Jak optymalnie wybrać układ zasilania do urządzenia elektronicznego?

66 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 WYBÓR KONSTRUKTORA Jak optymalnie wybrać układ zasilania do urządzenia elektronicznego? Decydując się na wybór konkretnego rozwiązania układu zasilania urządzenia elektronicznego, projektanci nie zawsze dokonują w pełni świadomego i optymalnego wyboru. Bardzo często korzysta się z rozwiązań najprostszych po to, aby nie mieć kłopotów i nie tracić cennego czasu, lub takich układów zasilaczy, które są konstruktorowi dobrze znane czy też dostępne u lokalnego dystrybutora. Nierzadko jedynym kryterium wyboru jest najniższa cena, silnie zawężająca pole wyboru. Takie podejście jest sprzeczne ze stale rosnącymi wymaganiami, jakie stawia się przed nowoczesnymi urządzeniami elektronicznymi, które muszą być niewielkich rozmiarów, zużywać niewiele szybko drożejącej energii elektrycznej oraz charakteryzować się elastyczną i uniwersalną konstrukcją. Spełnienie tych wymagań nie jest możliwe bez dokładnej analizy i precyzyjnego dopasowania układu zasilania do aplikacji. W artykule opisano charakterystyki i właściwości popularnych układów zasilających małej mocy, skupiając się na analizie ich wad i zalet, oraz pokazano, w jaki sposób optymalnie rozwiązać konstrukcję zasilacza w powiązaniu z tym, co dziś oferuje rynek. Mimo że co miesiąc ukazuje się na rynku ponad sto nowych zasilaczy modułowych, ste- rowników impulsowych i stabilizatorów, w wie- lu konstrukcjach od lat niepodzielnie układ zasi- lacza opiera się o transformator sieciowy małej mocy współpracujący z prostownikiem, ?ltrem i scalonym liniowym stabilizatorem napięcia (rys. 1). Konstrukcja ta jest z pewnością jednym z najlepiej poznanych i popularnych układów spotykanych na rynku w wersji oddzielnej, na przykład w zasilaczach wtyczkowych, do zabu- dowy itp. Zasilacze takie są też chętnie integro- wane na płytkach drukowanych, stając się tym samym nierozdzielną częścią wielu aplikacji. Trudno jednoznacznie powiedzieć, dlaczego te najprostsze układy cieszą się taką popularno- ścią lub zawyrokować, czy są one już technicz- nym przeżytkiem. Z pewnością mają sporo wad. Konstrukcja bazująca na transformatorze siecio- wym jest w porównaniu do innych rozwiązań duża objętościowo i ciężka, a wykorzystywany stabilizator liniowy charakteryzuje się niewielką WYBÓR KONSTRUKTORA 67ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Zasilacze sprawnością daleką od tego, co mogą dać ukła- dy impulsowe. Omawiany układ dostarcza najczęściej jed- nego lub maksymalnie dwóch napięć wyjścio- wych i do działania wymaga od strony wejścia podania napięcia przemiennego sieci o określo- nej wartości napięcia i częstotliwości. Mimo że ten ostatni czynnik wydaje się pozornie najmniej istotną wadą, to w praktyce jest odpowiedzialny za fakt, że zasilacze tego typu zniknęły z urzą- dzeń elektroniki powszechnego użytku. W wa- runkach w jakich działają światowi producenci telewizorów, laptopów i telefonów komórko- wych, bezproblemowe działanie w każdym kra- ju bez konieczności korzystania z przełączników 110/220 V okazało się bardzo ważne. Ostatnim czynnikiem wartym wymienienia jest to, że wy- dajność energetyczna zasilaczy z transforma- torem sieciowym jest często o wiele za duża w stosunku do potrzeb nowoczesnej elektroniki, a ich moc znamionowa nie da się łatwo skalo- wać w dół. O ile przy wzroście zapotrzebowa- nia na energię nie ma problemu i można kupić w zasadzie każdy transformator, jakiego się tyl- ko potrzebuje, o tyle poniżej magicznej granicy 2 W wybór transformatora staje się problema- tyczny. Producenci oferują transformatory sie- ciowe o mocy 1 W, a nawet 0,5 W, ale ich użycie jest kłopotliwe. Przeszkadza duża rezystancja wewnętrzna dodatkowo pogarszająca nie naj- lepszą sprawność i powodująca nagrzewanie. Wymiary takich elementów są zbyt duże, niż wynikałoby to z mocy, a uzyskanie kilku napięć wyjściowych jest już prawdziwym wyzwaniem. Takich zasilaczy nie da się też w prosty sposób zablokować lub uśpić działania tak, aby wymu- sić zbliżony do zera pobór mocy z sieci. Atutem tradycyjnego zasilacza bazującego na transformatorze sieciowym jest niewątpliwie niska cena. Elementy potrzebne do budowy są popularne i szeroko dostępne na rynku u wielu dostawców, a sam rynek transformatorów sie- ciowych jest silnie konkurencyjny. Konstrukcja ta jest z pewnością również niezawodna, dobrze znana, wręcz banalna układowo, nieprzyno- sząca dodatkowych kłopotów z kompatybil- nością elektromagnetyczną, dość odporna na przeciążenia, zwarcia, przepięcia w sieci i inne stany nieustalone. Ponieważ wielu producen- tów transformatorów sieciowych ma w ofercie wersje hermetyczne, w których transformator umieszcza się w plastikowej obudowie i zalewa żywicą