В последнее время во всем мире растет интерес к уменьшению потребления электроэнергии. Из двух путей снижения энергопотребления первым является рациональное использование энергии. Этот путь требует принятия обществом осознанных решений, тогда как второй - повышение КПД - это чисто техническая задача, понятная конечному пользователю. Снижение потерь электроэнергии - не самоцель, а, скорее, средство повышения эффективности системы и снижения затрат.

Имея многолетний опыт в области силовой электроники, компания ON Semiconductor играет активную роль в борьбе за снижение энергопотребления. В 80-е годы на рынке появилось семейство ИС UC384X - надежные контроллеры для импульсных преобразователей (SMPS-контроллеры). В то время вопрос экономии электроэнергии не стоял так остро, и типовой источник питания на базе схемы UC384X потреблял 10 Вт в режиме ожидания. Ранее компания ON Semiconductor представила удачное семейство MC4460X, назначением которого было существенное снижение потребляемой мощности бытовых устройств в режиме ожидания. В настоящее время ON Semiconductor предлагает полупроводниковые компоненты для построения надежных и дешевых источников питания с низким энергопотреблением (ниже 300 мВт).

Источники потерь электроэнергии, и что с этим делать? 

В электронном оборудовании потери энергии делятся на две основные категории: потери в режиме ожидания (до 25%) и активные потери. Потери в режиме ожидания возникают, когда питание оборудования «выключено», но рассеиваемая мощность все равно присутствует, а активные потери возникают из-за неэффективности процесса преобразования энергии, обычно в источниках питания.

В качестве одного из наиболее успешных проектов по энергосбережению можно привести программу ENERGY STAR®, реализованную в США. Она направлена на продвижение более эффективных продуктов и побуждает потребителей покупать именно их.

Другой источник скрытых потерь лежит в гигантском количестве электроприборов, которые остаются включенными в розетки, не выполняя своих функций. Специальный термин «утечка электричества» характеризует устройства, которые пользователи оставляют включенными в режиме ожидания. Если все эти малые потери уменьшить или даже полностью устранить, можно было бы получить существенную экономию энергии.

Движущие силы 

Современная энергетика сталкивается со многими проблемами, обусловленными следующими факторами:

• Области применения регулирования электроэнергии становятся все более обширными. Эти сферы требуют повышения КПД преобразователей электропитания во всех режимах. Например, в соответствии с требованиями американской программы Energy Star потери мощности внешних источников питания в режиме ожидания не должны превышать 0,5Вт, а КПД должен быть не ниже 80%.
• Повышение требований к уровню гармонических искажений. Стандарт IEC 1000-3-2 является обязательным к применению в странах ЕС и Японии, а также используется во многих других странах на добровольной основе. Именно этим фактом обусловлено применение корректоров коэффициента мощности (ККМ) во входных каскадах импульсных источников питания.
• Увеличение удельной мощности, поскольку конечные потребители хотят получить большую функциональность при миниатюрных размерах устройств.
• Уменьшение периода от начала разработки изделия до выхода его на рынок требует модульного подхода к разработке электрических систем.

Чем сильнее три первых фактора, тем ниже способность традиционных топологий соответствовать этим требованиям. Однако разработчики не в состоянии полностью использовать преимущества новых подходов из-за необходимости уменьшения времени разработки. Предоставляя современную элементную базу и средства разработки, компания ON Semiconductor тем самым минимизирует временные затраты на производство конечного продукта.

Появление альтернативных топологий позволяет решать широкий спектр задач и при этом соответствовать новым требованиям. Причина, по которой эти топологии являются более подходящими, заключается в оптимизации всех элементов системы питания (трансформаторы, катушки индуктивности, силовые ключи, выпрямительные диоды, демпфирующие цепи и т.д.).

Топологии для повышения
эффективности

 Рассмотрим более подробно две топологии импульсных преобразователей, применяемые в среднем диапазоне мощностей. Это прямоходовой импульсный преобразователь на основе топологии active clamp и несимметричный полумостовой преобразователь. Оба этих подхода обладают достоинствами и обеспечивают высокое значение КПД по сравнению с традиционными топологиями, но выбор того или другого зависит от конкретной задачи. Импульсный преобразователь на основе топологии active clamp является модификацией прямоходового преобразователя.

