การลดความซับซ้อนในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟโดยใช้เมทริกซ์แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) ที่ใช้งานง่าย

By Art Pini

Contributed By DigiKey's North American Editors

นักออกแบบผลิตภัณฑ์หรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ย่อมต้องมีแหล่งจ่ายไฟที่เหมาะสม เมื่ออุปกรณ์ไฟฟ้ามีกำลังตั้งแต่สิบวัตต์ไปจนถึงหลายกิโลวัตต์ (kW) การค้นหาส่วนประกอบที่เหมาะสมอาจเป็นเรื่องท้าทาย ด้วยตัวเลือกนับพันของวงจรเรียงกระแส ตัวควบคุมไฟฟ้า สวิตช์ และไดรเวอร์เกตที่เข้ากันได้ ปัญหานี้อาจทำให้กระบวนการออกแบบช้าลง ส่งผลให้ต้นทุนเพิ่มขึ้น และทำให้กำหนดเวลาล่าช้าลง

วิธีหนึ่งในการทำให้สิ่งต่างๆ ง่ายขึ้นคือการเริ่มต้นด้วยอุปกรณ์ไฟฟ้าอัจฉริยะของซัพพลายเออร์ที่เชื่อถือได้และใช้เครื่องมือออนไลน์ของพวกเขาเพื่อช่วยในการเลือกสิ่งที่ดีที่สุด ตัวอย่างเช่น เมทริกซ์สำหรับส่วนประกอบแหล่งจ่ายไฟแบบโหมดสวิตช์ (SMPS) ที่จัดเรียงตามการใช้งาน โทโพโลยี อุปกรณ์ และคุณลักษณะที่สำคัญสามารถช่วยในกระบวนการเลือกและออกแบบได้

บทความนี้จะกล่าวถึงการออกแบบ SMPS โดยสังเขป จากนั้นจะแนะนำเมทริกซ์ส่วนประกอบ SMPS จาก onsemi ที่เชื่อมโยงวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ ตัวควบคุม ไดรเวอร์เกต และสวิตช์ไฟฟ้าที่เข้ากันได้กับระดับพลังงานของการใช้งานแต่ละระดับ อธิบายคำจำกัดความของผลิตภัณฑ์ที่สำคัญ และให้ตัวอย่างการใช้เมทริกซ์เพื่อลดความซับซ้อนในการเลือกส่วนประกอบ

การออกแบบ SMPS

การพิจารณาองค์ประกอบสำคัญของ SMPS ที่ใช้แหล่งจ่ายไฟแบบ AC ขั้นพื้นฐานที่ออกแบบมาสำหรับ USB Power Delivery (PD) ที่มีระดับพลังงาน 100 W (รูปที่ 1) โดยทั่วไปแล้ว ด้านปฐมภูมิของแหล่งจ่ายจะต้องมีวงจรเรียงกระแส, ตัวควบคุมการแก้ไขค่ากำลังไฟฟ้า (PFC), ตัวควบคุมกำลังไฟฟ้า, ออปโตคัปเปลอร์, ไดรเวอร์เกต และสวิตช์ไฟฟ้า ด้านทุติยภูมิโดยทั่วไปต้องใช้ตัวควบคุมวงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัส (SRC), สวิตช์วงจรเรียงกระแสแบบซิงโครนัส (SR), ตัวควบคุม USB PD และออปโตคัปเปลอร์

รูปภาพส่วนประกอบหลักของ SMPS 100 W ทั่วไป (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 1: แสดงให้เห็นส่วนประกอบหลักของ SMPS 100 W ทั่วไป (แหล่งที่มาภาพ : onsemi, ปรับปรุงโดยผู้เขียน)

ส่วนประกอบสำหรับการออกแบบนี้ตรงกับระดับพลังงาน นักออกแบบจะต้องเลือกโทโพโลยีด้านปฐมภูมิสำหรับ PFC และการควบคุมพลังงาน และโทโพโลยีเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าและตัวควบคุมด้านทุติยภูมิ จากการตัดสินใจเหล่านั้น พวกเขาสามารถเลือกส่วนประกอบแต่ละชิ้นได้