epoksydową, również spełnienie więk- szych wymagań środowiskowych nie jest wiel- kim kłopotem dla konstruktora. Z wymienionych powodów zasilacze oparte na transformatorze sieciowym małej mocy będą nadal obecne w elektronice w przypadku wielu aplikacji stacjonarnych, które stale pobierają prąd. W wielu zastosowaniach nadal mogą być uważane za najlepszy wybór. Mody?kacje wersji podstawowej obejmują najczęściej liniowy stabilizator. Wymiana trój- końcówkowego elementu stabilizacyjnego linio- wego, takiego jak na przykład układy 78xx na prosty konwerter DC-DC z dławikiem impulso- wym (rys. 2) może istotnie podnieść sprawność zasilacza i zlikwidować część ograniczeń. Na rynku jest wiele gotowych układów scalonych impulsowych stabilizatorów zawierających w so- bie tranzystor mocy i diodę usprawniającą, które nadają się do takich zastosowań. Możliwe jest także zbudowanie własnego układu bazujące- go na elementach dyskretnych. Niemniej biorąc pod uwagę, że wiele z stabilizatorów impulso- wych to podzespoły obecne na rynku od wielu lat, doskonale znane i sprawdzone, wydaje sie celowe korzystanie właśnie z takich rozwiązań i unikanie składania zasilacza z starszych gene- racji podzespołów, takich jak układy MC33063, UC38xx, TL494, współpracujących z zewnętrz- nymi tranzystorami i diodami usprawniającymi, mimo że są one bardzo tanie i dostępne wszę- dzie. Tym bardziej że projekt wykorzystujący układ specjalizowany można oprzeć na wielu gotowych aplikacjach, można też skorzystać z bezpłatnego oprogramowania wyliczającego parametry dławika, a nawet użyć zalecanego przez producenta projektu płytki drukowanej. W ten sposób unika się ryzyka z niestabilną pracą i podwzbudzeniami oraz korzysta z do- pracowanego projektu, nad którym pracowały dziesiątki inżynierów. Dlatego układy takie jak Simple Switcher National Semiconductor i po- dobne, powinny być rozważane przez konstruk- torów w takim przypadku, jako pierwszy wybór. Jeśli nie transformator sieciowy, to co? W wielu przypadkach klasyczny zasilacz transformatorowy ze stabilizatorem liniowym lub impulsowym nie jest najlepszym rozwiąza- niem. Miniaturowy sprzęt przenośny, urządzenia zasilane z sieci lub także baterii i akumulatorów są najlepszym przykładem zastosowań, w któ- rych transformator sieciowy jest zbyt dużym ograniczeniem gabarytowym. To samo dotyczy systemów komputerowych zasilanych niskim napięciem i pobierającym prąd o dużej wartości, rozbudowanych systemów elektronicznych zasi- lanych wieloma napięciami od wartości poniżej 3 V do 12?24 V, systemów telekomunikacyjnych i wielu innych podobnych zastosowań. Konstruk- torzy sięgają też po zasilacze impulsowe, chcąc poprawić sprawność energetyczną urządzenia. Przez wiele osób, zwłaszcza tych z mniej- szym doświadczeniem, zasilacze impulsowe uważane są za bardziej awaryjne, mniej pewne i generalnie jako zło konieczne, którego raczej trzeba unikać. Taki stereotyp jest pewnie zako- rzeniony w początkach rynkowej ekspansji tych układów, gdy na rynku nie było jeszcze podze- społów o dobrych parametrach i trzeba było samodzielnie wykonywać elementy indukcyjne oraz brakowało szerokiego wsparcia aplikacyj- nego. To jednak jest już przeszłość i dzisiaj wie- dza na temat zasilania impulsowego, elemen- tów magnetycznych i projektowania nie może być już uważana za tajemną i dostępną tylko wybrańcom. Co więcej, podzespoły do zasilaczy impulsowych są dzisiaj w ofertach ogromnej liczny producentów półprzewodników, którzy prześcigają się w ułatwianiu projektowania za pomocą wielu gotowych not aplikacyjnych, arkuszy kalkulacyjnych do obliczeń czy też wy- czerpujących opisów. Powoduje to, że tematyka zasilania impulsowego szybko powszednieje. Jaki zasilacz impulsowy będzie najlepszy do mojej aplikacji? Takie pytanie z pewnością pada na którymś z etapów tworzenia projektu urządzenia i dlate- go warto omówić to zagadnienie szerzej. Trudno objąć formalnym wyborem wszystkie przypadki i warianty, w których zawsze znajdą się jakieś wyjątki, dlatego rozważania trzeba niestety pro- wadzić na pewnym poziomie ogólności. Za pierwsze kryterium selekcji można uznać to, czy zasilanie ma pochodzić z sieci energetycz- nej, czy też z baterii, akumulatora lub innego źródła niewymagającego zapewnienia izolacji Rys. 1. Klasyczny zasilacz z transformatorem sieciowym i stabilizatorem liniowym Rys. 2. Zamiast stabilizatora liniowego można użyć jednego z popularnych układów konwerterów DC-DC obniżających napięcie 68 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 WYBÓR KONSTRUKTORA galwanicznej. To dlatego, że zasilacz współpra- cujący z siecią musi w ogromnej większości przy- padków zapewnić ochronę przed porażeniem, a z uwagi na dużą różnicę napięć pomiędzy wejściem i wyjściem jest zdecydowanie inny od strony