การลดความซับซ้อนในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟโดยใช้เมทริกซ์แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด (SMPS) ที่ใช้งานง่าย
Contributed By DigiKey's North American Editors
2024-12-19
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
รูปที่ 1: แสดงให้เห็นส่วนประกอบหลักของ SMPS 100 W ทั่วไป (แหล่งที่มาภาพ : onsemi, ปรับปรุงโดยผู้เขียน)
ส่วนประกอบสำหรับการออกแบบนี้ตรงกับระดับพลังงาน นักออกแบบจะต้องเลือกโทโพโลยีด้านปฐมภูมิสำหรับ PFC และการควบคุมพลังงาน และโทโพโลยีเครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าและตัวควบคุมด้านทุติยภูมิ จากการตัดสินใจเหล่านั้น พวกเขาสามารถเลือกส่วนประกอบแต่ละชิ้นได้
ที่นี่เป็นที่ที่ onsemi SMPS Matrix ช่วยเลือกส่วนประกอบของแหล่งจ่ายไฟ (รูปที่ 2)
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)
รูปที่ 3: เมทริกซ์ประกอบด้วยแผนผังบล็อก SMPS โดยละเอียดสำหรับการออกแบบเฉพาะ 11 แบบ ครอบคลุมระดับพลังงาน 5 ระดับและความหนาแน่นที่แตกต่างกันที่มีอยู่ในแท็บที่มีป้ายกำกับ (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)
เมื่อเลือกระดับพลังงานและความหนาแน่นแล้ว ก็สามารถเลือกส่วนประกอบจากแถวระดับพลังงานที่เหมาะสมและคอลัมน์เฉพาะโทโพโลยีของเมทริกซ์ได้ เมื่อคลิกบนหมายเลขส่วนประกอบที่เป็นไฮเปอร์ลิงก์ จะเปิดมุมมองขยายของเมทริกซ์ ซึ่งหมายเลขที่เน้นจะเชื่อมโยงกับหมายเลขชิ้นส่วน DigiKey (รูปที่ 4)
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)
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)
รูปที่ 6: แสดงมุมมองด้านบน (ซ้าย) และด้านล่าง (ขวา) ของการออกแบบแหล่งจ่ายไฟอ้างอิง USB PD 100 W โดยอิงตามส่วนประกอบที่เลือกโดยใช้เมทริกซ์ SMPS (แหล่งที่มาภาพ: onsemi)
สรุป
เมทริกซ์ SMPS ของ Onsemi มอบเส้นทางที่ใช้งานง่ายสำหรับการเลือกส่วนประกอบแหล่งจ่ายไฟ ช่วยให้มั่นใจว่าการเลือกส่วนประกอบสำคัญที่เข้ากันได้จะตรงกับระดับพลังงานของการออกแบบ ช่วยลดเวลาที่จำเป็นในการค้นหาชิ้นส่วนและมีลิงก์ไปยังแผ่นข้อมูลและราคาที่เสนอทันที

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.