ใช้ IC การสลับขั้นสูงเพื่อใช้งานแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ที่มีประสิทธิภาพ มีคุณสมบัติครบครัน และใช้พลังงานต่ำ

แหล่งจ่ายไฟ AC/DC กำลังไฟต่ำประมาณ 10 W หรือต่ำกว่านั้นใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องหรี่ไฟในบ้าน สวิตช์ เซ็นเซอร์ เครื่องใช้ไฟฟ้า อินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (IoT) และระบบควบคุมอุตสาหกรรม รอบการทำงานค่อนข้างต่ำ โดยโหลดจะอยู่ในโหมดสแตนด์บายเป็นเวลานาน แต่แหล่งจ่ายจะต้อง "ตื่น" อย่างรวดเร็วเมื่อเปิดใช้งานอุปกรณ์

การออกแบบอุปกรณ์จ่ายไฟดังกล่าวเป็นเรื่องง่ายในเชิงแนวคิด: เริ่มด้วยไดโอดเพียงไม่กี่ตัวสำหรับการแก้ไขสาย เพิ่มไอซีตัวควบคุม ใส่ตัวเก็บประจุตัวกรองที่เอาต์พุต ใส่หม้อแปลงหากจำเป็นต้องมีการแยก จากนั้นก็เสร็จสิ้นงาน อย่างไรก็ตาม แม้ว่าดูเหมือนจะเรียบง่าย แต่ความเป็นจริงของการสร้างสรรค์สิ่งของเหล่านี้แตกต่างกันอย่างมาก

พวกเขาจะต้องมีฟังก์ชั่นพื้นฐานในการส่งรางเอาต์พุต DC ที่เสถียรและปฏิบัติตามข้อกำหนดที่เข้มงวดหลายข้อสำหรับความปลอดภัยของผู้ใช้ ประสิทธิภาพภายใต้โหลด และประสิทธิภาพในโหมดสแตนด์บาย นอกจากนี้ ยังมีประเด็นเกี่ยวกับเค้าโครงทางกายภาพ ส่วนประกอบสนับสนุน ความน่าเชื่อถือ การประเมินประสิทธิภาพ การรับรอง และบรรจุภัณฑ์ที่นักออกแบบจะต้องพิจารณา เนื่องจากพวกเขายังทำงานเพื่อลดพื้นที่และต้นทุนให้เหลือน้อยที่สุด พร้อมทั้งปฏิบัติตามรอบระยะเวลาสั้นในการนำสินค้าออกสู่ตลาด

บทความนี้แนะนำตระกูลไอซีคอนโทรลเลอร์สวิตชิ่งออฟไลน์ที่มีการบูรณาการอย่างสูงจาก Power Integrations และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำมาใช้เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ได้อย่างไร

ไอซี MOSFET และตัวควบคุมแบบบูรณาการ

ลิงก์สวิตซ์-TNZ ตระกูลไอซีตัวควบคุมการสวิตชิ่งออฟไลน์ที่แยกจากกันแปดตัวจาก Power Integrations ผสมผสานสวิตช์ MOSFET กำลังไฟ 725 V กับตัวควบคุมแหล่งจ่ายไฟไว้ในอุปกรณ์ตัวเดียวที่บรรจุอยู่ในแพ็คเกจ SO-8C ไอซีโมโนลิธิกแต่ละตัวมีความสามารถในการทนไฟกระชากได้ดี มีออสซิลเลเตอร์ แหล่งจ่ายกระแสสลับแรงดันสูงสำหรับการปรับแรงดันไฟเอง ความสั่นไหวของความถี่ จำกัดกระแสอย่างรวดเร็ว (รอบต่อรอบ) การปิดระบบเนื่องจากความร้อนแบบฮิสเทรีติก และวงจรป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินเอาต์พุตและอินพุต

อุปกรณ์สามารถสร้างแกนหลักของการจัดเตรียมที่ไม่แยกออก เช่น การออกแบบบัคคอนเวอร์เตอร์ (รูปที่ 1) โดยใช้ LNK3306D-TL โดยมีกระแสไฟขาออก 225 mA หรือ 360 mA ขึ้นอยู่กับโหมดการนำไฟฟ้าที่เลือก นอกจากนี้ยังสามารถกำหนดค่าให้เป็นแหล่งจ่ายไฟแบบบัค-บูสต์แบบไม่แยก ซึ่งจ่ายกระแสไฟขาออกได้สูงถึง 575 mA