konstrukcyjnej od wersji nieizolowanych i przetwornic modułowych. Zasilacze małej mocy współpracujące z siecią Jedną z ważniejszych funkcji takich zasilaczy jest zapewnienie izolacji od sieci, co realizuje się za pomocą transformatora impulsowego zawie- rającego minimum dwa oddzielne uzwojenia. Jest wiele topologii zapewniających przetwa- rzanie energii z izolacją, niemniej w przypadku zasilaczy o małej mocy liczy się w zasadzie tylko jedna ? przetwornica zaporowa (rys. 3). Topolo- gia ta sprawdza się w układach o mocy do około 50 W, ale górna wartość jest tylko przybliżona, gdyż spotyka się też wersje oddające do obcią- żenia nawet dwukrotnie więcej. Przetwornica zaporowa Przetwornica zaporowa jest układem prze- kształtnika energii skonstruowanym w taki spo- sób, że transmisja energii z jej wejścia na wyjście realizowana jest w dwóch cyklach pracy i nastę- puje przy wyłączonym tranzystorze. Z tego też powodu nazywana jest również przeciwbież- ną lub dwutaktową (ang. Flyback Converter). W pierwszym cyklu pracy następuje pobieranie energii ze źródła zasilającego przetwornicę. Przełącznik jest wówczas zamknięty, co powo- duje przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne i gromadzenie energii w polu magnetycznym dławika. Na skutek odwrotnie połączonego uzwojenia wtórnego, dioda w tym czasie nie przewodzi. W drugim cyklu pracy przełącznik jest wyłączony, a napięcie samoindukcji poja- wiające się na uzwojeniu wtórnym polaryzuje diodę D w kierunku przewodzenia i energia pola magnetycznego kierowana jest do obciążenia. Element magnetyczny przetwornicy zaporo- wej jest dławikiem wielouzwojeniowym, co ob- jawia się m.in. w obecności charakterystycznej dla dławika szczeliny powietrznej w rdzeniu fer- rytowym, zapobiegającej jego szybkiemu nasy- ceniu. Charakterystyczną cechą jest też odwrot- na kolejność uzwojeń dławika, co powoduje, że możliwa staje się praca dwutaktowa. Prosta konstrukcja oparta na jednym ele- mencie magnetycznym i jednym tranzystorze przełączającym zyskała popularność w najprost- szych zasilaczach impulsowych. Układ spraw- dza się w przypadkach, gdy potrzebny jest za- silacz o kilku napięciach wyjściowych. Z uwagi na dwutaktowość pracy omawiana topologia jest też dość odporna na przeciążenie wyjścia, a zwarcie zacisków wyjściowych nie skutkuje automatycznie uszkodzeniem tranzystora prze- łączającego, co w innych rozwiązaniach zmusza do obowiązkowego uwzględnienia dodatko- wych obwodów zabezpieczeń. Robić czy kupić? Użycie przetwornicy zaporowej we własnym projekcie może bazować na trzech scenariu- szach. W pierwszym kupujemy gotowy moduł przetwornicy o wymaganej mocy i napięciu wyjściowym. Moduły takie dostępne są na ryn- ku i mają postać niewielkiej płytki drukowanej ze zmontowanym zasilaczem typu open-frame, którą lutuje się do własnego projektu. W przy- padku typowych wartości napięć oraz wtedy, gdy projekt obejmuje maksimum kilka sztuk produktu, kupno gotowego zasilacza może być optymalnym rozwiązaniem uwzględniającym ry- zyko projektowe oraz czas potrzebny na wyko- nanie zasilacza w stosunku do ceny zakupu. Zasilacze modułowe występują w różnych wykonaniach. Czasem jest to samodzielna płyt- ka drukowana do wlutowania, czasem moduł na chassis, który można zamontować w obudo- wie i podłączyć do urządzenia za pomocą kabli i złączy terminal-block. Inne wykonania obejmu- ją wersje w hermetycznej obudowie metalowej lub plastikowej, w której zasilacz jest zalany ży- wicą i stanowi nierozbieralny funkcjonalny blok zasilania. Taki moduł, niczym duży przekaźnik, po prostu montuje się na płytce i sprawę zasila- nia ma się rozwiązaną. Liczba wersji wykonania jest oczywiście duża, oprócz typowych kształ- tów prostopadłościennych są też przetwornice montowane pionowo, przypominające układy scalone w obudowie jednorzędowej, np. produ- kowane przez Rohm. Przetwornice modułowe produkuje wiele ?rm, dlatego rynek jest silnie konkurencyjny. Co więcej, na skutek względnej kompatybilności wyprowadzeń pozwalającej zamiennie stoso- wać produkty od kilku producentów oraz dzięki uniwersalnemu projektowi płytki drukowanej uwzględniającemu kilka wersji, można uniknąć związania z jednym dostawcą i zapewnić sobie możliwość wyboru produktu. Projekt własny Gdy urządzenie produkowany będzie w większych ilościach lub też wtedy, gdy koniecz- ne jest zachowanie minimalnych wymiarów za- silacza, warto rozważyć własny projekt. To samo dotyczy sytuacji, kiedy skorzystanie z produk- tów o standardowych parametrach napotyka trudności. Wiele napięć wyjściowych, nietypowe wymagania środowiskowe lub też konieczność spełnienia dodatkowych warunków odporności izolacji na przebicie skłania konstruktora do po- szukiwania własnego rozwiązania. Innym powo- dem może być chęć maksymalnego obniżenia ceny