ที่นี่เป็นที่ที่ onsemi SMPS Matrix ช่วยเลือกส่วนประกอบของแหล่งจ่ายไฟ (รูปที่ 2)

ตารางเมทริกซ์ SMPS แบบโต้ตอบที่ช่วยให้ผู้ออกแบบเลือกส่วนประกอบที่ใช้งาน (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 2: แสดงให้เห็นเมทริกซ์ SMPS แบบโต้ตอบที่ช่วยให้ผู้ออกแบบเลือกส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ได้โดยอิงตามคลาสพลังงานของแหล่งจ่ายไฟและโทโพโลยีที่ต้องการ (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

เมทริกซ์ SMPS จะใช้ระดับพลังงานและความหนาแน่นเป็นพื้นฐานในการเลือกการออกแบบ ซึ่งปรากฏในสองคอลัมน์แรกทางด้านซ้าย ระดับพลังงานสูงสุดจะอยู่ด้านบนและลดลงเมื่อเข้าใกล้แถวล่าง รวมถึงระดับพลังงานตั้งแต่ 5 W ถึงมากกว่า 3 kW เนื่องจากความหนาแน่นของพลังงานเป็นตัววัดพลังงานต่อหน่วยปริมาตร ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงเป็นพิเศษจึงทำให้ได้แหล่งจ่ายไฟที่มีขนาดเล็กกว่าแพ็คเกจความหนาแน่นสูง ทางเลือกอื่นสำหรับแพ็คเกจทั้งสองประเภทนี้คือแพ็คเกจแบบโปรไฟล์ต่ำ เมทริกซ์จะตั้งระดับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟให้สมดุลกับระดับพลังงาน

ระดับพลังงานแต่ละรายการในเมทริกซ์จะมีแถวของส่วนประกอบที่แนะนำหนึ่งถึงสามแถวซึ่งสอดคล้องกับตัวเลือกความหนาแน่นของพลังงาน โดยให้ส่วนประกอบที่เลือกสำหรับโทโพโลยีด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิ รายการที่ทำเครื่องหมาย N/A แสดงว่ารายการนั้นไม่เกี่ยวข้องกับระดับพลังงานและความหนาแน่นนั้นๆ

คอลัมน์วงจรเรียงกระแสจะแสดงรายการส่วนประกอบวงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ที่แนะนำสำหรับระดับพลังงานที่ตรงกัน ในบางกรณี รายการจะไม่มีวงจรบริดจ์ ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อไม่จำเป็นต้องใช้บริดจ์เรียงกระแส เพราะมีส่วนประกอบอื่น เช่น PFC แบบเสาโทเท็มเข้ามาแทนที่ฟังก์ชันของมันแล้ว รายการ “ขาเร็ว” และ “ขาช้า” ในฟิลด์ PFC ช่วยระบุ PFC แบบโทเท็มโพลได้อย่างรวดเร็ว โดย PFC เหล่านี้มีสวิตช์ขาช้าที่ทำงานที่ความถี่สาย ในขณะที่สวิตช์ขาเร็วทำงานที่ความถี่การสลับที่สูงกว่าและเป็นแบบทั่วไปกว่า

เมทริกซ์จะแนะนำโทโพโลยีหลักตามระดับพลังงานที่ต้องการ ขอแนะนำอุปกรณ์ควบคุมที่มีโครงสร้างทั่วไปสี่แบบ ได้แก่ ฟลายแบ็ก (สวิตเชอร์), ฟลายแบ็กแบบแคลมป์แอ็คทีฟ (ACF), ฟลายแบ็กแบบควาซิเรโซแนนซ์ (QR) หรือตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุ (LLC)

ตัวแปลงฟลายแบ็กเป็นโครงสร้างแหล่งจ่ายไฟแบบแยกโดยไม่มีการเชื่อมต่อไฟฟ้าโดยตรงระหว่างด้านปฐมภูมิและด้านทุติยภูมิ เมื่ออุปกรณ์สวิตช์ไฟฟ้าปิด ตัวเหนี่ยวนำแบบมีคู่จะถ่ายโอนพลังงานจากแหล่งจ่ายไฟด้านปฐมภุมิไปยังแหล่งจ่ายไฟด้านทุติยภูมิ การควบคุมแรงดันไฟของตัวแปลงได้รับการรักษาไว้โดยใช้การสวิตช์การมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) ที่ความถี่คงที่

การออกแบบ ACF ใช้แนวคิด Flyback ของตัวเหนี่ยวนำแบบมีคู่กันเพื่อถ่ายโอนพลังงานจากตัวนำหลักไปยังตัวนำทุตติยภูมิ นอกจากนี้ยังใช้อุปกรณ์แอ็คทีฟเพื่อคายประจุหรือยึดตัวเหนี่ยวนำรั่วไหลของตัวเหนี่ยวนำที่มีการเชื่อมต่อเข้ากับตัวเก็บประจุเพื่อลดความเครียดบนสวิตช์ไฟ MOSFET

โทโพโลยี QR Flyback จะใช้ความเหนี่ยวนำและความจุแฝงของวงจรเพื่อให้ได้การตอบสนองที่เกือบเกิดการสั่นพ้องและเปิดสวิตช์ไฟฟ้าที่แรงดันเดรนต่ำสุด 'การสวิตช์แบบนุ่มนวล' นี้ช่วยลดการสูญเสียจากการสวิตช์ของตัวแปลงความถี่การสวิตช์ที่เกิดขึ้นจะไม่คงที่และแตกต่างกันไปตามโหลด

ตัวแปลง LLC ใช้การตอบสนองแบบเรโซแนนซ์เต็มรูปแบบเพื่อให้แน่ใจว่าการสวิตช์แรงดันไฟฟ้าเดรนเป็นศูนย์อย่างแท้จริง ช่วยลดการสูญเสียการสวิตช์แม้ในสภาวะไม่มีโหลดและเหมาะอย่างยิ่งสำหรับระดับพลังงานที่สูงขึ้น

ตัวควบคุมที่แนะนำจะถูกจัดกลุ่มตามช่วงพลังงานที่เฉพาะเจาะจง โดยใช้สวิตช์เชอร์สำหรับระดับพลังงานต่ำสุด QR และ ACF สำหรับอุปกรณ์จ่ายไฟระดับกลาง และตัวแปลง LLC สำหรับระดับพลังงานที่สูงกว่า

เมทริกซ์ประกอบด้วยแผนผังบล็อก SMPS โดยละเอียด แสดงให้เห็นการเชื่อมต่อระหว่างส่วนประกอบต่างๆ สำหรับการออกแบบเฉพาะ 11 แบบ ครอบคลุมระดับพลังงาน 5 ระดับที่แตกต่างกัน และความหนาแน่นที่มีอยู่ในแท็บที่มีป้ายกำกับ (รูปที่ 3)

ภาพเมทริกซ์ประกอบด้วยแผนภาพบล็อก SMPS แบบละเอียด (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 3: เมทริกซ์ประกอบด้วยแผนผังบล็อก SMPS โดยละเอียดสำหรับการออกแบบเฉพาะ 11 แบบ ครอบคลุมระดับพลังงาน 5 ระดับและความหนาแน่นที่แตกต่างกันที่มีอยู่ในแท็บที่มีป้ายกำกับ (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

เมื่อเลือกระดับพลังงานและความหนาแน่นแล้ว ก็สามารถเลือกส่วนประกอบจากแถวระดับพลังงานที่เหมาะสมและคอลัมน์เฉพาะโทโพโลยีของเมทริกซ์ได้ เมื่อคลิกบนหมายเลขส่วนประกอบที่เป็นไฮเปอร์ลิงก์ จะเปิดมุมมองขยายของเมทริกซ์ ซึ่งหมายเลขที่เน้นจะเชื่อมโยงกับหมายเลขชิ้นส่วน DigiKey (รูปที่ 4)