รูปที่ 1: การออกแบบบัคคอนเวอร์เตอร์แบบไม่แยกแบบทั่วไปที่ใช้สมาชิกในกลุ่ม LinkSwitch เป็นเพียงหนึ่งในหลาย ๆ โทโพโลยีที่เป็นไปได้ซึ่งสามารถนำไปใช้งานโดยใช้อุปกรณ์เหล่านี้ (ที่มาของรูปภาพ: Power Integrations)

ในขณะที่โหลดที่มีฉนวนสองชั้นหรือได้รับการป้องกันด้วยวิธีอื่นจากความผิดพลาดของสายไฟ AC ไม่จำเป็นต้องมีการแยกแบบกัลวานิก แต่บางอุปกรณ์จำเป็นต้องใช้การแยกแบบกัลวานิก การใช้อุปกรณ์ LinkSwitch-TNZ ในการออกแบบ flyback แบบแยกอินพุตสากลถือเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าในสถานการณ์เช่นนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ให้กำลังขับสูงสุด 12 W ในโทโพโลยีนั้น

IC ในตระกูล LinkSwitch-TNZ มีกระแสเอาต์พุตและความจุพลังงานที่แตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง (ตารางที่ 1)

ตารางที่ 1: ตระกูล LinkSwitch-TNZ รองรับการกำหนดค่า โทโพโลยี และโหมดการทำงานต่างๆ มากมาย การจัดเรียงแต่ละแบบจะมีกระแสไฟขาออกสูงสุดหรือขีดจำกัดกำลังไฟต่างกัน (ที่มาของรูปภาพ: การรวมกำลังไฟฟ้า)

จากแนวคิดสู่การปฏิบัติ

การผสานรวมและความยืดหยุ่นที่สูงของตระกูล LinkSwitch-TNZ ทำให้ภารกิจของนักออกแบบง่ายขึ้น ความท้าทายมากมายในการพัฒนาการออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่ผ่านการรับรองและจัดส่งได้ ได้แก่:

1. ข้อกำหนดบังคับที่เข้มงวดที่เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพและความปลอดภัย สิ่งเหล่านี้มีความยากยิ่งขึ้นเนื่องจากจำเป็นต้องจ่ายพลังงานในโหมดสแตนด์บายขณะที่ยังคงเป็นไปตามข้อบังคับด้านประสิทธิภาพการใช้พลังงานในโหมดสแตนด์บายที่เข้มงวด IC LinkSwitch-TNZ มอบประสิทธิภาพโหลดเบาที่ดีที่สุดในระดับเดียวกัน ช่วยให้สามารถจ่ายไฟให้กับคุณสมบัติของระบบได้มากขึ้น พร้อมทั้งยังเป็นไปตามข้อบังคับในการสแตนด์บาย ซึ่งได้แก่:
   • มาตรฐานของคณะกรรมาธิการยุโรป (EC) สำหรับเครื่องใช้ในบ้าน (1275) ซึ่งกำหนดให้อุปกรณ์ต้องใช้พลังงานไม่เกิน 0.5 W ในโหมดสแตนด์บายหรือปิดเครื่อง
   • Energy Star เวอร์ชัน 1.1 สำหรับระบบการจัดการพลังงานบ้านอัจฉริยะ (SHEMS) ซึ่งจำกัดการใช้พลังงานสแตนด์บายของอุปกรณ์ควบคุมแสงอัจฉริยะไว้ที่ 0.5 วัตต์
   • GB24849 ของจีน ซึ่งจำกัดการใช้พลังงานในโหมดปิดในเตาไมโครเวฟไว้ที่ 0.5 วัตต์