układu, popsucia szyków konkurencji za- interesowanej możliwością łatwego podejrzenia koncepcji układu, a nawet to, że własny zasilacz jest dla niektórych osób wyzwaniem, z którym warto się zmierzyć. Własny zasilacz zapewnia też najkorzyst- niejsze parametry jakościowe dostarczanego Rys. 3. Uproszczony schemat przetworni- cy zaporowej Rys. 4. Przetwornica zaporowa z układem LinkSwitch ?rmy Power Integrations (a) oraz Viper ?rmy ST Microelectronics (b) Proste konwertery nieizolowane DC-DC w obudowach SIP b)a) b) 69ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Zasilacze Rys. 5. Przetwornica zaporowa zbudowana w oparciu o sterownik PWM starszej generacji R E K L A M A napięcia, pozwalając na kształtowanie pasma pętli sprzężenia zwrotnego po to, aby zapewnić szybką reakcję na zmianę stopnia obciążenia. Daje również możliwość blokowania pracy, se- kwencjonowania kolejności załączania napięć wyjściowych, pozwala na minimalizację mocy pobieranej z sieci bez obciążenia, może stabili- zować nie tylko dla jedno główne napięcie wyj- ściowe oraz spełniać inne podobne parametry i zależności. Własna konstrukcja przetwornicy zaporo- wej to temat otwarty i możliwy do zrealizowa- nia na wiele sposobów. Niemniej w ostatnich latach widać coraz wyraźniej trend korzystania ze specjalnych sterowników scalonych, inte- grujących w ramach jednego układu sterownik scalony, wysokonapięciowy tranzystor przełą- czający i szereg innych układów pomocniczych niezbędnych do konstrukcji zasilacza. Układy takie produkuje wiele ?rm, m.in. Power Inte- grations lub ST Microelectronics. Na rys. 4a i 4b pokazano przykładowe schematy zasilaczy wy- korzystujących układy PI oraz STM, a na rys. 5 alternatywną konstrukcję tradycyjną bazującą na starszym sterowniku scalonym UC3844 i ze- wnętrznym tranzystorze przełączającym. War- to zwrócić uwagę na to, że układ konwertera Link Switch z rys. 4a pozwala ograniczyć liczbę uzwojeń w transformatorze impulsowym o do- datkowe uzwojenie zasilające sterownik, co jest sporą zaletą. Im prostszy transformator, tym ła- twiej jest dopasować gotowy element standar- dowy i uniknąć konieczności wykonywania tego elementu na zamówienie, co jest największym kłopotem w przypadku wykonywania zasilacza we własnym zakresie. Za korzystaniem z wymienionych układów specjalizowanych przemawia jeszcze dość dobre wsparcie techniczne, w tym szereg not aplikacyj- nych, zaleceń projektowych, a także dostępność oprogramowania pozwalającego na wyliczenie parametrów transformatora. Sterowniki specja- lizowane mają ponadto zaimplementowany sze- reg funkcji charakterystycznych dla produktów o tym poziomie mocy, których nie ma w ukła- dach PWM ogólnego przeznaczenia. Są to na przykład obwody ograniczające pobór mocy bez obciążenia, ograniczające szybkość narastania napięcia na tranzystorze mocy lub wręcz włą- czające tranzystor mocy tylko co pewien czas na krótkie chwile (pulse skipping). Innym przykła- dem są funkcje zmieniające płynnie tryb pracy 70 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 WYBÓR KONSTRUKTORA i wysterowanie stopnia mocy przetwornicy. Trzeba uczciwie przyznać, że implementacja tak wielu funkcji zasilających za pomocą elementów standardowych raczej nie miałaby sensu, dlate- go prostsze konstrukcje nigdy nie są tak funk- cjonalne. Producenci podzespołów indukcyjnych wspierają takie specjalizowane sterowniki im- pulsowe ofertą transformatorów dostępnych z katalogu, co uwalnia od wielu kłopotów z wy- konaniem na zamówienie. Właściwe wykonanie transformatora impulsowego nie zawsze bywa łatwe, szczególnie dla wersji o małej mocy wyj- ściowej. Trzeba mieć świadomość, że ten ele- ment do zasilacza o mocy 2 W ma wymiary nie- wiele większe od sześcianu o boku 10 mm i wy- maga nawinięcia dwóch izolowanych od siebie uzwojeń, z czego jedno może mieć nawet 100 zwojów i kilka warstw. Niedokładne wykonanie uzwojenia lub złożenie rdzenia może spowodo- wać niekontrolowany wzrost indukcyjności roz- proszenia powodujący powstanie przepięcia na elemencie przełączającym i jego uszkodzenie, dlatego celowe wydaje się takie projektowanie układu zasilacza, aby jak najczęściej korzystać z gotowych i dostępnych w handlu elementów indukcyjnych. Projekt zasilacza bez specjalizowanych sterowników W ogólnym przypadku przetwornica zapo- rowa może zostać wykonana z wykorzystaniem wielu sterowników PWM dostępnych na rynku. Rozwiązanie takie opiera się najczęściej na jed- nym układzie scalonym obudowanym dodatko- wymi elementami zabezpieczającymi, kontrolny- mi i sterującymi. W efekcie taki projekt jest od strony funkcjonalnej zbliżony do tego, co udaje się zrobić na sterowniku specjalizowanym, a róż- nica sprowadza się do niższej ceny konstrukcji. Układy scalone PWM starszej generacji, takie jak na przykład