Сергей Миронов (КОМПЭЛ)
Применяя ШИМ-контроллеры, микросхемы запуска и компактные трансформаторы Mornsun, можно в два раза сократить высоту, занимаемую DC/DC-преобразователем на печатной плате, а также сохранить КПД и основные технические характеристики готового преобразователя при сниженной стоимости.
Источники питания, а именно – импульсные AC/DC-преобразователи различного уровня мощности и функциональности, содержатся практически во всех радиоэлектронных устройствах. Причем для подавляющего большинства таких устройств требуются простые и надежные источники питания небольшой мощности (от единиц до десятков ватт), от которых необходимо получить определенное напряжение при минимальной функциональности и стоимости при соответствующем уровне безопасности.
Совместно с AC/DC-преобразователями в изделиях промышленной автоматизации, приборах учета энергоресурсов, телекоммуникационных устройствах широко применяются и DC/DC-преобразователи для питания изолированных интерфейсов типа RS-232/485, CAN-шины или для получения дополнительных изолированных или неизолированных уровней напряжения из имеющегося основного. Причем, если мы рассматриваем изолированные преобразователи, то для различных устройств требуется обеспечить определенную соответствующими правилами безопасности электрическую прочность изоляции, как правило, в диапазоне 1000…6000 В DC.
У разработчика подобных изделий есть выбор: использовать готовые модульные преобразователи и тем самым упростить себе жизнь или полностью разработать собственную схему электропитания всего устройства. Выбирая второй путь, можно достичь оптимальных технических параметров схемы и конструкции изделия в целом, а также получить положительный экономический эффект, поскольку исключаются расходы на готовый источник питания, причем этот эффект будет тем выше, чем выше серийность изделия. Однако не все разработчики выбирают второй путь, мотивируя это сложностью схемы и возможными последующими трудностями с отладкой, а также проблемами с безопасностью, надежностью и ЭМС.
Для преодоления этого стереотипа разработчику важно иметь готовый набор основных компонентов, простых отработанных схемотехнических решений на основе этих компонентов (референс-дизайнов), быть уверенным в наличии отладочных плат. Желательно, чтобы все это было бы представлено продукцией одного производителя.
На отечественном рынке представлены различные производители готовых источников питания, но таких, которые, имея опыт производства законченных модульных источников питания, предлагали бы и все необходимое для разработки и производства собственных AC/DC- и DC/DC-преобразователей, практически нет. Однако из каждого правила есть исключения: таким производителем является компания Mornsun.
Mornsun наряду с готовыми источниками питания поставляет и отдельные компоненты, такие как микросхемы ШИМ-контроллеров, трансформаторы, микросхемы запуска (startup), отладочные платы, а также необходимую сопутствующую информацию для исследования и разработки собственных AC/DC- и DC/DC-преобразователей. Плюс ко всему, компания оказывает хорошую техническую поддержку с возможностью выезда специалиста для решения возникших вопросов на месте.
Компания Mornsun на российском рынке известна прежде всего как производитель широкого ряда модульных AC/DC- и DC/DC-преобразователей, устанавливаемых на печатную плату. Но реальный спектр ее продукции существенно шире. Наиболее полная линейка продукции Mornsun изображена на рисунке 1. Здесь, кроме источников питания, мы видим модули и микросхемы популярных интерфейсов, различные аксессуары для источников питания, а также микросхемы и трансформаторы для построения источников питания и DC/DC-преобразователей.
Почему, выбирая компоненты Mornsun для собственного источника питания или DC/DC-преобразователя, можно получить экономическую выгоду по сравнению с аналогичными компонентами других производителей? Дело в том, что микросхемы для построения AC/DC- и DC/DC-преобразователей являются собственной разработкой компании и отличаются внутренней схемотехникой от аналогичных микросхем других производителей. Кроме того, стоимость этих микросхем ниже, чем стоимость подобных микросхем других производителей. Схемотехника микросхем Mornsun оптимизирована для снижения количества внешних компонентов в конечном изделии. То есть при разработке мы экономим непосредственно на основных и дополнительных компонентах, а так же на стоимости работ по монтажу, при этом не снижая надежности устройства.
Компания обладает множеством патентов на интеллектуальную собственность (>600), имеет отделения в Америке, Германии и широкую дистрибьюторскую сеть во многих странах мира. Ее продукция применяется в телекоммуникации и связи, на транспорте, в энергетике, в системах промышленной автоматизации, в нефтегазовой отрасли и в медицине. Ее используют такие промышленные гиганты как General Electric (GE), Honeywell, Emerson, Siemens, ABB, что подтверждает надежность и качество производимого товара.
Семейство интегральных микросхем Mornsun включает в себя микросхемы контроллеров для построения AC/DC-преобразователей мощностью 0,1…60 Вт, DC/DC-преобразователей мощностью 0,1…40 Вт, микросхемы запуска и трансформаторы на определенную мощность и выходное напряжение для использования совместно с этими микросхемами. Основные компоненты, о которых пойдет речь в данной статье, показаны на рисунке 2.
