magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 51 reszMivel a mobiltelefonok éves eladási számai már megközelítik a kétmilliárd darabot, a mobiltelefonok töltőinek mérete, ára és hatásfoka megérdemli az alapos vizsgálatot. Például az Amazon és az Apple új kritériumrendszert dolgozott ki a mobiltelefonok töltőinek méretére és esztétikai követelményeire, és a kisteljesítményű töltők áramköri veszteségeinek és árának csökkentésére törekszik. Ezt a célt fejlett áramköri topológiával és ügyesebb szabályozási módszerek kidolgozásával lehet elérni.

 

Az 5…10 W-os teljesítménytartományban a legnépszerűbb topológia a nem folytonos üzemű flyback-megoldás. Ez viszont továbbfejleszthető kvázirezonáns működésű flyback-áramkörré, amely a kapcsolási veszteségek bizonyos csökkenésével jár. A hagyományos, nem folytonosüzemű flyback-áramkörnél a kapcsolási frekvencia állandó, és a vezérlő integrált áramkör egyszerűen a teljesítménytranszformátor csúcsáramát állítja be. Ez állandó mennyiségű energiát képvisel, amelyet az áramkör a terhelés felé továbbít a kapcsolási ciklusok során. A teljesítménykapcsoló nyelőelektródáján mérhető hullámformát az 1. ábra mutatja. A töltési időszakban (amely a teljes kapcsolási periódusnak az a része, amikor a jel nulla feszültségű), az energia a primer tekercs induktivitásában tárolódik.

ti1

1. ábra A kvázirezonáns flyback-áramkör a nyelőfeszültség minimumpontjánál kapcsolja be a kapcsolófetet a feszültség négyzetével arányos veszteség minimalizálása érdekében


Amikor a teljesítménykapcsoló kikapcsol, az energia átjut a szekunder oldalra, ahol az a kimeneti kondenzátorban tárolódik, és kiszolgálja a terhelés energiaigényét. Ha a teljesítménytranszformátor már demagnetizálódott, a kapcsolófet nyelőelektróda-feszültsége a bemeneti feszültség környékére esik vissza és akörül leng. A hagyományos megközelítésnél a kapcsolófet a következő kapcsolási intervallumban kapcsolódik be ismét, a kapcsolófet nyelőelektróda-feszültségének értékére való tekintet nélkül. Ez felvehet egy minimális vagy egy maximális értéket, vagy valahol a kettő között. Ez a feszültség, amely a kapcsolási veszteséggel függ össze, gyakran okoz két- vagy háromszázaléknyi teljesítményveszteséget. A kvázirezonáns flyback-áramkörök azzal minimalizálják a kapcsolási veszteséget, hogy csak akkor kapcsolódik be a kapcsolófet, ha a nyelőfeszültség minimális értéken van (völgyfeszültség).

ti2

2. ábra A primer csúcsáram szabályozása és a frekvenciamoduláció növeli a hatásfokot a különböző terheléstartományokban