UC3844, można na rynku kupić bardzo tanio, za około 70 groszy. Z kolei układ Viper12 STM kosztuje około 5 zł, zaś TinySwitch PI 4?6 zł, a więc siedmiokrotnie więcej. W za- leżności od konstrukcji i kosztem parametrów można zbudować tańszy zasilacz na starszych podzespołach w stosunku do rozwiązania no- woczesnego. Niektórzy tani producenci idą dalej i budują zasilacze impulsowe bez układów sca- lonych, w oparciu o kilka tranzystorów i trans- formator zawierający kilka uzwojeń (rys. 6). Przy produkcji masowej pozwala to jeszcze bardziej ograniczyć koszt rozwiązania, niemniej trudno taki układ uznać za nowoczesny. Jednak jeśli naj- ważniejszym kryterium jest cena, to trzeba mieć świadomość, że da się zbudować zasilacz impul- sowy na 3 tranzystorach i kilkunastu elementach biernych. Innym pomysłem jest zbudowanie sterownika przetwornicy na mikrokontrolerze. Ceny najprostszych układów 8-bitowych są tak niskie, że można próbować sobie wyobrazić uży- cie procesora także w tym miejscu. Reasumując, sterownik przetwornicy zapo- rowej oparty na jednym z kontrolerów PWM i elementach dyskretnych wydaje się być propo- zycją godną rozważenia w przypadku układów wrażliwych na cenę i produkowanych w więk- szych seriach. Budowa takiego układu może być bardziej pracochłonna, uruchamianie trudniej- sze, a transformator bardziej skomplikowany i niemożliwy do kupienia w postaci gotowej, jednak przy dużej skali produkcji taki projekt może być tańszy. Częstotliwość pracy przetwornic zaporo- wych w miarę upływu lat stopniowo rośnie, niemniej nie da się powiedzieć, że jest to jakiś wzrost gwałtowny. Ograniczeniem są głównie materiały magnetyczne, dla których rosną stra- ty w funkcji częstotliwości, maleje też indukcja nasycenia i straty w miedzi na prądy wirowe. Dlatego, mimo że był w elektronice okres fascy- nacji konwerterami pracującymi na częstotliwo- ściach megahercowych, w przypadku zasilaczy małej mocy taki wzrost nie jest niczym uzasad- niony. Większość przetwornic pracuje o obsza- rze 40?100 kHz, co tworzy z pewnością jakiś przyzwoity kompromis pomiędzy miniaturyzacją transformatora a kłopotami na skutek efektów pasożytniczych. Zasilacze medyczne Terminem tym określa się grupę produk- tów, w których położono nacisk na wysoką jakość izolacji pomiędzy stroną pierwotną za- silacza dołączaną do sieci energetycznej a stro- ną wtórną. Wiadomo, że każda izolacja ma skończoną wartość rezystancji i odporność na przebicie. W efekcie każdy zasilacz dołączony do sieci charakteryzuje się niewielkim prądem upływu wpływającym do zacisków wyjścio- wych. W wielu standardowych konstrukcjach, pomiędzy stroną pierwotną i wtórną, monto- wane są warystory i kondensatory zapewniają- ce ochronę przed przepięciami, dające stabilną pracę pętli sprzężenia zwrotnego i brak pływa- jącego potencjału przy braku obciążenia zaci- sków wyjściowych (np. C5 na rys. 4a lub C10 na rys. 4b). Elementy te pogarszają jednak war- tość prądu upływu, gdyż od strony elektrycznej dołączane są równolegle z rezystancją izolacji transformatora. W przypadku, gdy ważne są prądu upływu i tym samym potencjał, jaki może wystąpić na nieobciążonych zaciskach wyjściowych zasila- cza, trzeba użyć zasilacza medycznego. Charak- teryzuje się on bardzo niską wartością prądu upływu tak, że wtórna strona może być dołą- czana do ciała ludzkiego (w zależności od klasy wykonania). Oczywiście za luksus niskiej upływ- ności i spełnienie surowych norm medycznych trzeba ponieść wyższe koszty zakupu. Nieizolowane konwertery DC-DC Urządzenia zasilane z baterii, a więc sprzęt przenośny, systemy telekomunikacyjne, moto- ryzacyjne, moduły i mniejsze jednostki funkcjo- nalne, które wchodzą w skład większej całości i systemów, zwykle zasila się napięciem stałym. W takim przypadku realizacja zasilania następu- je przede wszystkim za pomocą konwerterów DC-DC bez izolacji galwanicznej wykorzystują- cych jako element indukcyjny dławik. Zasilacze te tworzą grupę najpopularniej- szych na rynku przetworników, które wchodzą w skład wielu systemów zasilających, a w szcze- gólności są podstawą zasilaczy o architektu- rze rozproszonej (Distributed Power Systems). W układach takich wykorzystuje się jeden za- silacz izolowany, który przetwarza napięcie przemienne sieci na pośrednie napięcie stałe Rys. 6. Najtańsza realizacja zasilacza może być wykonana bez układów scalonych. W pokazanym rozwiązaniu wykorzystano dwutranzystorowy układ zastępczy tyrystora, całkiem podobnie jak kiedyś w zasilaczu telewizora Helios Rys. 7. Topologia konwertera DC-DC obniżającego napięcie 71ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Zasilacze o wartości np. 48 V, które następnie doprowa- dzane jest do konwerterów DC-DC umieszczo- nych w sąsiedztwie zasilanych obwodów (POL ? Point of Load). Dlatego