ШИМ-контроллеры и микросхемы запуска для AC/DC-преобразователей
В линейке микросхем управления питанием для AC/DC-преобразователей представлены ШИМ-контроллеры SCM1702A, SCM1703A и SCM1710A, которые реализуют обратноходовую схему преобразования. Первая микросхема реализует схему с обратной связью на первичной стороне, вторая – по вторичной цепи (вторичная обмотка трансформатора). Обе микросхемы имеют встроенный MOSFET-транзистор и применяются в AC/DC-преобразователях с выходной мощностью до 5 Вт. Последняя микросхема является ШИМ-контроллером с обратной связью по вторичной цепи и используется в источниках питания мощностью 5…60 Вт. Все эти микросхемы имеют частоту преобразования 110 кГц.
На ШИМ-контроллере SCM1702A можно построить AC/DC-преобразователи с диапазоном входного напряжения 85…264 В при выходной мощности до 5 Вт. Данная микросхема оснащена встроенным силовым MOSFET-ключом с максимальным напряжением 650 В и высоковольтной схемой запуска, это позволяет упростить схему и снизить стоимость тракта питания устройства. Для отслеживания изменения выходного напряжения и его соответствующей коррекции используется дополнительная обмотка связи. Такая схема включения обеспечивает необходимую стабильность выходного напряжения.
Микросхема SCM1702ASA может широко применяться в устройствах, не требующих высокой точности напряжения, но требовательных к стоимости, а также в малогабаритных приборах, например, в адаптерах и других устройствах гражданского и коммерческого назначения с невысокими требованиями к ЭМС. Типовая схема включения данной микросхемы приведена на рисунке 3.
Микросхема SCM1703A – контроллер вторичной обмотки обратноходового AC/DC-преобразователя. Указанный ШИМ-контроллер имеет такой же диапазон входного напряжения переменного тока, как и предыдущий – 85…264 В, и так же оснащен встроенным MOSFET-транзистором с напряжением 650 В и схемой высоковольтного старта до 700 В. Контроллер является высокоинтегрированной микросхемой, обеспечивающей повышенную точность выходного напряжения, и может применяться в бытовых или промышленных источниках питания.
Типовая схема включения микросхемы SCM1703A приведена на рисунке 4.
Для обеспечения обратной связи по напряжению используется оптронная связь, посредством которой регулируется частота переключений внутреннего MOSFET-транзистора. Этим достигается высокая стабилизация выходного напряжения.
На рисунке 5 изображена типовая схема включения микросхемы SCM1710A. Эта микросхема представляет собой высокоинтегрированный ШИМ-контроллер, предназначенный для применения в преобразователях мощностью 5…60 Вт с улучшенными характеристиками. Его особенностями являются необходимость во внешнем MOSFET-транзисторе, более высокая точность выходного напряжения и наличие цепи обратной связи.
Оптронная связь используется для контроля над изменением выходного напряжения. Сигнал обратной связи подается на контроллер, изменяющий соответствующим образом частоту переключения внешнего MOSFET-транзистора для стабилизации выходного напряжения.
На рисунке 5 мы уже видим применение дополнительной микросхемы Mornsun – SCM9601, которая является пусковым контроллером и обеспечивает высокий стартовый ток при малых стоимости и размере корпуса (SOT23). Длительность пуска высоковольтного источника питания задается внешней цепью. Имеется ограничение заряда входного напряжения VDD. Можно последовательно соединять пусковые микросхемы SCM9601 и SCM9602, как показано на рисунке 6. Подобное включение позволяет расширить диапазон входного напряжения до 1400 В.
Указанные микросхемы обеспечивают необходимый стартовый ток для контроллера и упрощают схему устройства. После того как контроллер преобразователя запустится, пусковая микросхема выключится для экономии энергии.
ШИМ-контроллеры для DC/DC-преобразователей
Для DC/DC-преобразователей у компании Mornsun также имеется несколько микросхем, на основе которых можно собрать простые и недорогие изолированные и неизолированные преобразователи в широком диапазоне мощности как на фиксированное входное напряжение (нестабилизированные), так и стабилизированные с широким входом 4:1 (до напряжения 75 В). Это микросхемы SCM1201A, SCM1212A и SCM1101A, на которых можно реализовать изолированные преобразователи, а также микросхемы SCM1301A и SCM1316A, предназначенные для неизолированных схем питания (из-за ограниченного объема настоящей статьи последние не рассматриваются).
Особый интерес представляют микросхемы SCM1201A, SCM1212A для создания простого и недорогого, но функционально насыщенного изолированного DC/DC-преобразователя. Обе микросхемы обладают одинаковым функционалом, но выполнены в корпусах с различной цоколевкой: SCM1201A в корпусе SOT23-6, SCM1212A в корпусе SOT23-5 (полный аналог микросхемы TI SN6501, только дешевле в несколько раз). Типовая схема включения обеих микросхем приведена на рисунке 7, а блок-схема – на рисунке 8. На данном рисунке показана блок-схема SCM1201A, а блок-схема SCM1212A аналогична.
