Fuente de alimentación 12V / 500 mA
Introducción El integrado U7 integra en un mismo paquete dos componentes: un controlador PWM con tecnología BCD6 y un MOSFET de avalancha de 800 V . El integrado es adecuado para la conversión de energía de la red en una gama de voltaje de entrada ( 85 Vac 270 Vac ) de hasta 10 W de potencia de salida. . La solución tiene la ventaja de utilizar pocos componentes externos en comparación con una solución discreta , proporcionando varias protecciones de la fuente conmutada de alimentación y con un muy bajo consumo, en condición sin carga . El dispositivo funciona a frecuencia fija que puede ser 115 kHz o 60 kHz . Se implementa, una frecuencia de fluctuación, que ayuda a cumplir con las normas relativas a las perturbaciones electromagnéticas . Las protecciones existentes en el dispositivo, como la sobrecarga, sobretensión de salida, protección corto circuito del bobinado secundario y la saturación del transformador, mejoran la fiabilidad y la seguridad del diseño . Además un apagado térmico interno y un MOSFET de potencia en el interior del U7, aumentan la robustez del sistema .
Descripción del circuito Con el fin de minimizar el tamaño del componente magnético, se seleccionó el dispositivo de la frecuencia de funcionamiento más alta. La frecuencia media de conmutación es de 115 kHz (típica). La frecuencia de conmutación es modulada por una onda triangular a 250 Hz. Esta modulación de frecuencia (fluctuación de frecuencia) se propaga en el espectro de la interferencia electromagnética generada por la conmutación del MOSFET, reduciendo su valor máximo y facilitando el cumplimiento de los estándares EMI . Para obtener una buena precisión en la regulación de salida, se utiliza una regulación secundaria y la monitorización directa de la tensión de salida. Gracias a la limitación de la corriente primaria ajustable es posible fijar la potencia máxima que el convertidor puede entregar a la salida. La protección contra la sobrecarga ofrece un buen nivel de seguridad en la salida de un posible cortocircuito o sobrecarga. Cuando la protección actúa, el sistema funciona reduciendo la potencia a unos pocos cientos de mili-vatios. Un segundo nivel de limitación de corriente garantiza la seguridad, en caso de un fallo del diodo de salida (corto) o de un corto circuito en el secundario. Esquema de la fuente
Verificaciones del circuito Formas de onda de la fuente La fuente funciona con voltajes de entrada desde los 65 Vac hasta los 265 Vac. La Figura 7 y la Figura 8 muestran la corriente de drenaje y las formas de onda de tensión de drenaje en las tensiones de entrada nominales, que son 115 Vac y 230 Vac cuando la carga es la máxima (500 mA). La Figura 9 y la Figura 10 muestran las mismas formas de onda para la misma condición de carga, pero las tensiones de entrada son un mínimo de 90 Vac) y un máximo 265 Vac.
Figura 7
Figura 9
Figura 8
Figura 10
La Figura 11 muestra la corriente de drenaje y el voltaje en el pin de realimentación en un intervalo de tiempo de aproximadamente 10 ms. El sistema está funcionando con una carga constante, pero el voltaje en el pin de realimentación, es una forma de onda triangular, así como la corriente de pico de drenaje. En un convertidor flyback frecuencia fija, operando en el modo de conducción discontinua, la potencia de salida es proporcional a la frecuencia de conmutación de acuerdo con la siguiente fórmula: Ecuación 1 Donde Lp es la inductancia primaria del transformador, el IPK drena la corriente de pico y η es la eficiencia del convertidor. El oscilador interno U7 entrega una frecuencia de conmutación modulada por una onda triangular de 250 Hz (típica). La potencia de la carga es constante, pero, debido a la frecuencia de conmutación variable, la potencia suministrada no es constante si IPK es constante. El bucle de control reacciona a una frecuencia de conmutación inestable, una modulación de la tensión de retroalimentación y la corriente de pico de drenaje.