zasilacze te dostęp- ne są w bardzo szerokim asortymencie wersji napięciowo-prądowych. Dodatkowo porozu- mienie dwóch znaczących producentów takich zasilaczy doprowadziło do ukształtowania się dwóch standardów mechanicznych (POLA i DO- SA), dzięki czemu istnieje możliwość wybierania komponentów od różnych producentów, gdyż mają one takie same wymiary i rozkład wypro- wadzeń. Nieizolowane konwertery DC-DC wykony- wane są w jednej z czterech topologii: ? obniżającej napięcie wejściowe, w termino- logii anglojęzycznej nazywanymi step-down lub buck, ? podwyższającej napięcie wejściowe (step- -up lub boost), ? dostarczających napięcia o przeciwnej po- laryzacji, zwykle napięcia ujemnego przy zasilaniu na wejściu napięciem dodatnim względem masy (inverting converter), ? o napięciu niższym lub wyższym od napię- cia wejściowego (step-up/step-down lub buck-boost) pracującymi w topologii SEPIC lub Cuka. Budowa nieizolowanych konwerterów DC-DC Uproszczony schemat wewnętrzny konwer- tera obniżającego pokazano na rys. 7. Obwo- dy konwersji mocy zawierają przełącznik, czyli w typowym rozwiązaniu tranzystor MOSFET, sterowany prostokątnym sygnałem o regulo- wanym wypełnieniu impulsów PWM i stałej czę- stotliwości, dławik, diodę usprawniającą oraz kondensator wyjściowy. Wytworzone napięcie prostokątne uśredniane jest w wyjściowym ?l- trze LC i dostarczane do obciążenia. Cykl pracy obejmuje dwa okresy. W pierwszym tranzystor przewodzi, co powoduje dostarczanie energii do obciążenia oraz jej gromadzenie w polu magnetycznym dławika. W cyklu drugim tran- zystor nie przewodzi, a zgromadzona wcześniej w dławiku energia przekazywana jest do obcią- żenia za pomocą diody usprawniającej, która w tym okresie jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Budowa konwertera podwyż- szającego napięcie i inwertera jest podobna. Wykorzystywane są te same elementy podsta- wowe, a zmienia się jedynie ich topologia, czyli system połączeń elementów odpowiedzialnych za transmisję mocy. Bardzo ważną częścią konwerterów DC- -DC jest sterownik tranzystora przełączające- go. Oprócz generacji sygnału PWM zawiera on obwody zabezpieczające oraz kontrolne odpo- wiadające za stabilizację napięcia (wzmacniacz napięcia błędu i źródło napięcia odniesienia). Producenci przykładają wiele uwagi do kon- strukcji tego elementu ? przykład, ile funkcji można zintegrować w jednej strukturze, poka- zany jest na rys. 8. Wyzwaniem jest zapewnie- nie stabilnej pracy konwertera bez obciążenia i ograniczenie poboru mocy przez sam zasilacz w trybie standby. Szczególnie ta druga kwestia jest dzisiaj przedmiotem troski ?rm producen- tów elementów półprzewodnikowych, co wiąże się z globalnym nastawieniem na oszczędność energii. Podstawowe kon?guracje stopnia mocy, ta- kie jak pokazano na rys. 7, w realnych układach są przez producentów często mody?kowane. Dotyczy to zwłaszcza wersji pracujących przy niskim napięciu wejściowym lub wyjściowym i dużym prądzie obciążenia. Wówczas duży spadek napięcia na diodzie usprawniającej de- graduje ich sprawność. W miejsce diody zwykłej lub Schottky-ego lepiej sprawdza się tranzystor MOSFET, który tworzy prostownik synchronicz- ny sterowany za pomocą dodatkowego sygnału generowanego w sterowniku zasilacza. Wersje, w których konieczne jest osiągnięcie wyższych niż typowe napięć, wyposaża się w dławiki dwuuzwojeniowe lub też wersje z odczepem na Rys. 8. Przykładowy schemat nieizolowanego konwertera modułowego DC-DC R E K L A M A 72 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 WYBÓR KONSTRUKTORA Rys. 9. Izolowany konwerter modułowy DC-DC od środka. Mimo wykorzystania specjalizowanego sterownika, układ jest dość złożony Rys. 10. Przykładowa realizacja zasilacza z pompą ładunku dławiku, które działają podobnie jak autotrans- formatory. Takie mody?kacje pozwalają ograni- czyć wpływ niekorzystnych zjawisk związanych z pojemnościami pasożytniczymi oraz znacząco poprawić sprawność. Izolowane konwertery DC-DC Kosztem niewielkiej dodatkowej komplika- cji układowej sprowadzającej się praktycznie tylko do innego transformatora można stwo- rzyć przetwornicę DC-DC z izolacją. Z pewno- ścią jest ona bardziej uniwersalna od wersji nieizolowanej. Pozwala też na uzyskanie kilku napięć wyjściowych. Izolowany konwerter mo- dułowy zamknięty w obudowie DIL to jedno z najpopularniejszych rozwiązań układu zasila- nia (rys. 9). W zależności od mocy wyjściowej i napięć znamionowych stosuje się różne topologie pra- cy konwerterów. Bezwzględna rywalizacja pro- ducentów prowadzi do dość dużej komplikacji układu, który w niczym nie przypomina prostej przetwornicy zaporowej. Stosuje się topologie przepustowe konwersji mocy pozwalające na redukcję wymiarów transformatora impulso- wego, układy z prostownikiem synchronicznym na