นอกจากจะตอบสนองความต้องการเหล่านี้แล้ว LinkSwitch-TNZ IC ยังลดจำนวนส่วนประกอบลง 40% หรือมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบแบบแยกส่วน ไอซีแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเหล่านี้ช่วยให้สามารถควบคุมแรงดันไฟฟ้าได้ ±3% ทั่วทั้งสายและโหลด มีอัตราการกินไฟขณะไม่มีโหลดน้อยกว่า 30 mW พร้อมไบอัสภายนอก และมีกระแสสแตนด์บายของไอซีน้อยกว่า 100 µA

2. รองรับการเชื่อมต่อสายไฟ AC สองสายอย่างปลอดภัยโดยไม่ต้องใช้สายกลาง และการเชื่อมต่อสามสาย โหลดหลายชนิด เช่น เครื่องหรี่ไฟ สวิตช์ และเซ็นเซอร์ ไม่มีสายที่สามนี้ ดังนั้นจึงมีความเสี่ยงต่อการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าที่มากเกินไปและอาจเป็นอันตรายได้ มาตรฐานกำหนดกระแสไฟรั่วสูงสุดภายใต้สถานการณ์ต่างๆ และกระแสไฟรั่วของ LinkSwitch-TNZ ต่ำกว่า 150 µA ในแบบไม่มีนิวทรัลสองสายก็ต่ำกว่าค่าสูงสุดนี้
3. ไม่เกินขีดจำกัดการปล่อยสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) เพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์นี้ ออสซิลเลเตอร์ LinkSwitch-TNZ ใช้เทคนิคสเปรดสเปกตรัมซึ่งทำให้เกิดความสั่นไหวของความถี่จำนวนเล็กน้อยที่ 4 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ที่ความถี่การสลับที่กำหนดที่ 66 kHz (รูปที่ 2) อัตราการปรับความถี่ของจิตเตอร์ถูกตั้งไว้ที่ 1 kHz เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการลด EMI ทั้งสำหรับการปล่อยคลื่นเฉลี่ยและคลื่นเกือบพีค

รูปที่ 2: เพื่อให้การปล่อย EMI อยู่ภายใต้ขีดจำกัดที่กำหนด ออสซิลเลเตอร์ LinkSwitch-TNZ จึงใช้เทคนิคการแพร่กระจายสเปกตรัมโดยกระจายความถี่ 4 kHz รอบความถี่การสลับที่กำหนดที่ 66 kHz (ที่มาของรูปภาพ: การรวมกำลังไฟฟ้า)

4. การตรวจจับจุดตัดศูนย์ของสาย AC ด้วยส่วนประกอบเพิ่มเติมหรือการใช้พลังงานขั้นต่ำ การตรวจจับนี้จำเป็นสำหรับสวิตช์ไฟ เครื่องหรี่ไฟ เซ็นเซอร์ และปลั๊ก ซึ่งเชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อสายไฟ AC เป็นระยะๆ โดยใช้รีเลย์หรือไตรแอค

สัญญาณจุดตัดศูนย์ใช้โดยผลิตภัณฑ์และเครื่องใช้ไฟฟ้าสำหรับบ้านอัจฉริยะและอาคารอัตโนมัติ (HBA) เพื่อควบคุมการสลับเพื่อลดความเครียดในการสลับและกระแสไฟกระชากของระบบ

ในทำนองเดียวกัน เครื่องใช้ไฟฟ้ามักใช้วงจรตรวจจับจุดศูนย์แบบแยกส่วนเพื่อควบคุมการจับเวลาของมอเตอร์และหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU) แอปพลิเคชันเหล่านี้ยังต้องใช้แหล่งจ่ายไฟเสริมสำหรับการเชื่อมต่อแบบไร้สาย ไดรเวอร์เกต เซ็นเซอร์ และจอแสดงผล

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ มักจะใช้วงจรแยกส่วนเพื่อตรวจจับจุดตัดศูนย์ของสาย AC เพื่อควบคุมการเปลี่ยนผ่านการเปิดอุปกรณ์พลังงานหลัก ขณะเดียวกันก็ลดการสูญเสียการสลับและกระแสไฟกระชาก แนวทางนี้ต้องใช้ส่วนประกอบจำนวนมากและมีการสูญเสียข้อมูลมาก โดยบางครั้งใช้พลังงานสำรองเกือบครึ่งหนึ่ง

