Obvody LinkSwitch-TN2 proudem nešetří, místem však ano

Když se řekne internet věcí, zřejmě se nám okamžitě vybaví nejrůznější chytrá zařízení či krabičky, které si díky své mimořádně nízké vlastní spotřebě, a navzdory přítomnému vf rozhraní, vystačí se sběrem energie z okolního prostředí, např. Slunce, příp. si v „době temna“ dále pomohou s nějakou malou baterií.

Kouzelná zkratka IoT však bude mít mnohem větší přesah, protože zahrne i výrazně větší aplikace „poháněné“ již přímo ze sítě.

Také je potřebujeme smysluplně napájet a zbytečně přitom neplýtvat časem potřebným k samotnému vývoji zdroje, ale ani výkonem, prostorem na desce nebo počtem součástek, o které se rozpiska nakonec rozšíří.

Chytře i na úrovni zdroje

Chytrá domácnost, její elektrické spotřebiče, ale také nejrůznější senzory, měřidla či průmyslové technologie nebo tolik populární oblast osvětlování – zde všude mají co říci novinky od společnosti Power Integrations představené letos na jaře [1]. Další přírůstek do zavedené rodiny AC/DC měničů LinkSwitch™-TN2 ponese označení LNK3207 a hned vedle podpory návrhů s klesajícím počtem součástek, třeba jako na obr. 2, dále nahrává i zatěžovacím proudům, které nemusí zákonitě končit na 360 mA, ale s přehledem se nyní za předpokladu režimu CCM, tedy Continuous Conduction Mode, dostávají až k 575 mA.

Obr. 1 Nové integrované obvody rodiny LinkSwitch™ -TN2 mají namířeno nejen do praček, sušiček nebo např. kávovarů, které mohou těžit z jejich nekomplikovaného řešení, ale také mezi zařízení s požadavkem na nízkou spotřebu, stavějící na snímačích – do bezpečnostních kamer či chytrých termostatů v domácnostech, měřidel apod.; ilustrace: Power Integrations [1]

Obr. 2 Zjednodušené zapojení typického snižujícího měniče navrženého s prvky LinkSwitch™ - TN2 od společnosti Power Integrations. Další možné konfigurace zahrnující jak vyšší, tak i nižší stranu napájení, snižující / snižující – zvyšující přístup, resp. zpětnou vazbu řešenou buď přímo, nebo s využitím optočlenu, pak společně s klíčovými vlastnostmi každé konkrétní topologie přináší dokumentace k obvodům v části Příklady aplikací [2]

Nové integrované obvody LinkSwitch™-TN2 [2] jsou kromě toho vývodově kompatibilní s předchozími generacemi součástek, takže pro vývojáře, kteří musí „upgradovat“ na vyšší výkony, znamenají i méně komplikací. Snižující měniče lze navíc navrhovat s minimálním počtem levných i snadno dostupných elektronických prvků, zvláště pak v případě indukčností, a ještě přitom ušetřit přinejmenším jednu diodu.

Co dokáže nový Off-line Switcher

Kromě dostupného proudu, kterého smí nyní protékat o 60 procent více, výrobce u obvodů LNK3207 navržených pro AC/DC zdroje slibuje účinnost přesahující 80 % a také spotřebu systému bez jakéhokoli zatěžování menší než 30 miliwattů. Z pohledu vnitřní výbavy každého monolitického prvku LinkSwitch™-TN2 znázorněné na obr. 3 pak nesmíme opomenout ani výkonový, polem řízený tranzistor s minimálním průrazným napětím 725 V, které je společné pro všechny struktury skupiny LNK320x. V případě příbuzných prvků LNK329x je pak možné u MOSFETů za pokojové teploty počítat s BVDSS až 900 V.

Obr. 3 Společný blokový diagram pro obvody LNK3202 / 3204-7, LNK3294 a také LNK3296, které navenek nemusí působit nijak okázale. Výrobce je však vybavuje celou řadou užitečných funkcí a také ochran [2]

Součástí výsledného řešení se rovněž stává oscilátor, řízení typu ON-OFF za účelem dosažení vysoké účinnosti při nízké zátěži, vysokonapěťový spínaný proudový zdroj pro potřeby vlastního napájení součástky, obvody, které v případě pracovního kmitočtu 66 kHz vnáší za účelem potlačování emisí malý jitter (mezivrcholově typicky 4 kHz, příznivě se podepisuje též pod složitostí filtru EMI), rychlé proudové omezení v každém cyklu, teplotní pojistka s hysterezí a také obvody přepěťové ochrany na vstupu či výstupu.