wyjściu, co ogranicza straty w prostowniku oraz w większości korzysta z dwóch tranzysto- rów przełączających, co obniża poziom napię- cia tętnień na wyjściu zasilaczy. Walka o każdy procent sprawności i miniaturowe wymiary prowadzi do wzrostu skomplikowania układu elektrycznego. Bardzo często miniaturowe kon- wertery modułowe są nawet bardziej skompli- kowane od strony elektrycznej od ?zwykłych? zasilaczy niemodułowych. Możliwości produktów dostępnych na rynku Podstawowe parametry modułowych kon- werterów DC-DC de?niowane są przez napięcie wejściowe i wyjściowe, moc wyjściową, spraw- ność i obudowę. Trzeba przyznać, że gęstość upakowana elementów wewnątrz przetwornic jest dość duża, bo nawet kilkuwatowe zasila- cze są niewiele większe od obudów typowych układów scalonych w obudowach DIL lub SIP. Zakres napięć wejściowych zawiera się od 3? 5 V do nawet 72 V, a wyjściowych od 1,8 V do 48 V. W przypadku wersji izolowanych dostęp- 73ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 Zasilacze Firma Amicus-AMO Sp. z o.o. powstała w 2004 roku. Od początku swojej działalności specjalizuje się w wysokiej klasy zasilaczach impulsowych. Oferta ?r- my skupia się na zasilaczach wtyczkowych, biurkowych (desktop), samochodowych DC/DC, modułowych oraz przeznaczonych do zabudowy (open frame). Zasilacze serii SYS ? nowoczesne zasilacze dla elektroniki Jedną z grup produktów w ofercie Amicus-AMO są za- silacze serii SYS. W ramach tej rodziny dostępne są mo- dele wtyczkowe i biurkowe o następujących cechach: ? małe gabaryty, nowoczesne projekty, ? uniwersalne napięcia wejściowe: 90?264V, ? napięcia wyjściowe: 5?24V, ? moce do 130W, ? temperatury pracy zasilaczy: 0-50°C, ? urządzenia zgodne z wymaganiami polskich i między- narodowych norm bezpieczeństwa oraz kompatybilno- ści elektromagnetycznej (EN 61000-3-2, EN 61204), ? zasilacze produkowane w technologii bezołowiowej (mają znak RoHS), ? jakość potwierdzona certy?katami. y Amicus-AMO Sp. z o.o. ul. Postępu 12, 02-676 Warszawa Tel.: 022 847 73 55, Faks: 022 624 85 80 www.amicus-amo.pl, amicus@amicus-amo.pl Rys. 11. Przetwornica ?yback wykorzystująca transformator wykonany w postaci ścieżek drukowanych (po lewej ? wzór transformatora) POLECANY PRODUKT Zasilacze w ofercie ?rmy Amicus-AMO Amicus-Amo Sp. z o.o. 02-676 Warszawa, ul. Postępu 12 tel. 022 847 73 55, faks 022 624 85 80 www.amicus-amo.pl, amicus@amicus-amo.pl 74 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2009 WYBÓR KONSTRUKTORA ne są także przetwornice o wyjściu symetrycz- nym od ?3 V do ?24 V, co pokrywa większość typowych zastosowań w elektronice. Moc wyj- ściowa nie jest parametrem krytycznym, gdyż najmniejsze produkty oferują około 2 W, a gór- na granica dla wersji modułowych sięga 10? 15 W (w zależności od obudowy). Elementy w obudowach ?scalonych? potra?ą dostarczyć do 5 W mocy, co jest niezłym wynikiem, biorąc pod uwagę, że sprawność przetwarzania wy- nosi 80?90%. Warto zwrócić uwagę na to, że dla wielu omawianych produktów zakres napięć wej- ściowych jest szeroki i de?niowany stosunkiem napięć od 2:1 do 4:1. Zasilacze tego typu prze- znaczone są do systemów zasilania rozproszo- nego takich, w których istnieje szyna zasilająca dostarczająca napięcia o wartości pośredniej i do której dołączane są konwertery o różnych napięciach wyjściowych zasilające poszczegól- ne bloki. Podany stosunek określa zakres do- puszczalnych napięć wejściowych, np. 9?18 V lub 18?26 V (2:1) albo 9?36 V (4:1). Im szer- szy zakres dopuszczalnych napięć wejściowych, tym łatwiej można tworzyć kaskadowe układy zasilania i tym mniejsze wymagania nakładane są na jakość stabilizacji napięcia magistrali po- średniej. Oferta rynku w zakresie przetwornic DC-DC jest z pewnością ogromna. Dotyczy to również stopnia stabilizacji napięcia wyjściowego, któ- re może być stabilizowane dokładnie, zgrub- nie (?10%) lub wcale. Ta ostatnia możliwość dotyczy złożonych systemów zasilających wy- korzystujących wiele stopni konwersji mocy pracujących kaskadowo. W takim przypadku nie ma sensu stabilizować napięcia na każdym z etapów pośrednich ? wystarczy, że dokładną stabilizację zapewni ostatni stopień dostarcza- jący napięcie do obciążenia. Gorszy stopień stabilizacji przekłada się na prostszą konstrukcję konwertera. O ile dokład- na stabilizacja wymaga w przypadku wersji pracującej z izolacją budowy pełnej pętli sprzę- żenia zwrotnego z transoptorem, wzmacnia- czem napięcia błędu i obwodami kompensacji częstotliwości, to już wersja o mniej dokładnej stabilizacji może wykorzystywać silnie sprzę- żone uzwojenia transformatora. W takim przypadku pomiar napięcia po stronie wtórnej realizuje się z drugiej strony, czyli próbkując przy wyłączonym tranzystorze przełączającym napięcie na uzwojeniu pierwotnym. Metoda ta nie