Az újabb vezérlési módszerek az egyszerű völgyponti kapcsolásnál többet is tudnak. A 2. ábra azt mutatja, hogyan változik két fontos paraméter, a kapcsolási frekvencia és a primer csúcsáram, miközben különböző terheléseknél szabályozza a kimeneti feszültséget. Teljes terhelésnél a tápegység maximális csúcsárammal és maximális kapcsolási frekvenciával működik. Amint a terhelés csökken, a kapcsolási frekvencia is csökken. Mivel mind a kimenőteljesítmény és a kapcsolási veszteség is közvetlen összefüggésben van a tápegység kapcsolási frekvenciájával, ebben az üzemmódban nagyjából állandó a hatásfok. Vegyük észre, hogy a völgyponti kapcsolás miatt a kapcsolási frekvencia nem állandó.
A teljesítményfet bekapcsolási pontja az egyik völgyponttól a másikig ugrik egy olyan átlagos kapcsolási frekvenciát eredményezve, amely az 1. ábrán is látható. A hallható működési zaj korlátozza, milyen alacsony kapcsolási frekvenciát lehet választani, ugyanis a tápegység mágneses alkatrészei és a kerámiakondenzátorok hallható működési zajt képesek produkálni, ha a kapcsolási frekvencia a hallható hangok frekvenciatartományába esik. Ezért sok esetben, amikor nem megengedhető, hogy a tápegység kapcsolási frekvenciája 10…20 kHz alá csökkenjen, alternatív szabályozási módszert kell választani. Ez esetben, ha elértük a minimálisan megengedett kapcsolási frekvenciát, a primer tekercs csúcsáramát használjuk fel a kimeneti feszültség szabályozására a kis terhelések tartományában.
A 3. ábra egy tipikus felépítésű, univerzális bemeneti feszültségű, 5 W-os kimeneti teljesítményű töltő áramköri rajzát mutatja. A kapcsolás nagyon egyszerű, nem igényel sem referencia-feszültségforrást, sem optikai csatolót a kimeneti feszültség szabályozásához. Visszacsatolásra a primer előfeszültség-tekercsre „visszatükrözött” kimeneti feszültséget használja. Az 1. ábra, amely a kapcsolófet nyelőfeszültségét mutatja, az előfeszültség és a kimeneti feszültség jelalakjára is vonakoztatható.
Amikor a nyelőfeszültség felugrik, azt a kimeneti feszültség, egy diódafeszültség és a szekunder tekercsen eső feszültség összegének mértéke határozza meg. A nyelőfeszültség értéke lineárisan csökken, amint az induktivitásban felhalmozott mágneses energia lecsökken a kimenő diódán folyó áram következtében. A dióda vezető állapota akkor ér véget, ha ez a feszültség egyenlő az előfeszültség-tekercsen „visszatükrözött” kimeneti feszültség és egy diódafeszültség összegével. A visszacsatoló hurok ezen a reflektált feszültségen keresztül záródik, és elfogadható szabályozási toleranciát eredményez (3…5%).

ti3

3. ábra A fejlett vezérlő áramkörök kiküszöbölik az optocsatolót a szekunder feszültség érzékelésénél


Egy további kihívással is szembesülünk, ha az ilyenfajta tápegység feszültségszabályozási minőségét szeretnénk javítani. A töltőre kapcsolt készülék egy kábel végére kapcsolódik, amelyen teljes terheléskor jelentős feszültségesés jön létre. A cikkben tárgyalt megoldásban a vezérlő a teljesítménykapcsoló csúcsáramából következtet a kimenőteljesítmény nagyságára, lehetővé téve, hogy a kimeneti feszültséget a kábelen létrejövő feszültségesésnek megfelelően kompenzáljuk.
A 4. ábra a tápegység fizikai megvalósítását mutatja. A nagyfrekvenciás kapcsolás és a fejlett szabályozási módszer a korábbi faliadaptereknél jelentősen fejlettebb megvalósítást tesz lehetővé. A bemeneti feszültségtartomány egy fix feszültségről kibővült az univerzális bemenet követelményeinek megfelelően. A terheletlen disszipáció 1 W-ról 30 mW alá csökkent. A teljes terhelésnél mérhető hatásfok 50%-ról 80%-ra nőtt diódás egyenirányítással, amely akár 85% fölé is növelhető, ha szinkron-egyenirányítást használunk. Végül pedig a készülék mérete és esztétikai megjelenése is jelentősen javult.

ti4

4. ábra A magas kapcsolási frekvencia és a fejlett szabályozási módszerek minimalizálják az offline mobiltelefon-töltő méretét és veszteségeit


A korszerű áramköri techikák alkalmazásával a mobiltelefon-töltőt újra tudtuk tervezni, amely már nem egy falicsatlakozóba helyezhető ormótlan és nagy fogyasztású készülék, hanem egy „ártatlan” megjelenésű készülékecske, amely alig nagyobb, mint maga a csatlakozódugó. A továbbfejlesztésből adódó energiamegtakaritás is jelentős. Ha kétmilliárd új mobiltelefon üzembe helyezésével számolunk, a megtakarítással tíznél több erőmű működése válik feleslegessé világszerte. Ha érdeklődik néhány új töltőáramkör terve iránt, látogassa meg a www.ti.com/pmp4355-ca, a www.ti.com/pmp7389-ca vagy a www.ti.com/pmp8286-ca weblapokat.

A következő számban megvizsgáljuk, hogyan lehet egyszerűen szimulálni egy tápegység-szabályozóhurok viselkedését.

 

Robert Kollman ‑ Texas Instruments
www.ti.com/power-ca

 

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

40. rész

41. rész

42. rész

43. rész 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

48. rész

49. rész

50. rész

 

 

 

 

 

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.