Основные достоинства данной топологии:

• Широкий диапазон входных напряжений.
• Значение рабочего цикла может превышать 50%. Этот факт позволяет оптимально подобрать ток первичной стороны.
• Уменьшение потерь при переключении транзисторов. Минимальные потери достигаются при «мягком» переключении полевых транзисторов.
• Применение синхронного выпрямителя. Наличие синхронного выпрямителя уменьшает потери в выходном каскаде импульсного преобразователя.

При реализация источника питания на основе топологии active clamp возникают следующие проблемы:

• Выбор элементной базы;
• Предварительный расчет трансформатора;
• Точный временной контроль за переключением силового и вспомогательного транзистора;
• Контроль значения рабочего цикла;

Эти проблемы можно решить с помощью специализированного контролера NCP1562 (рис. 1). Для оптимизации времени разработки компания ON Semiconductor предлагает отладочный комплекс на основе котроллера NCP1562.

Рис. 1. Общий вид ШИМ-контроллера NCP1562

Семейство NCP1562x - это семейство контроллеров, предназначенных для разработки DC/DC-преобразователей c высоким значением КПД и минимальным количеством элементов (рис. 2).

Рис. 2. Высокоэффективный блок питания ATX мощностью 305 Вт, базовая схема

Контроллеры этой серии формируют два синфазных сигнала управления. Для предотвращения одновременного переключения силовых ключей в контроллере предусмотрена задержка, величина которой определяется номиналом внешнего резистора (минимальное значение задержки составляет 20 нс). Рекомендации по выбору задержки приводятся в фирменном описании контроллера. Наличие задержки также необходимо для «мягкого» переключения. Сигнал OUT1 предназначен для управления основным силовым ключом. Сигнал OUT2 предназначен для управления вспомогательным транзистором, а также синхронным выпрямителем во вторичной стороне преобразователя или вторым силовым ключом в случае несимметричного полумостового преобразователя.

Перечислим основные функциональные возможности контроллеров: ограничение рабочего цикла (максимальное значение рабочего цикла 85%), мониторинг пониженного и повышенного значения входного напряжения, регулируемая задержка, плавное выключение в случае возникновения неисправности, регулируемый плавный пуск, мониторинг тока, фиксированная частота преобразования.

Применение несимметричного полумостового преобразователя позволяет исключить выходной дроссель, что значительно удешевляет готовый источник питания. Отметим еще несколько преимуществ этой топологии:

• Максимальное значение падения напряжения на ключевых транзисторах равно входному напряжению преобразователя;
• Минимальные потери при переключении транзисторов;
• Удобное управление переключением силовых ключей.

Однако до реализации данной топологии необходимо решить следующие задачи:

• Выбор рабочего диапазона частот;
• Выбор элементной базы;
• Выполнить предварительный расчет магнитных компонентов (трансформатор, дроссель ККМ).

Для оптимизации времени разработки компания ON Semiconductor предлагает применить готовые контроллеры NCP1395x/NCP1396 (рис. 3), а также отладочные комплекты на их основе.

Рис. 3. Общий вид резонансного контроллера NCP1395

В составе контроллера NCP1395A/B есть все необходимое для построения надежного и компактного резонансного источника питания (рис. 4). Его уникальная архитектура включает генератор, управляемый напряжением с рабочей частотой 1 МГц, режим управления которого дает необходимую гибкость в случае использования функции ORing, например, в схемах с несколькими линиями обратной связи. Защита с различными значениями времени реакции, например, при немедленном выключении или выключении по таймеру, при падении напряжения, при размыкании оптопары и т.д., способствует разработке более безопасного преобразователя без излишней схемотехнической сложности. Регулируемое время запаздывания сигнала также помогает снизить токовые всплески при повышении частоты преобразования.

Рис. 4. Источник питания ЖК-телевизора мощностью 220 Вт, базовая схема с применением преобразователей NCP1396 и NCP1605

ИС NCP1396 A/B включает генератор частоты 500 кГц, управляемый напряжением. Благодаря запатентованной высоковольтной технологии к контроллеру можно подключить напрямую силовые ключи. Максимальное падение напряжения на силовом ключе не должно превышать 600 В. Наличие данной особенности значительно упрощает реализацию схемы управления преобразователя и уменьшает затраты.