ในทางกลับกัน IC LinkSwitch-TNZ จะให้สัญญาณที่แม่นยำซึ่งระบุว่าเส้น AC แบบไซน์อยู่ที่ศูนย์โวลต์ การตรวจจับจุดที่จุดตัดเป็นศูนย์ของ LinkSwitch-TNZ จะใช้พลังงานต่ำกว่า 5 mW ทำให้ระบบสามารถลดการสูญเสียพลังงานในโหมดสแตนด์บายได้เมื่อเทียบกับวิธีทางเลือกอื่นๆ ที่ต้องใช้ส่วนประกอบแยกจากกัน 10 ชิ้นขึ้นไป และกระจายพลังงานต่อเนื่อง 50 ถึง 100 mW

แล้วก็มีตัวเก็บประจุ X

ตัวกรอง EMI แบบสายประกอบด้วยตัวเก็บประจุคลาส X และคลาส Y เพื่อลดการเกิด EMI/RFI เชื่อมต่อโดยตรงกับอินพุตไฟฟ้ากระแสสลับที่สายไฟกระแสสลับและสายกลางกระแสสลับ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: การกรอง EMI ต้องใช้ตัวเก็บประจุกรองคลาส X และคลาส Y ที่สายไฟ AC แต่ต้องจัดการตัวเก็บประจุคลาส X หลังจากตัดการเชื่อมต่อสายไฟเพื่อความปลอดภัยของผู้ใช้ (ที่มาของภาพ: www.topdiode.com)

ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยกำหนดให้ต้องปล่อยประจุตัวเก็บประจุ X ในตัวกรอง EMC เมื่อตัดการเชื่อมต่อสายไฟ AC เพื่อให้แน่ใจว่าแรงดันไฟฟ้าที่เก็บไว้และพลังงานจะไม่คงอยู่บนสายไฟเป็นเวลานานหลังจากตัดไฟ เวลาระบายสูงสุดที่อนุญาตจะถูกควบคุมโดยมาตรฐานอุตสาหกรรม เช่น IEC60950 และ IEC60065

แนวทางแบบดั้งเดิมในการรับรองว่าเกิดการคายประจุตามที่จำเป็นคือการเพิ่มตัวต้านทานระบายแบบขนานกับตัวเก็บประจุ X อย่างไรก็ตาม แนวทางดังกล่าวมาพร้อมกับการลงโทษทางอำนาจ วิธีแก้ปัญหาที่ดีกว่าคือการรวมฟังก์ชันการคายประจุตัวเก็บประจุ X พร้อมค่าคงที่เวลาที่ผู้ใช้สามารถตั้งค่าได้ ไอซี เช่น LNK3312D-TL ใช้แนวทางนี้ ส่งผลให้พื้นที่แผงวงจรพิมพ์ (พีซี) ลดลง มีจำนวนรายการวัสดุ (BOM) ลดลง และความน่าเชื่อถือเพิ่มขึ้น

แหล่งจ่ายไฟและตัวแปลงจำเป็นต้องมีคุณสมบัติการป้องกันหลายประการ อุปกรณ์ทั้งหมดในตระกูล LinkSwitch-TNZ ประกอบด้วย:

• การเริ่มต้นแบบนุ่มนวลเพื่อจำกัดความเครียดของส่วนประกอบระบบเมื่อเริ่มต้นใช้งาน
• รีสตาร์ทอัตโนมัติสำหรับไฟฟ้าลัดวงจรและความผิดพลาดแบบวงเปิด
• การป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินเอาต์พุต
• การป้องกันแรงดันไฟเกินขาเข้าสาย
• การป้องกันอุณหภูมิเกินแบบฮิสเทอเรติก

จาก IC สู่การออกแบบที่สมบูรณ์แบบ

IC เพียงอย่างเดียว ไม่ว่าจะดีหรือมีคุณสมบัติมากมายเพียงใด ก็ไม่สามารถเป็นตัวแปลง AC/DC ที่พร้อมใช้งานได้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากไม่สามารถหรือไม่ควรผสานส่วนประกอบจำนวนมากเข้าในอุปกรณ์นั้น ซึ่งรวมถึงตัวเก็บประจุกรองจำนวนมาก ตัวเก็บประจุบายพาส ตัวเหนี่ยวนำ หม้อแปลง และส่วนประกอบป้องกัน ความต้องการส่วนประกอบภายนอกแสดงอยู่ในแหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ 6 V, 80 mA แบบไม่แยกส่วนพร้อมเครื่องตรวจจับจุดผ่านศูนย์ที่อิงตามLNK3302D-TL อุปกรณ์ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: แสดงส่วนประกอบภายนอกที่จำเป็นสำหรับแหล่งจ่ายไฟแรงดันคงที่ 6 V 80 mA สากลแบบสมบูรณ์และปลอดภัยพร้อมเครื่องตรวจจับจุดผ่านศูนย์ที่ใช้ IC LNK3302D-TL (ที่มาของรูปภาพ: การรวมพลัง)

นอกจากนี้ ยังมีขนาดขั้นต่ำที่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยสำหรับแอตทริบิวต์ เช่น ระยะเคลื่อนตัวและระยะห่าง ปัญหาจึงกลายเป็นเรื่องความยากลำบากในการพัฒนาการออกแบบให้สมบูรณ์ ตระกูล LinkSwitch-TNZ IC ช่วยให้งานง่ายขึ้น ตัวอย่างเช่น การใช้ความถี่การสลับ 66 kHz จำเป็นต้องใช้แม่เหล็กที่เป็นมาตรฐาน มีวางจำหน่ายทั่วไปจากผู้ขายหลายราย นอกจากนี้ Power Integrations ยังมีการออกแบบอ้างอิงอีกด้วย

สำหรับผู้ที่ต้องการอุปทานแบบแยกส่วน RDK-877 การออกแบบอ้างอิง (รูปที่ 5) เป็นแหล่งจ่ายไฟฟลายแบ็กแยก 6 วัตต์พร้อมการตรวจจับจุดผ่านศูนย์ตาม LNK3306D-TL

รูปที่ 5: การออกแบบอ้างอิง RDK-877 6 W มีการแยกสัญญาณในรูปแบบโทโพโลยีแบบฟลายแบ็ก และใช้ LNK3306D-TL เป็นพื้นฐาน (ที่มาของรูปภาพ: การรวมกำลังไฟฟ้า)

แหล่งจ่ายไฟมีช่วงอินพุต 90 V_AC ถึง 305 V_AC เอาต์พุต 12 V ที่ 500 mA และอัตราการกินไฟขณะไม่มีโหลดน้อยกว่า 30 mW ตลอดช่วงสายไฟ AC ทั้งหมด มีพลังงานมากกว่า 350 mW ในโหมดสแตนด์บาย ในขณะที่ประสิทธิภาพโหมดแอ็คทีฟตรงตามข้อกำหนด DOE6 และ EC CoC (v5) โดยมีประสิทธิภาพโหลดเต็มมากกว่า 80% ที่โหลดปกติ การออกแบบยังเป็นไปตามข้อกำหนด EN550022 และ CISPR-22 Class B สำหรับการนำ EMI

สรุป

การออกแบบและการใช้งานแหล่งจ่ายไฟ AC/DC พลังงานต่ำอาจดูเป็นเรื่องเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม ความเป็นจริงของการบรรลุวัตถุประสงค์ด้านประสิทธิภาพและประสิทธิผล ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและข้อบังคับ ตลอดจนความต้องการด้านต้นทุน พื้นที่ และระยะเวลาในการนำสินค้าออกสู่ตลาด ทำให้เป็นงานที่ท้าทาย ไอซีแบบสวิตชิ่ง เช่น ไอซีในตระกูล Power Integrations LinkSwitch-TNZ ที่ประกอบด้วยตัวควบคุมและ MOSFET รวม ช่วยให้งานง่ายขึ้นมาก ไอซีเหล่านี้รองรับระดับพลังงานที่แตกต่างกันและสามารถใช้กับโทโพโลยีแหล่งจ่ายไฟต่างๆ พร้อมทั้งรวมฟีเจอร์ที่จำเป็นเช่น การตรวจจับจุดผ่านศูนย์และการคายประจุตัวเก็บประจุ X