Figura 11
Frecuencia de fluctuación con voltaje de entrada 115 Vac 500mA de carga
azul verde
En la forma de onda Vout ( CH1), que se muestra en las figuras anteriores vemos una oscilación de alta frecuencia . Esta oscilación se debe a una inductancia parásita, presente en serie con el condensador de salida de retorno . Esta inductancia parásita, es parte por la inductancia parásita del propio condensador y parte se debe a la del circuito impreso. Un menor rizado de la frecuencia está presente cuando el dispositivo está funcionando en modo de ráfaga. En este modo de funcionamiento, el convertidor no suministra energía continua a su salida. Alterna su funcionamiento, un período es cuando el MOSFET de potencia se mantiene cerrado y ninguna señal es procesada por el convertidor y un período en que el MOSFET de la energía está conduciendo y la corriente fluye hacia la salida del convertidor. Incluso si no hay carga presente en la salida del convertidor, durante los períodos de no conmutación, los condensadores de salida se descargan por sus corrientes de fuga y por las corrientes necesarias para suministrar la parte del bucle de realimentación presente en el lado secundario . Durante el periodo de conmutación, la capacitancia de salida se recarga . Figura 14 y 15 indican la tensión de salida
Figura 14 Voltaje de salida con la red a 115 Vac sin carga y el rizado
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Figura 11 Voltaje de salida con la red a 230 Vac sin carga y el rizado
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Rendimiento y carga mínima La mayoría de los fabricantes de electrónica de consumo busca la compatibilidad con las recomendaciones del modo de espera y un dispositivo de ayuda para lograr este cumplimiento . Si la tensión del pin de realimentación cae por debajo de 450 mV ( típico) , el MOSFET se mantiene apagado y se reinicia cuando el valor de la tensión del pin de realimentación supera 500 mV ( típico). El comportamiento resultante es un funcionamiento intermitente ( modo de ráfaga ) del dispositivo. Cuando el MOSFET está en fase de conmutación, la potencia entregada es más alta de lo necesario, pero esto es compensado, durante los períodos en los que el MOSFET no está en fase de conmutación. Gracias a este funcionamiento de modo de ráfaga, la frecuencia media de conmutación se reduce considerablemente y por lo tanto las pérdidas de conmutación, que son la mayoría de las pérdidas, cuando el sistema no está cargado o muy ligeramente cargado. Las perdidas se reducen al mínimo y el muy bajo consumo de energía de la propia U7, la potencia media se reduce aún más. La potencia de entrada del convertidor se mide en la condición sin carga para diferentes entradas de la red.
Arranque suave de la fuente Cuando el convertidor comienza a funcionar y el condensador de salida está descargado por completo, es necesario algún tiempo para alcanzar la potencia nominal de salida, así como la condición de estado estacionario. Durante este tiempo la potencia del bucle de control es máxima mientras que la tensión es baja. Estas dos condiciones pueden dar lugar a un manera de funcionamiento continua del convertidor. Cuando el MOSFET se activa, no se puede apagar de inmediato, es necesario un tiempo mínimo de activación. Incluso si U7 tiene un mínimo muy bajo, debido al modo de trabajo continuo del convertidor, durante este tiempo, un exceso de corriente de drenaje es posible que pueda existir y supere las prestaciones del convertidor, así como el propio dispositivo, la salida diodo, y el transformador. La saturación del transformador también es posible en estas condiciones. Para evitar todos estos efectos negativos que se describen son posibles durante la fase de arranque, el U7 dispone de una función de arranque suave. A medida que el dispositivo empieza a trabajar, incluso si el bucle de control pide la potencia máxima (corriente máxima de drenaje), se permite que la corriente de drenaje aumente desde cero hasta el valor máximo gradualmente. El límite de corriente se incrementa en pasos, y los valores de rango de 0 al valor fijo de la corriente de limitación (valor que se puede ajustar a través de una resistencia externa), que se divide en 16 pasos. Cada longitud de paso es de 64 ciclos de conmutación. La duración total de la fase de arranque suave es de unos 8,5 ms. La Figura 20 muestra la fase de arranque suave del convertidor, cuando esté funcionando a un voltaje de línea mínimo y la carga máxima.
Figura 20 Arranque suave de la fuente
Condiciones de trabajo V in = 90 Vac Carga : 500mA
Protección de la sobrecarga Si la carga de potencia aumenta y disminuye la tensión de salida, en consecuencia el bucle de realimentación reacciona, aumentando la tensión en el terminal FB del U7, lo que incrementa la corriente en la salida. Este proceso termina cuando la potencia suministrada es igual a la potencia de carga solicitada. Si el aumento de potencia de carga supera la capacidad de potencia del convertidor (que se puede ajustar usando R lim), el voltaje en el pin de retroalimentación se eleva de forma continua, pero la corriente de drenaje está limitada a un valor fijo, valor de limitación de corriente. Cuando el voltaje de pin de realimentación supera VFB lin (3,3 V típico), U7 asume que es un estado de advertencia de una condición de sobrecarga de salida. Antes de parar el sistema, el dispositivo espera un tiempo fijado por el condensador presente en el terminal de retroalimentación. Cuando la tensión en el pin de realimentación supera VFB lin, un circuito interno lo desconecta y el pin arranca con 3 μA de corriente, que carga el condensador conectado al mismo terminal de retroalimentación. Cuando el voltaje de la realimentación alcanza el umbral VFB olp (4,8 V típico.), El MOSFET de potencia detiene la conmutación y no se le permite cambiar de nuevo a la conducción, hasta que la tensión VDD cae por debajo de VDD RESTART (4,5 V típico.). La forma de onda siguiente se muestra el comportamiento de la convertidor cuando se cortocircuita la salida. — Figura 21 Salida en cortocircuito Cortocircuito en este punto
Operación normal
Retardo en la sobrecarga
Si no se elimina el cortocircuito, el sistema comienza a funcionar en modo de auto reiniciar automático. El comportamiento cuando un corto circuito se aplica de manera permanente en la salida, es durante un corto período de tiempo en el que el MOSFET está conduciendo, el convertidor intenta entregar a la salida de la mayor cantidad de energía posible y con un período mayor cuando el dispositivo no está conduciendo y no hay energía procesada. Sí el ciclo de trabajo del suministro de energía es muy bajo (alrededor de 2%), entonces el rendimiento de potencia media también es muy bajo.
