Oddělené měniče typu Flyback. Bez optočlenu a s rozsahem přes 800 V

U klasických vysokonapěťových měničů typu Flyback s galvanickým oddělením bude vyrovnané regulace dosahováno na základě optočlenů přenášejících potřebnou informaci ze sekundární strany na primár. Problém však spočívá v tom, že optočleny taková izolovaná řešení výrazně komplikují. Vnáší totiž zpoždění, změny v zesílení a také samy stárnou. To vše pak ztěžuje kompenzaci ve smyčce napájecího zdroje a může negativně ovlivnit i jeho spolehlivost. Ale nejen to. K prvotnímu napájení integrovaného obvodu bude po zapnutí vyžadován „bleeder“ rezistor nebo nějaké vysokonapěťové zapojení sloužící ke spouštění. Pokud navíc není součástí dodatečný výkonový MOSFET, bude takový rezistor zdrojem nežádoucích ztrát.

Když se ale řekne LT8316, máme tím na mysli vysokonapěťový Flyback kontrolér s přívlastkem „micropower“, který se obejde bez optočlenu, komplikovaných referenčních obvodů na sekundární straně a také dodatečných součástek nezbytných ke spouštění [1].

Rozšiřujeme vstupní rozsah

Integrovaný obvod LT8316 se dodává v pouzdrech typu TSSOP s teplotně rozšířenou působností a 20 vývody. Aby však bylo možné pracovat s vyšším napětím, čtyři piny zde chybí. Protože se vzorky odděleného výstupního napětí získávají ze třetího vinutí, není pro účely regulace vyžadován žádný optočlen. Výstupní napětí definují dva vnější rezistory, zatímco třetí slouží k volitelné teplotní kompenzaci.

K dosažení prvotřídní reakce na změny v zatížení a dále též malých rozměrů transformátoru či nízkých ztrát při spínání, zvláště při vysokém vstupním napětí, napomáhá kvazirezonanční hraniční režim. Vzhledem k tomu, že je výstupní napětí snímáno při takřka nulovém proudu na sekundární straně, nebudou potřeba žádné vnější rezistory či kondenzátory pro kompenzaci zátěže. Ve výsledku, který můžete sledovat na obr. 1, si proto řešení s obvody LT8316 vystačí s malým počtem součástek a výrazně tak zjednoduší návrh měniče typu Flyback s galvanickým oddělením.

Obvody LT8316 jsou navržené tak, aby pracovaly se vstupním napětím VIN až do 600 V. Pokud však do série s vývodem VIN zapojíte Zenerovu diodu, dostanete se ještě dál. O napěťový úbytek vznikající na Zenerově diodě se totiž zmenšuje velikost napětí, které má čip k dispozici, a vstupní zdroj tak může překročit 600 V. Na obr. 1 vidíme kompletní schéma zapojení měniče typu Flyback se širokým vstupním rozsahem 18 až 800 V. Zásady pro volbu součástek jsou podrobně popsány v dokumentaci k obvodu LT8316. Pokud tedy do série s vývodem VIN umístíte 220V Zenerovu diodu, dostanete minimální napájecí napětí pro spouštění 260 V, což plus minus zohledňuje toleranci napětí na takovém přechodu. Dlužno však dodat, že po náběhu již bude obvod LT8316 s napájecím napětím pod 260 V pracovat bez potíží. Účinnost při různých vstupních napětích zachycuje obr. 2. U měniče typu Flyback může dosahovat špičkové úrovně 91 %. I když zde nevyužíváme žádný optočlen, reakce na změny v zatížení zůstává při různých vstupních napětích vyrovnaná, přesně jak to pozorujeme na obr. 3.

Jde to i s nízkým spouštěcím napětím

Předchozí řešení sice rozšířilo vstupní napěťový rozsah na 800 V, nicméně Zenerova dioda zde zvyšuje minimální počáteční napětí na 260 V. Problém však spočívá v tom, že některé aplikace vyžadují obojí – očekávají tedy jak vysoké vstupní napětí, tak i nízké napětí pro spouštění.

Vhodné řešení pro maximální vstupní úroveň 800 V zachycuje obr. 4. Zapojení využívá Zenerových diod a tranzistoru, se kterým vytváří napěťový regulátor. Vstupní napětí se tak může bezpečně vyšplhat až k 800 V, zatímco na vývodu VIN obdržíte přibližně 560 V. Výhoda řešení však spočívá v tom, že obvod LT8316 umožňuje rozběh s menším napájecím napětím.

Snižující měnič bez oddělení

Předpoklady pro práci s vysokým vstupním napětím se v případě obvodu LT8316 snadno využijí rovněž u jednoduchého snižujícího měniče, který nevyžaduje galvanické oddělení, tedy v návrhu bez transformátoru. Na pozici magnetického prvku si přitom vystačíte s běžně dostupnou a poměrně levnou indukčností. V případě snižující aplikace bez požadavku na izolaci bude zemní vývod obvodu LT8316 spojený se spínaným uzlem této topologie, kde rovněž dochází ke změně napětí. Jedinečný způsob snímání u LT8316 pak zaznamená výstupní napětí pouze v případě, bude-li spínaný uzel připojený k zemi, což povede i k jednoduchému zapojení měniče. Napětí pro snižující zdroj může být opět navýšeno. Na obr. 5 máme proto schéma zapojení snižujícího měniče pracujícího se vstupním napětím až 800 V. Mezi samotným vstupem a vývodem VIN obvodu LT8316 se nachází 220V Zenerova dioda a s ohledem na toleranci jejího napětí budeme opět uvažovat minimální napájecí napětí potřebné ke spouštění na úrovni 260 V. Po náběhu již obvod LT8316 pracuje s nižším napájecím napětím bez potíží. Na obr. 6 vidíte účinnost při různých vstupních napětích, zatímco špičkově bude snižující měnič dosahovat 91 %. Reakci na změny v zatížení nebo i na vstupu pak zachycuje obr. 7.

Podobně jako u měniče typu Flyback na obr. 4 může být i zde mezi vstup a vývod VIN doplněn napěťový regulátor umožňující u snižujícího zdroje pracovat s nízkým počátečním napětím. Je však potřeba zmínit přítomnost vestavěné diody mezi vývodem GND a pinem VIN zvyšující u tranzistoru napětí na emitoru, což může být příčinou průrazu mezi bází a emitorem. Abychom takové situaci předešli, zapojíme pro účely ochrany tranzistoru dvě diody. Řešení s nízkým spouštěcím napětím zachycuje obr. 8.

Závěr

Obvod LT8316 pracuje v kvazirezonančním hraničním režimu a k dosažení skvělé regulace výstupu nevyžaduje žádný optočlen. Kromě toho se může pochlubit i řadou dalších funkcí, např. činností v režimu Burst Mode® s nízkým zvlněním, měkkým startem, nastavitelným proudovým omezením, podpěťovým zámkem, teplotní kompenzací a také nízkým klidovým odběrem. Vysoká míra integrace pak zjednodušuje návrh řešení s nízkým počtem součástek a vysokou účinností pro mnoho aplikací – od napájených systémů až po napájecí zdroje nasazované v průmyslu, třeba i automobilovém, v medicíně nebo telekomunikacích, a také záložní zdroje či další návrhy s galvanickým oddělením používané např. v domácnostech.

odkazy