jest zbyt dokładna, ale za to na tyle prosta, że możliwe jest zrezygnowanie z wielu podze- społów. Własny projekt czy gotowa przetwornica W przypadku konwertera DC-DC z izolacją trudno znaleźć rozsądne argumenty przemawia- jące za własnym projektem. Wyjątkiem może być tylko produkt masowy, wytwarzany w ogrom- nych ilościach, jak na przykład płyta główna peceta. W mniejszej skali produkcji korzystanie z gotowych i przetestowanych konstrukcji kon- werterów DC-DC pozwala zaoszczędzić mnó- stwo czasu i ryzyka projektowego. Szeroka ofer- ta zasilaczy u wielu producentów i dystrybuto- rów pozwala dopasować produkt do tworzonej aplikacji nie tylko pod względem parametrów technicznych, ale również marki i ceny. W przypadku konwerterów DC-DC bez izolacji wybór pomiędzy kupnem zasilacza go- towego a tworzeniem własnej konstrukcji nie jest już tak jednoznaczny. Na rynku jest wiele interesujących układów scalonych, które są specjalizowanymi przetwornicami o wysokich parametrach technicznych. Stworzenie za po- mocą układów National Semiconductor, Linear Technology lub Maxim konwertera w praktyce polega na wybraniu układu z listy i uzupełnieniu go o dławik i kondensatory ?ltrujące. Wszystkie inne elementy znajdują się zwykle wewnątrz struktury scalonej, dzięki czemu projektowanie jest banalne. Nie wszystkie układy scalone konwerterów DC-DC oferują tak wysoki stopień integracji nie- mniej liczba elementów, które trzeba ze sobą po- łączyć, zwykle daje się policzyć na palcach jednej ręki. Problemem nie jest też dławik, gdyż obec- nie można kupić gotowe elementy tego typu, w tym także w wersjach SMT, i wykonywanie indukcyjności na zamówienie jest niepotrzebne. Omawiane zasilacze pracują z częstotliwością kluczowania 100?200 kHz, więc wymiary ele- mentów indukcyjnych i kondensatorów ?ltrują- cych zredukowano do minimum. Coraz częściej pozwala to na użycie zamiast dławików z rdze- niem ferrytowym cewek powietrznych i pracę z częstotliwością megahercową, gdyż potrzeb- na indukcyjność nie przekracza mikrohenra. Eli- minuje to problemy z nagrzewaniem się ferrytu przy dużych częstotliwościach i nasycaniem się rdzenia przy dużym prądzie. W efekcie konwer- ter o mocy kilku watów składa się z kilku małych elementów SMD i zajmuje na płytce niewiele miejsca. W takiej sytuacji wielu konstruktorów de- cyduje się na własny projekt i należy uznać taki wybór za słuszny. Użycie gotowej przetwornicy modułowej należy raczej zostawić do projektów jednostkowych, takich, w których istotny jest czas realizacji, specjalistycznych (przemysło- wych, wojskowych, medycznych). Za taką de- cyzją przemawia ogromny wybór sterowników do układów zasilających, gotowych scalonych konwerterów jaki ma w ofertach wielu produ- centów półprzewodników. Konwertery DC-DC bez indukcyjności Ostatnią grupę zasilaczy małej mocy sta- nowią układy bazujące na pompie ładunku. Ich cechą jest to, że nie zawierają indukcyjności, a napięcie wyjściowe może przyjmować dowol- ną wartość w stosunku do napięcia wejściowe- go. Cechą konwertera tego typu jest niewielka obciążalność prądowa i moc wyjściowa w ty- powym przypadku ograniczona jest do kilkuset miliwatów. Zasilacze z pompą ładunku wykorzy- stywane są najczęściej do wytwarzania napięcia polaryzacji, na przykład dla interfejsów, czujni- ków lub też używa się ich do zasilania układów, w których potrzebne jest pomocnicze napięcie ujemne. Zasilacze z pompą ładunku zawierają ge- nerator impulsów prostokątnych pracujący na częstotliwości rzędu kilkudziesięciu lub kilku- set kiloherców. Wytwarzane napięcie zmienne podawane jest następnie na układ powielacza diodowo-kondensatorowego, za pomocą któ- rego uzyskuje się pożądane napięcie wyjściowe. W ten sposób działa przetwornica w znanym układzie typu MAX232 wykorzystywanym w in- terfejsie RS232 oraz cały szereg przetwornic scalonych. Główną zaletą takich zasilaczy jest brak indukcyjności, dzięki czemu mogą one być zamknięte w obudowie układu scalonego. Niemniej sprawność przetwarzania jest niska, wartość napięcia wyjściowego silnie zależy od obciążenia, co sprawia kłopot z jego stabiliza- cją i zmusza do rozbudowy układu. Ostatnio konwertery z pompą ładunku pojawiają się przy okazji zasilaczy do jasnych diod LED. Podsumowanie Wybór układu zasilacza do projektowanej aplikacji jest kompromisem techniczno-ekono- micznym, którego prawidłowe rozwiązanie wyma- ga od konstruktora posiadania wiedzy na temat topologii i stosowanych metod konwersji energii elektrycznej, oferty rynku w zakresie półprzewod- ników i elementów indukcyjnych oraz cen goto- wych zasilaczy modułowych. Z pewnością jest to zadanie niełatwe, jednak wysiłek włożony w ana- lizę z pewnością się opłaca i jest podstawą projek- towania nowoczesnych systemów zasilających. Robert Kamiński R E K L A M A