Protección contra cortocircuitos en el bobinado El U7 está provisto de un primer nivel ajustable de limitación de sobre-corriente, que desconecta el MOSFET de potencia si se supera este nivel . Esta limitación actúa ciclo por ciclo y su principal objetivo es limitar la potencia de salida máxima. Un segundo nivel de protección de sobre-corriente, también está presente y en este caso se fija a 600 mA ( valor típico ). Si la corriente de fuga supera este segundo umbral OCP (protección contra sobre-corriente), el dispositivo entra en un estado de alerta. Si en el siguiente ciclo de la corriente de drenaje va más alto que el segundo nivel de protección de sobre-corriente, o un cortocircuito en el secundario del transformador, la protección impide que el MOSFET funcione. Con el fin de permitir que el MOSFET de potencia vuela a funcionar de nuevo , el voltaje VDD tiene que ser reiniciado, lo que significa que VDD tiene que bajar hasta VDD RESTART y a continuación, subir hasta VDD ON. Cuando el U7 se conecta de nuevo (VDD es igual VDD ON ) , el MOSFET puede reiniciarse. Si la causa del exceso de corriente, está permanentemente presente , el dispositivo entra en el modo de auto reiniciar. Las Figuras 23 y 24 muestran el comportamiento del sistema durante estas pruebas .
Figura 22 Funcionamiento con la salida cortocircuitada
Figura 23 Protección OCP
azul claro purpura verde
En la Figura 23 muestra, cuando la fuente está trabajando a plena carga con un voltaje de entrada de 115 VAC, y el bobinado secundario se ha cortocircuitado. Después de dos ciclos de conmutación, el sistema de funcionamiento continuo con corrientes elevadas en el primario, así como en los devanados secundarios, se detiene . Figura 24 Funcionamiento con el secundario en cortocircuito
amarillo azul claro verde
Protección contra sobretensión de salida La tensión creada, en el bobinado auxiliar durante el tiempo que el MOSFET está abierto, a través del diodo D2 y el divisor de resistencia R3 y R14 (ver Figura 25), el pin CONT de la U7, permite la aplicación de la protección contra sobretensiones de la salida. Si el voltaje en el pin CONT supera los umbrales VOVP (3 V típica.), detecta que, existe una sobretensión y el dispositivo se para. Para volver a habilitar el funcionamiento, el voltaje VDD tiene que ser reiniciado. Con el fin de proporcionar una inmunidad al ruido y evitar que los picos de ruido disparen erróneamente la protección, se ha implementado, un filtro digital. En el pin CONT tiene que existir, una tensión más alta de VOVP durante cuatro ciclos consecutivos antes de que se detenga el funcionamiento.
El valor de la tensión de salida cuando la protección se dispara, puede ser fijado seleccionando adecuadamente el divisor de resistencia R2 y R14. una vez la R2 seleccionada y considerando el valor de la potencia máxima que el convertidor tiene que gestionar, el valor del R14 tiene que ser calculado, de acuerdo con la siguiente fórmula.
La protección puede que ser verificada, desconectando el acoplador óptico de la retroalimentación y la corriente del convertidor con una carga mínima en su salida. De esta manera, el convertidor funciona en la condición de bucle abierto y proporciona la potencia máxima. El exceso de energía con respecto a la carga, la capacitancia de salida , el aumento de la tensión de salida hasta que el OVP se ha disparado hace que el convertidor deje de funcionar. En la Figura 26 muestra, los aumentos de tensión de salida como consecuencia del exceso de potencia y la tensión de salida alcanza el valor de 16 V cuando el MOSFET de alimentación deje de conmutar. En Figura 27 se muestra, la tensión del pin CONT y su corriente de drenaje y la tensión de salida, hasta que el disparo de la protección contra sobretensiones .
Figura 26 Protecci贸n OVP
Figura 27 Detalle de la protecci贸n OVP
Mediciones EMC Mediciones del cumplimiento de la normativa europea EN55022 (Clase B) Figura 35 Medidas del EMI con 115 Vac
Figura 36 Medidas del EMI con 230 Vac