Galvanické oddělení řešte jednoduše

Galvanické oddělení vyžaduje spousta elektronických obvodů. K takové elektrické izolaci se běžně používají transformátory, přičemž přenos elektrické energie u nich zajistí řada různých topologií. Jedním typem obvodů, které se často využijí, a to zejména pro menší výkony přibližně do 50 W, bude měnič typu Flyback.

Schéma zapojení jednoduchého měniče Flyback sledujeme na obr. 1. Bude-li spínač S1 zapnutý, ukládá měnič energii v jádru transformátoru T1. V opačném případě se pak energie uložená v jádru dostane na výstup díky sekundárnímu vinutí T1 a také příslušné diodě D1.

Z obr. 1 rovněž vyplývá, že kromě výkonové části bude zapotřebí též zpětnovazební trasa, kterou zde máme znázorněnou zeleně. Pomůže nám s přesnou regulací výstupního napětí. Zpětnovazební cesta se bohužel opět komplikuje, protože její signál potřebujeme dostat zpátky přes galvanické oddělení. Pro takové účely se využijí optočleny nebo moduly digitálně řešeného oddělovače, jako je např. ADuM3190 [1]. Zpětnovazební signál lze rovněž snímat na primární straně, takže se u takové trasy bez izolace obejdeme úplně.

Obr. 1  Schéma zapojení měniče typu Flyback

Galvanicky oddělený obvod typu Flyback lze s malými rozměry snadno postavit i na základě měniče od společnosti Analog Devices, jehož platforma s žádnými optickými prvky nepočítá. Na obr. 2 vidíme obvod LT8301 [2] se vstupním napěťovým rozsahem až do 42 V a nejvyšším přípustným proudem spínacího prvku 1,2 A. V tomto zapojení již nebude žádná zpětnovazební trasa, která by u spínaného regulátoru provázala výstupní napětí zpátky s primární stranou. Místo toho zde máme skrytou interní zpětnou vazbu realizovanou pomocí transformátoru. Po dobu, kdy je spínač na primární straně vypnutý, dochází k měření „odraženého“ napětí na primárním vinutí transformátoru. Navzdory opačné straně bariéry tak můžeme získat přesnou informaci o stavu výstupního napětí.

Obr. 2  Vysoce kompaktní a snadno použitelné řešení měniče Flyback bez optočlenů a s využitím obvodu LT8301

Kromě tohoto galvanicky odděleného řešení zde rovněž existuje další chytrý způsob, jak vyřešit zapojení zdroje typu Flyback s potřebnou izolací. Technologii zachycuje obr. 3, kde nyní hovoříme o měniči „iso-buck“.

Obr. 3  Měnič „iso-buck“ stavějící na obvodu MAX17681

Hlavní rozdíl mezi obecným měničem Flyback a řešením „iso-buck“ zde spočívá v kapacitě CBUCK zapojené mezi primárním vinutím transformátoru a zemí. V případě obvodu MAX17681 je vinutí na primární straně transformátoru buzeno s využitím polovičního můstku. To znamená, že má prvek MAX17681 spínač na vyšší a také nižší straně napájení. U zdroje typu Flyback bez optočlenů (obr. 2) existuje pouze jeden spínač zapojený mezi primární vinutí transformátoru a zem.

Pod řešením „iso-buck“ si můžeme představit jednoduchý snižující měnič s „navázanou“ indukčností, a tudíž i generovaným izolovaným napětím. Snižující měnič na obr. 3 ohraničuje modrá čára. Napětí na kapacitě CBUCK pak odpovídá regulovanému napětí takto vznikajícího integrovaného zdroje. Žádný z obou zmiňovaných konceptů galvanicky odděleného spínaného regulátoru nevyžaduje signálovou zpětnou vazbu prostřednictvím optočlenu. Jaké výhody nám každé řešení nabízí?

Měnič bez optočlenů dle obr. 2 se obejde bez velké kapacity CBUCK (bypass) na své primární straně a bude řízen interně s využitím jednoho spínacího prvku. Řešení „iso-buck“ se může dále pochlubit přesně regulovaným napětím, které má na své vstupní straně k dispozici. To pak může být v systému rovněž použito k napájení elektroniky zapojené na primární straně zdroje. Je však zapotřebí provést nastavení tak, aby při použití dostupného transformátoru s odpovídajícím poměrem závitů bylo generováno požadované, galvanicky oddělené napětí VOUT2.

Odkazy:

[1] Obvody ADuM3190, https://www.analog.com/en/products/adum3190.html

[2] Obvody LT8301, https://www.analog.com/en/products/lt8301.html