รูปภาพของลิงก์ในเมทริกซ์ต้นฉบับจะเปิดเมทริกซ์รองที่ขยายออกพร้อมลิงก์ไปยังรายการชิ้นส่วนของ DigiKey (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 4: การคลิกที่หมายเลขชิ้นส่วนไฮเปอร์ลิงก์ใดๆ ในเมทริกซ์ต้นฉบับจะเปิดเมทริกซ์รองที่ขยายพร้อมลิงก์ไปยังรายการชิ้นส่วนของ DigiKey (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

ส่วนประกอบใดๆ ที่อยู่ในรายการและโทโพโลยีที่เลือกสามารถเข้ากันได้

การใช้เมทริกซ์

ตัวอย่างที่ดีเยี่ยมของระดับพลังงานระดับกลางเพื่อวัตถุประสงค์ในการอธิบายคือ SMPS 100 W สำหรับ USB PD ซึ่งคล้ายกับหน่วยที่แสดงไว้ก่อนหน้านี้ในแผนผังแบบบล็อกรูปที่ 1 เมื่อดูที่เมทริกซ์ แถวระดับพลังงาน 70 W ถึง 200 W จะครอบคลุมแหล่งจ่ายไฟ 100 W ที่ต้องการ การเลือก “สูง” ในคอลัมน์อัตราความหนาแน่นพลังงาน จะทำให้เมทริกซ์ขยายขึ้นพร้อมลิงก์ไปยังส่วนประกอบที่จำเป็น (รูปที่ 5)

รูปภาพของกล่องสีเขียวแสดงโครงร่างการเลือกส่วนประกอบสำหรับ SMPS ความหนาแน่นสูง 100 วัตต์ (คลิกเพื่อขยาย)รูปที่ 5: กล่องสีเขียวแสดงโครงร่างการเลือกส่วนประกอบสำหรับ SMPS ความหนาแน่นสูง 100 วัตต์บนเมทริกซ์ขยาย หมายเลขชิ้นส่วนสีน้ำเงินเชื่อมโยงกับหน้าตัวกรองผลิตภัณฑ์ DigiKey ที่เกี่ยวข้อง (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

กฎระเบียบระหว่างประเทศ โดยเฉพาะในสหภาพยุโรป กำหนดให้ใช้ PFC ที่ระดับพลังงาน 75 W ขึ้นไป ซึ่งตัวควบคุม PFC ที่แนะนำที่นี่คือ onsemi NCP1623 โดย NCP1623 คือตัวควบคุม PFC แบบบูสต์ขนาดเล็กที่รองรับกำลังไฟสูงสุด 300 วัตต์สำหรับอะแดปเตอร์ชาร์จเร็วและแหล่งจ่ายไฟคอมพิวเตอร์แบบโมดูลาร์ ซึ่งต้องมีต้นทุนคุ้มค่า ความน่าเชื่อถือ ค่ากำลังไฟฟ้าสูง และประสิทธิภาพเป็นหลัก ซึ่งจะต้องใช้วงจรเรียงกระแสแบบบริดจ์ภายนอก และขอแนะนำ GBU6M หรือ GBU6K ของ onsemi สวิตช์ไฟ PFC ที่เข้ากันได้คือ onsemi NTP125N60S5H ซึ่งเป็นมอสเฟตที่รวดเร็วซึ่งมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าจากเดรนถึงซอร์สสูงสุด (VDSS) 600 V กระแสไฟเดรนสูงสุด (ID) ที่ 22 แอมแปร์ (A) และความต้านทานระหว่างขาเดรนและขาซอร์ส (RDS(ON) ) มีค่า 125 มิลลิโอห์ม (mΩ)