Tři pouzdra, čtyři vývody

Až doposud jsme novinku od společnosti Power Integrations zmiňovali v jednotném čísle. Jak ale vyplývá z obr. 4, v případě obvodů LNK3207 skupiny LinkSwitch™-TN2 dostanou vývojáři dále na výběr ze tří fyzických provedení odlišených koncovkami P, G a D odkazujícími na pouzdra typu PDIP-8C, SMD-8C nebo též SO-8C. Vývody s odlišnými funkcemi však budou ve skutečnosti jen čtyři. Prostřední varianta zapouzdření se pak bude hodit v zapojeních předpokládajících okolní teploty do +85, příp. +105 °C. Při sériové výrobě si výrobce za jedno vyhotovení takového „spínače“ účtuje 0,6 dolaru. Tím ale teprve vše začíná.

Obr. 4 Cesta k flexibilnímu řešení síťového AC/DC zdroje s novými prvky LinkSwitch™ - TN2 vede přes pouzdra typu PDIP, SMD, příp. též SO. Z pohledu samotného zapojení budou ale vývody ve skutečnosti pouze čtyři: DRAIN (D), BYPASS (BP/M), FEEDBACK (FB) a také SOURCE (S) [2]

Aby šla práce hezky od ruky a síťový zdroj bez galvanického oddělení s obvody LNK3207D či LNK3207G na svém 12V výstupu rychle vykrýval proudové odběry až 550 mA, můžeme se inspirovat novým referenčním návrhem 6,6wattového snižujícího měniče RDR-912 se vstupním rozsahem 85 VAC až 265 VAC [3]. Řešení vystavěné s nejmenším možným počtem vnějších součástek nyní zachycují obr. 5 a obr. 6. Systém zde nabízí ochranu proti tepelnému přetížení s automatickým obnovením činnosti, při své regulaci se obejde bez optočlenu, na změny v zatížení reaguje s tolerančním pásmem ±5 % a při plné zátěži pak spíná s účinností přes 80 procent – výsledky v širších souvislostech rovněž sledujeme na posledním obrázku. Příkon by pro vstupních 230 VAC neměl v klidovém stavu překročit 40 mW, napěťové zvlnění výstupu při uvážení šířky pásma 20 MHz pak 120 mV.

Obr. 5 Schéma zapojení referenčního návrhu 6,6wattového síťového zdroje bez galvanického oddělení s obvody LNK3207D či LNK3207G (RDR-912) vhodného pro malé spotřebiče, který na svém 12V výstupu pokryje odběr až 550 mA [3]

Obr. 6 Pohled na obě strany DPS osazené dle ukázkového zapojení z obr. 5 [3]

Obr. 7 Dosahovaná účinnost zdroje z obr. 5 v závislosti na zatížení zkoumaná při pokojové teplotě.
Síťové napětí v tuzemské síti dostává s obvody LinkSwitch™ - TN2 zelenou [3]

Stačí pouze vynechávat

Jak jsme již naznačili, levné obvody LinkSwitch™-TN2 v rámci svého monolitického provedení spojí pro účely síťového zdroje napájení funkce vysokonapěťového výkonového tranzistoru a také potřebného kontroléru. Když v ukázkovém zapojení dle obr. 5 poprvé přivedeme střídavé napětí, nabíjí vnitřní proudový zdroj zapojený k vývodu DRAIN (D) kondenzátor C3 a vlastní kontrolér tak může být napájen. Jakmile pak bude výstupní napětí k dispozici, kontrolér si již kvůli dalšímu zmenšování ztrát bere energii z výstupu a využije přitom rezistor R3 omezující velikost proudu.

Naše rodina kontrolérů, a nebude rozhodně sama, pracuje na principu řízení ON-OFF, při kterém dochází k regulaci výstupu prostřednictvím vynechávání cyklů. Vše se přitom odvíjí od signálu přiváděného na zpětnovazební vývod FEEDBACK (FB). Proud větší než 49 μA na tomto pinu zabraňuje spínání vnitřního MOSFETu, zatímco při poklesu pod zmíněnou úroveň se spínací cykly znovu obnoví. Během plného zatížení tak může být zakázáno jen pár cyklů, zatímco při odlehčení výstupu již bude skutečný spínací kmitočet klesat. Na podobné téma jsme před časem psali též v [4].

robenek@dps-az.cz