Без понимания конкретного применения однозначно ответить на вопрос «Какая топология лучше?» нельзя. Однако можно сформулировать несколько предпосылок для выбора топологии. Преобразователь на основе топологии active clamp лучше работает при широком диапазоне входного напряжения. При узких диапазонах входного напряжения и нагрузки оптимальным выбором является резонансный преобразователь на основе несимметричного полумоста, особенно в случае высокого выходного напряжения.

Наконец, выбор топологии зависит от разработчика, учитывающего такие факторы, как собственный опыт разработки, цена/доступность элементной базы и время, отведенное на проект. Необходимо отметить, что степень сложности этих топологий выше, чем у традиционных. В результате многие разработчики после первой попытки прекращают использование новых методов, так как не имеют времени на оптимизацию проектов. Однако при надлежащей технической поддержке эта задача упрощается, и многие разработки с применением новых топологий были запущены в производство без дополнительных затрат.

Корректор коэффициента мощности 

Помимо пониженного энергопотребления в режиме ожидания и высокого значения КПД в активном режиме также необходимо соответствие стандарту 80 PLUS®. В большинстве стран источники питания мощностью свыше 75 Вт должны соответствовать этому стандарту. В импульсных источниках питания это требование обычно выполняется при помощи включения в схему предварительного регулятора - корректора коэффициента мощности, приводящего форму входного тока в соответствие с формой входного напряжения. Это сводит к минимуму уровень входных гармоник, снижает среднеквадратичное значение входного тока и уменьшает затраты поставщиков электроэнергии.

Компания ON Semiconductor была одним из первых разработчиков, представивших контроллеры для корректоров коэффициента мощности. Двадцать лет назад микросхемы MC33261 и MC33262 фактически были первыми в данной области. В январе 2001 г. Европейским сообществом полностью принят стандарт IEC1000-3-2, запрещающий применять оборудование, не оснащенное схемами ККМ, если его потребляемая мощность превышает 75 Вт.

В последнее время компания ON Semiconductor, стремящаяся к продвижению технологий рационального энергопотребления во всем мире, представила несколько новых ККМ - контроллеров, среди которых контроллером NCP1653 устанавливаются новые эксплуатационные стандарты. Однокаскадные ККМ - контроллеры соответствуют требованиям компактности и низкой стоимости. Контроллер NCP1651 работает в режиме непрерывных токов, обеспечивая превосходные значения коэффициента мощности.

NCP1651 - контроллер для разработки активного корректора коэффициента мощности, который предназначен для работы в системах питания с широким диапазоном входного напряжения (~85...265 В) и частотой 50/60 Гц. Он является экономичным решением для построения изолированных AC/DC-преобразователей со средним и высоким выходным напряжением и соответствует требованиям к гармоническим искажениям IEC1000-3-2 для импульсных преобразователей, работающих в диапазоне мощности 50...250 Вт. Контроллеры серии NCP1651 работают на фиксированной частоте преобразования. На основе этой микросхемы можно реализовать корректор коэффициента мощности, работающий в режиме непрерывных или разрывных токов. Выделенные особенности позволяют получить высокое значение коэффициента мощности и ограничить значение пускового тока, а также упростить схему входного фильтра ЭМП.  

NCP1653 - контроллеры ККМ этой серии могут работать только в режиме непрерывных токов. Компания ON Semiconductor выпускает два варианта NCP1653A и NCP1653, которые работают на частотах преобразования 67 и 100 кГц соответственно. Эта продукция выпускается в корпусах DIP-8 или SO-8.

Заключение

 Энергопотребление электронного оборудования привлекает к себе все больше внимания. Разработчики силовой электроники могут сыграть свою роль в снятии остроты этой проблемы. Как сказано в статье, решения, находящиеся в разработке, будут развиваться быстрее в тесном сотрудничестве с производителями конечного оборудования, поставщиками электроэнергии и предприятиями по производству полупроводников. Помощь регулирующих органов (например, Energy Star) и отраслевых органов (например, PSMA) является необходимым ускорителем, а результаты исследований, проводимых научным сообществом, являются почвой для решения практической задачи энергосбережения.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: analog.vesti@compel.ru