ตัวควบคุมด้านปฐมภูมิที่แนะนำคือตัวควบคุม QR Flyback ความถี่สูง onsemi NCP1343 เป็นตัวควบคุมที่เหมาะสำหรับอะแดปเตอร์ AC/DC และแหล่งจ่ายไฟแบบเฟรมเปิด เนื่องจากรวมเอาส่วนประกอบที่จำเป็นทั้งหมดตามการออกแบบ SMPS สมัยใหม่ไว้ด้วยกัน ซึ่งตรงกับสวิตช์ไฟฟ้า NVD260N65S3 ที่มีพิกัด 650 VDSS,ID ที่ 12 A และ RDS(ON) ที่ 260 mΩ

onsemi NPC4307 เป็นไดร์เวอร์การแก้ไขแบบซิงโครนัสบนด้านทุตติยภูมิของแหล่งจ่ายไฟ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการแก้ไขแบบซิงโครนัสจะมีประสิทธิภาพเมื่อใช้กับสวิตช์ มอสเฟต onsemi NTMFSC010N08M7 ที่มีพิกัด 80 VDSS, ID ที่ 61 A และ RDS(ON) ที่ 10 mΩ

ขั้นตอนสำคัญสุดท้ายในการออกแบบคือการเลือกตัวควบคุม USB PD ที่สามารถจัดการออปโตคัปเปลอร์บนด้านทุติยภูมิของอะแดปเตอร์ AC/DC หรือตัวควบคุมพลังงานพอร์ต DC/DC เมทริกซ์เสนอแนะว่า FUSB15101 ตัวควบคุมโปรโตคอล PD3.0 (พร้อมการรองรับแหล่งจ่ายไฟแบบตั้งโปรแกรมได้ผ่าน USB (PPS)) ที่เอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟโดยใช้มอสเฟต N-channel ของ onsemi รุ่น NTTFS4C02NTAG ที่มีพิกัดที่ VDSS 20 V และ ID 164 A ค่า RDS(ON) เท่ากับ 2.25 mΩ ที่ 10 V และ 3.1 mΩ ที่ 4.5 V

แหล่งจ่ายไฟฟ้าที่ได้มีให้ใช้กับบอร์ดประเมินผล onsemi NCP1343PD100WGEVB (รูปที่ 6) มีช่วงแรงดันไฟขาออก 3.1 V ถึง 21 V ประสิทธิภาพโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 92% ที่อินพุต 115 V หรือ 230 VAC บรรจุในแพ็คเกจขนาด 60 x 60 x 19 มม. และมีความหนาแน่นพลังงาน 24 วัตต์ต่อลูกบาศก์นิ้ว (W/in.3)

ภาพมุมมองด้านบน (ซ้าย) และด้านล่าง (ขวา) ของแหล่งจ่ายไฟอ้างอิง USB PD 100 W ของ Onsemiรูปที่ 6: แสดงมุมมองด้านบน (ซ้าย) และด้านล่าง (ขวา) ของการออกแบบแหล่งจ่ายไฟอ้างอิง USB PD 100 W โดยอิงตามส่วนประกอบที่เลือกโดยใช้เมทริกซ์ SMPS (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)

สรุป

เมทริกซ์ SMPS ของ Onsemi มอบเส้นทางที่ใช้งานง่ายสำหรับการเลือกส่วนประกอบแหล่งจ่ายไฟ ช่วยให้มั่นใจว่าการเลือกส่วนประกอบสำคัญที่เข้ากันได้จะตรงกับระดับพลังงานของการออกแบบ ช่วยลดเวลาที่จำเป็นในการค้นหาชิ้นส่วนและมีลิงก์ไปยังแผ่นข้อมูลและราคาที่เสนอทันที

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this author

Image of Art Pini

Art Pini

ผู้เขียน (Art) Pini เป็นผู้เขียนร่วมที่ DigiKey เขาสำเร็จการศึกษาระดับปริญญาตรีสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าจาก City College of New York และปริญญาโทสาขาวิศวกรรมไฟฟ้าจาก City University of New York เขามีประสบการณ์มากกว่า 50 ปีในด้านอิเล็กทรอนิกส์และเคยทำงานในบทบาทสำคัญด้านวิศวกรรมและการตลาดที่ Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek และ Nicolet Scientific เขามีความสนใจในเทคโนโลยีการวัดและประสบการณ์มากมายเกี่ยวกับออสซิลโลสโคป, เครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม, เครื่องกำเนิดรูปคลื่น arbitrary, ดิจิไทเซอร์ และมิเตอร์ไฟฟ้า

About this publisher

DigiKey's North American Editors