galvanického oddělení. Takové měniče již nevyžadují transformátory svých izolovaných protějšků a namísto toho na pozici magnetického prvku využijí docela levných, sériově vyráběných indukčností.

Ve snižující aplikaci bez galvanického oddělení bude zem obvodu LT8315 připojena ke spínacímu uzlu topologie Buck, kde dochází ke změně napětí. Díky specifickým snímacím postupům „uvidí“ LT8315 výstupní napětí pouze tehdy, máme-li tento uzel spojený se zemí. To pak také vede k jednoduchému snižujícímu zapojení z obr. 3. Zpětnovazební trasu řešíme diodou D₂ spolu se dvěma rezistory připojenými k vývodu FB.

Obr. 3 Schéma zapojení neizolovaného snižujícího měniče
se vstupem od 19 V až do 400 V a výstupem 12 V / 120 mA

Obr. 3 tedy vykresluje schéma zapojení snižujícího měniče bez galvanického oddělení, který zpracuje nebývale široký vstupní rozsah od 19 V až do 400 V, zatímco na druhé straně zajistí stabilních 12 V. Obvod přitom dosahuje účinnosti až 85 %.

Závěr

Obvody LT8315 pracují se širokým rozsahem vstupního napětí od 18 V až do 560 V, přičemž na svém galvanicky odděleném výstupu dodávají až 15 W. Nepotřebují žádný vazební optočlen a ještě k tomu nabídnou řadu možností na způsob režimu Burst Mode^® s malým zvlněním, měkkého startu, stavitelného proudového omezení, podpěťového zámku, teplotní kompenzace nebo též nízké klidové spotřeby. Návrh s malým počtem součástek a zároveň vysokou účinností výrobce pro nejrůznější aplikace zjednodušuje vysokou mírou integrace. Myslí přitom jak na bateriově napájené systémy, tak též elektroniku v automobilech, průmyslovou sféru, medicínu či napájecí zdroje provozované v telekomunikacích nebo záložní/pomocné zdroje energie s oddělením.

Dokumentaci k obvodům stáhnete na stránkách www.linear.com/LT8315.