Teljesítményelektronikai ötletek (51.rész) - Tervezzük újra a mobiltelefon töltőjét

Mivel 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.

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).

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%).

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.

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: