Схемы подключения источников питания с помощью матрицы SMPS
29 марта 2025 0:00
Разработчики электронных продуктов и устройств всегда сталкиваются с необходимостью выбора подходящего источника питания. Поскольку мощность устройств может варьироваться от десятков ватт до нескольких киловатт (кВт), найти соответствующие компоненты может быть непросто.
В условиях тысяч возможных вариантов выпрямителей, контроллеров мощности, переключателей и драйверов вентилей, эта задача может замедлить процесс проектирования, увеличить затраты и нарушить сроки.
Чтобы упростить задачу, можно обратиться к линейке интеллектуальных устройств питания от надежного поставщика и воспользоваться их онлайн-инструментами, которые помогут сделать оптимальный выбор. Например, матрица компонентов импульсного источника питания (SMPS), упорядоченная по областям применения, топологии, устройствам и критическим характеристикам, может значительно ускорить процесс выбора и проектирования.
В данной статье кратко рассматривается конструкция источников бесперебойного питания (ИБП, SMPS). Затем предлагается матрица компонентов SMPS от компании onsemi, которая объединяет мостовые выпрямители, контроллеры, драйверы вентилей и переключатели питания, подходящие для каждого уровня мощности приложения. В статье разъясняются ключевые определения продуктов и приводятся примеры того, как использовать матрицу для упрощения процесса выбора компонентов.
Для работы линейного, или первичного источника питания обычно необходимы: выпрямитель, контроллер коррекции коэффициента мощности (PFC), контроллер мощности, оптрон, драйверы вентилей и выключатели питания.
На вторичной стороне обычно присутствуют: контроллер синхронного выпрямителя (SRC), переключатели синхронного выпрямителя (SR), контроллер USB PD и оптрон.
Рис 1. Показаны основные компоненты типичного SMPS мощностью 100 Вт.
Компоненты для этой конструкции подбираются в соответствии с уровнем мощности. Проектировщики должны определиться с топологией первичной обмотки для работы PFC и управления мощностью, а также с топологией выпрямителя и регулятора вторичной обмотки. После этого они могут приступить к выбору конкретных компонентов.
В этом им помогает SMPS-матричная схема On Semiconductor ( onsemi ), которая предоставляет широкий спектр вариантов для выбора компонентов источника питания (рис. 2).
В матричной схеме SMPS выбор конструкции определяется уровнем мощности и плотностью энергопотребления, которые указаны в первых двух столбцах слева. Самые высокие уровни мощности расположены вверху, а к нижней строке они снижаются. Матрица охватывает диапазон мощностей от 5 Вт до более чем 3 кВт.Удельная мощность — это мощность, приходящаяся на единицу объема. Сверхвысокая удельная мощность позволяет сделать блок питания более компактным по сравнению с использованием упаковки высокой плотности. Альтернативой этим двум вариантам упаковки является низкопрофильная упаковка. Матрица устанавливает уровень напряжения питания, соответствующий уровню мощности.
Каждая запись уровня мощности в матрице содержит от одной до трех строк с рекомендуемыми компонентами, подходящими для выбранных параметров плотности мощности. Эти компоненты включают в себя как первичные, так и вторичные топологии. Записи, помеченные как "Нет", означают, что данная информация не относится к этому конкретному уровню мощности и плотности.
В столбце «Выпрямитель» указаны рекомендуемые компоненты мостового выпрямителя, которые подходят для определенного уровня мощности. В некоторых случаях столбец может быть пустым — это означает, что выпрямительный мост не требуется, так как его функции выполняет другой компонент, например, PFC на тотемном столбе.
Записи «быстрый сегмент» и «медленный сегмент» в полях PFC помогают быстро определить тотемные PFC. Эти PFC оснащены переключателями с медленным сегментом, которые работают на линейной частоте, в отличие от переключателей с быстрым сегментом, работающих на более высокой, типичной частоте переключения.
Матрица предлагает первичную топологию, основанную на желаемом уровне мощности. В ней указаны управляющие устройства с четырьмя распространенными топологиями:
Регулирование напряжения в обратном преобразователе осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая работает на фиксированной частоте переключения.
Конструкция обратного преобразователя ACF использует принцип обратного хода связанной катушки индуктивности для передачи энергии от первичной обмотки ко вторичной. Кроме того, в нём применяется активное устройство, которое разряжает или подключает индуктивность рассеяния связанной катушки индуктивности к конденсатору. Это позволяет минимизировать нагрузку на выключатель питания MOSFET.
В конструкции с обратной связью QR flyback используются паразитные индуктивность и емкость схемы для достижения почти резонансного отклика. Это позволяет включать питание при минимальном напряжении стока, что, в свою очередь, снижает потери при переключении преобразователя. Частота переключения не является фиксированной и зависит от нагрузки.
Преобразователь LLC, с другой стороны, использует полностью резонансный отклик, что обеспечивает истинное переключение напряжения стока при нулевом значении. Он минимизирует потери при переключении даже в условиях холостого хода и идеально подходит для более высоких уровней мощности.
Рекомендуемые контроллеры сгруппированы по определенным диапазонам мощности:
Рис 3: Матрица содержит детальные блок-схемы источников питания постоянного тока (SMPS) для одиннадцати различных конструкций. На соответствующих вкладках представлены пять уровней мощности и плотности, которые можно легко найти и рассмотреть. Изображение предоставлено компанией Onsemi.
Хорошим примером среднего уровня мощности является SMPS-порт USB PD, который может выдавать 100 Вт в секунду, подобно устройству, представленному на структурной схеме на рисунке 1. Если обратить внимание на матрицу, то в строке с уровнем мощности от 70 до 200 Вт можно увидеть, что для этого порта требуется напряжение питания в 100 Вт.
При выборе опции «Высокий» в столбце «Оценка плотности мощности» появляется расширенная матрица, в которой указаны ссылки на все необходимые компоненты (рис. 4).
Рис 4: На этом рисунке изображены выбранные компоненты для высокоплотного блока питания мощностью 100 Вт в расширенной матрице. Зелёные рамки выделяют эти компоненты. (Источник изображения: Onsemi)
Международные правила, особенно в Европейском союзе, предписывают использование PFC (Power Factor Correction) при мощности более 75 Вт. В качестве контроллера PFC рекомендуется ON Semi NCP1623.ON Semi NCP1623 — это компактный boost-контроллер PFC, способный обеспечить мощность до 300 Вт. Он идеально подходит для быстрой зарядки адаптеров питания и модульных компьютерных источников питания, где главными критериями являются экономичность, надежность, высокий коэффициент мощности и КПД.
Для работы с контроллером требуется внешний мостовой выпрямитель. ON Semi предлагает несколько вариантов: GBU6M и GBU6K.
Совместимым переключателем питания PFC является ON Semi NTP125N60S5H — быстродействующий МОП-транзистор, рассчитанный на максимальное напряжение стока к источнику (VDSS) 600 В, максимальный ток стока (ID) 22 А и сопротивление стока к источнику (RDS(ON)) 125 миллиом (Мом).
Для управления первичной панелью мы рекомендуем использовать высокочастотный QR-контроллер onsemi NCP1343 с обратной связью. Этот контроллер идеально подходит для адаптеров переменного/постоянного тока и источников питания с открытой рамой, поскольку он включает в себя все необходимые компоненты, необходимые для современных систем SMPS. Он совместим с выключателем питания NVD260N65S3, который рассчитан на напряжение 650 В/с, имеет идентификатор 12 А и RDS (ВКЛ.) 260 Мом.
На вторичной стороне источника питания мы рекомендуем использовать драйвер синхронного выпрямления onsemi NPC4307. Этот драйвер обеспечивает эффективное синхронное выпрямление, особенно в сочетании с МОП-транзисторным переключателем onsemi NTMFSC010N08M7, который рассчитан на 80 В/с, 61 А ID и RDS (ON) 10 Мом.
Завершающим и не менее важным этапом проектирования является выбор контроллера USB PD. Этот контроллер отвечает за управление оптроном на вторичной стороне адаптера переменного тока в постоянный или регулятора мощности порта постоянного тока.
Согласно матрице, на выходе блока питания установлен контроллер протокола onsemi FUSB15101 PD3.0 с поддержкой USB-программируемого источника питания (PPS). В его основе лежит N-канальный MOSFET onsemi NTTFS4C02NTAG, рассчитанный на скорость 30 В/с и ток 164 А ID. Его RDS (ВКЛ.) составляет 2,25 Мом при 10 В и 3,1 Мом при 4,5 В.
Полученный источник питания, доступный в виде оценочной платы onsemi NCP1343PD100WGEVB (рис. 5), предлагает диапазон выходного напряжения от 3,1 В до 21 В. Его средний КПД составляет 92% при напряжении 115 В или 230 В переменного тока. Он заключен в корпус размером 60 x 60 x 19 мм и обладает плотностью мощности 24 Вт на кубический дюйм (Вт/дюйм3).
Рис 5. представлен вид сверху (слева) и снизу (справа) эталонного блока питания USB PD мощностью 100 Вт, который был создан на основе компонентов, отобранных с использованием матрицы SMPS. (Источник изображения: onsemi)
В условиях тысяч возможных вариантов выпрямителей, контроллеров мощности, переключателей и драйверов вентилей, эта задача может замедлить процесс проектирования, увеличить затраты и нарушить сроки.
Чтобы упростить задачу, можно обратиться к линейке интеллектуальных устройств питания от надежного поставщика и воспользоваться их онлайн-инструментами, которые помогут сделать оптимальный выбор. Например, матрица компонентов импульсного источника питания (SMPS), упорядоченная по областям применения, топологии, устройствам и критическим характеристикам, может значительно ускорить процесс выбора и проектирования.
В данной статье кратко рассматривается конструкция источников бесперебойного питания (ИБП, SMPS). Затем предлагается матрица компонентов SMPS от компании onsemi, которая объединяет мостовые выпрямители, контроллеры, драйверы вентилей и переключатели питания, подходящие для каждого уровня мощности приложения. В статье разъясняются ключевые определения продуктов и приводятся примеры того, как использовать матрицу для упрощения процесса выбора компонентов.
Проектирование SMPS
Давайте подробнее рассмотрим основные компоненты базового сетевого SMPS-адаптера переменного тока мощностью 100 Вт, предназначенного для подключения питания через USB (PD).Для работы линейного, или первичного источника питания обычно необходимы: выпрямитель, контроллер коррекции коэффициента мощности (PFC), контроллер мощности, оптрон, драйверы вентилей и выключатели питания.
На вторичной стороне обычно присутствуют: контроллер синхронного выпрямителя (SRC), переключатели синхронного выпрямителя (SR), контроллер USB PD и оптрон.
Рис 1. Показаны основные компоненты типичного SMPS мощностью 100 Вт.
Компоненты для этой конструкции подбираются в соответствии с уровнем мощности. Проектировщики должны определиться с топологией первичной обмотки для работы PFC и управления мощностью, а также с топологией выпрямителя и регулятора вторичной обмотки. После этого они могут приступить к выбору конкретных компонентов.
В этом им помогает SMPS-матричная схема On Semiconductor ( onsemi ), которая предоставляет широкий спектр вариантов для выбора компонентов источника питания (рис. 2).
В матричной схеме SMPS выбор конструкции определяется уровнем мощности и плотностью энергопотребления, которые указаны в первых двух столбцах слева. Самые высокие уровни мощности расположены вверху, а к нижней строке они снижаются. Матрица охватывает диапазон мощностей от 5 Вт до более чем 3 кВт.Удельная мощность — это мощность, приходящаяся на единицу объема. Сверхвысокая удельная мощность позволяет сделать блок питания более компактным по сравнению с использованием упаковки высокой плотности. Альтернативой этим двум вариантам упаковки является низкопрофильная упаковка. Матрица устанавливает уровень напряжения питания, соответствующий уровню мощности.
Каждая запись уровня мощности в матрице содержит от одной до трех строк с рекомендуемыми компонентами, подходящими для выбранных параметров плотности мощности. Эти компоненты включают в себя как первичные, так и вторичные топологии. Записи, помеченные как "Нет", означают, что данная информация не относится к этому конкретному уровню мощности и плотности.
В столбце «Выпрямитель» указаны рекомендуемые компоненты мостового выпрямителя, которые подходят для определенного уровня мощности. В некоторых случаях столбец может быть пустым — это означает, что выпрямительный мост не требуется, так как его функции выполняет другой компонент, например, PFC на тотемном столбе.
Записи «быстрый сегмент» и «медленный сегмент» в полях PFC помогают быстро определить тотемные PFC. Эти PFC оснащены переключателями с медленным сегментом, которые работают на линейной частоте, в отличие от переключателей с быстрым сегментом, работающих на более высокой, типичной частоте переключения.
Матрица предлагает первичную топологию, основанную на желаемом уровне мощности. В ней указаны управляющие устройства с четырьмя распространенными топологиями:
- обратная связь (switcher);
- обратная связь с активным зажимом (ACF);
- квазирезонансная обратная связь (QR);
- катушка индуктивности-конденсатор (LLC).
Регулирование напряжения в обратном преобразователе осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которая работает на фиксированной частоте переключения.
Конструкция обратного преобразователя ACF использует принцип обратного хода связанной катушки индуктивности для передачи энергии от первичной обмотки ко вторичной. Кроме того, в нём применяется активное устройство, которое разряжает или подключает индуктивность рассеяния связанной катушки индуктивности к конденсатору. Это позволяет минимизировать нагрузку на выключатель питания MOSFET.
В конструкции с обратной связью QR flyback используются паразитные индуктивность и емкость схемы для достижения почти резонансного отклика. Это позволяет включать питание при минимальном напряжении стока, что, в свою очередь, снижает потери при переключении преобразователя. Частота переключения не является фиксированной и зависит от нагрузки.
Преобразователь LLC, с другой стороны, использует полностью резонансный отклик, что обеспечивает истинное переключение напряжения стока при нулевом значении. Он минимизирует потери при переключении даже в условиях холостого хода и идеально подходит для более высоких уровней мощности.
Рекомендуемые контроллеры сгруппированы по определенным диапазонам мощности:
- Переключатель — для самых низких уровней мощности;
- QR и ACF — для источников среднего диапазона;
- Преобразователи LLC — для более высоких уровней мощности.
Рис 3: Матрица содержит детальные блок-схемы источников питания постоянного тока (SMPS) для одиннадцати различных конструкций. На соответствующих вкладках представлены пять уровней мощности и плотности, которые можно легко найти и рассмотреть. Изображение предоставлено компанией Onsemi.
Использование матричной схемы
Хорошим примером среднего уровня мощности является SMPS-порт USB PD, который может выдавать 100 Вт в секунду, подобно устройству, представленному на структурной схеме на рисунке 1. Если обратить внимание на матрицу, то в строке с уровнем мощности от 70 до 200 Вт можно увидеть, что для этого порта требуется напряжение питания в 100 Вт.
При выборе опции «Высокий» в столбце «Оценка плотности мощности» появляется расширенная матрица, в которой указаны ссылки на все необходимые компоненты (рис. 4).
Рис 4: На этом рисунке изображены выбранные компоненты для высокоплотного блока питания мощностью 100 Вт в расширенной матрице. Зелёные рамки выделяют эти компоненты. (Источник изображения: Onsemi)
Международные правила, особенно в Европейском союзе, предписывают использование PFC (Power Factor Correction) при мощности более 75 Вт. В качестве контроллера PFC рекомендуется ON Semi NCP1623.ON Semi NCP1623 — это компактный boost-контроллер PFC, способный обеспечить мощность до 300 Вт. Он идеально подходит для быстрой зарядки адаптеров питания и модульных компьютерных источников питания, где главными критериями являются экономичность, надежность, высокий коэффициент мощности и КПД.
Для работы с контроллером требуется внешний мостовой выпрямитель. ON Semi предлагает несколько вариантов: GBU6M и GBU6K.
Совместимым переключателем питания PFC является ON Semi NTP125N60S5H — быстродействующий МОП-транзистор, рассчитанный на максимальное напряжение стока к источнику (VDSS) 600 В, максимальный ток стока (ID) 22 А и сопротивление стока к источнику (RDS(ON)) 125 миллиом (Мом).
Для управления первичной панелью мы рекомендуем использовать высокочастотный QR-контроллер onsemi NCP1343 с обратной связью. Этот контроллер идеально подходит для адаптеров переменного/постоянного тока и источников питания с открытой рамой, поскольку он включает в себя все необходимые компоненты, необходимые для современных систем SMPS. Он совместим с выключателем питания NVD260N65S3, который рассчитан на напряжение 650 В/с, имеет идентификатор 12 А и RDS (ВКЛ.) 260 Мом.
На вторичной стороне источника питания мы рекомендуем использовать драйвер синхронного выпрямления onsemi NPC4307. Этот драйвер обеспечивает эффективное синхронное выпрямление, особенно в сочетании с МОП-транзисторным переключателем onsemi NTMFSC010N08M7, который рассчитан на 80 В/с, 61 А ID и RDS (ON) 10 Мом.
Завершающим и не менее важным этапом проектирования является выбор контроллера USB PD. Этот контроллер отвечает за управление оптроном на вторичной стороне адаптера переменного тока в постоянный или регулятора мощности порта постоянного тока.
Согласно матрице, на выходе блока питания установлен контроллер протокола onsemi FUSB15101 PD3.0 с поддержкой USB-программируемого источника питания (PPS). В его основе лежит N-канальный MOSFET onsemi NTTFS4C02NTAG, рассчитанный на скорость 30 В/с и ток 164 А ID. Его RDS (ВКЛ.) составляет 2,25 Мом при 10 В и 3,1 Мом при 4,5 В.
Полученный источник питания, доступный в виде оценочной платы onsemi NCP1343PD100WGEVB (рис. 5), предлагает диапазон выходного напряжения от 3,1 В до 21 В. Его средний КПД составляет 92% при напряжении 115 В или 230 В переменного тока. Он заключен в корпус размером 60 x 60 x 19 мм и обладает плотностью мощности 24 Вт на кубический дюйм (Вт/дюйм3).
Рис 5. представлен вид сверху (слева) и снизу (справа) эталонного блока питания USB PD мощностью 100 Вт, который был создан на основе компонентов, отобранных с использованием матрицы SMPS. (Источник изображения: onsemi)