Указанные микросхемы предназначены для создания наиболее популярных изолированных нестабилизированных DC/DC-преобразователей мощностью 1 Вт с фиксированным напряжением 5/5 В.
В данных микросхемах используется двухтактная схема с независимым генератором и дополнительно интегрированными цепями защиты выхода от КЗ, мягким стартом и защитой от перегрева. Причем защита от КЗ носит длительный характер. Кроме того, DC/DC-преобразователь, собранный на этих микросхемах, обладает увеличенной до 10 раз допустимой емкостной нагрузкой (до нескольких тысяч мкФ) и малым значением потребляемого тока на холостом ходу.
Типовая схема включения имеет минимальное число компонентов, характеризуется высокой повторяемостью и надежностью, при этом обладает минимальной стоимостью. Данная микросхема применяется в модульных DC/DC-преобразователях Mornsun нового поколения R3.
Если требуется реализовать схему более мощного (5…30 Вт) изолированного DC/DC-преобразователя с широким диапазоном входного напряжения, можно обратить внимание на микросхему SCM1101A. Типовая схема включения приведена на рисунке 9.
Контроллер требует малого количества дополнительных компонентов, привлекателен по стоимости, имеет высокую надежность, обладает всеми необходимыми функциями и отличной производительностью.
Для подобных мощных преобразователей часто применяется ШИМ-контроллер типа SG6840. Применение ШИМ-контроллера Mornsun позволяет существенно сократить и упростить схему, что снижает общую стоимость решения и повышает надежность системы питания.
Трансформаторы для AC/DC- и DC/DC-преобразователей
Необходимой составляющей рассмотренных преобразователей являются трансформаторы, которые, помимо трансформации напряжения, обеспечивают еще и требуемую электробезопасность (электрическую прочность изоляции «вход-выход»). Для максимальной эффективности характеристики трансформаторов должны быть согласованы с характеристиками используемых микросхем по основным параметрам. Часто бывает, что изготовление трансформаторов возлагается на потребителя или на стороннего производителя, что несет некоторые риски. Компания Mornsun предлагает к собственным ШИМ-контроллерам и собственные трансформаторы. Кроме того, возможно изготовление трансформаторов с нестандартными параметрами под заказ.
В таблице 1 приведены сочетания трансформаторов и микросхем для построения схем питания на наиболее популярные значения мощности и выходного напряжения. Приведенный в таблице перечень — неполный. Наиболее полный список возможных трансформаторов можно найти на сайте производителя. Трансформаторы, в зависимости от мощности, изготавливаются или для поверхностного монтажа, или для монтажа в отверстие.
В таблицах 2 и 3 приведены некоторые основные параметры трансформаторов, в частности мощность, электрическая прочность изоляции и тип монтажа.
Рассмотрим подробней трансформаторы для DC/DC-преобразователей на микросхемах SCM1201A и SCM1212A.
Таблица 1. Сочетание микросхем и трансформаторов
В настоящий момент имеется несколько трансформаторов в SMD-исполнении с изоляцией 1650, 3000 (2 разновидности трансформаторов), 4250, и 6000 В: TTB0505-1T, TSHT5.8-01 и CTTF0505-1T, CTTFB0505-1T и CTTH0505-1T соответственно. Применяя данные микросхемы в сочетании с любым из представленных трансформаторов, вы можете собрать очень простой изолированный DC/DC-преобразователь 5/5 В мощностью 1 Вт. Например, высота SMD-трансформатора TTB0505-1T — всего 3,6 мм, а высота аналогичного готового DC/DC-преобразователя в самом компактном корпусе SMD-8 составляет 7,25 мм. В итоге, сочетание этих отдельных компонентов вместо готового преобразователя поможет в два раза уменьшить высоту, занимаемую преобразователем на печатной плате, что очень важно для компактных плоских устройств. При этом полученный DC/DC-преобразователь будет обладать хорошей функциональностью и техническими характеристиками при пониженной стоимости, по сравнению с модульными решениями любых производителей.
Таблица 2. Основные параметры трансформаторов для AC/DC
Таблица 3. Основные параметры трансформаторов для DC/DC
Заключение
Помимо рассмотренных микросхем ШИМ-контроллеров, микросхем запуска и трансформаторов, компания Mornsun выпускает готовые отладочные платы для исследования и отладки AC/DC- и DC/DC-преобразователей на рассмотренных компонентах и предоставляет полную техническую и информационную поддержку. Все это в итоге существенно облегчает разработку собственной схемы питания устройства и помогает снизить его стоимость. Выбрав компоненты Mornsun для изготовления собственного источника питания и приложив некоторые усилия, можно быть уверенным, что это решение обязательно будет реализовано с коммерческой выгодой.