Zmniejszenie zużycia energii przy małych obciążeniach

Spełnienie dzisiejszych wymagań dotyczących sprawności zasilaczy może być nie lada wyzwaniem.Wystarczająco trudne jest już samo zrozumienie tych wymagań. Powodem jest duża liczba dyrektyw, programów (Energy Star lub California Energy Commission) i inicjatyw (np. Stand-By Initiative Unii Europejskiej), dotyczących zróżnicowanych urządzeń końcowych, odnoszących się do różnych poziomów mocy. Jednak po krótkiej analizie któregokolwiek z tych programów oszczędzania energii staje się jasne, że jednym z największych wyzwań stojących przed projektantami zasilaczy jest minimalizowanie strat w stanie bezobciążeniowym i małego obciążenia. Poniżej podajemy pięć wskazówek, w jaki sposób zaoszczędzić kilka miliwatów w sieciowym zasilaczu impulsowym typu flyback.

Praca w trybie impulsowym powoduje powstanie niskoczęstotliwościowej składowej napięcia tętniącego
Wybierz „zielony” regulator
Chip regulatora decyduje o sprawności zasilacza. Wybór urządzenia specjalnie skonstruowanego pod kątem zmniejszania strat przy małych obciążeniach jest pierwszym krytycznym krokiem w kierunku spełnienia większości wymagań dotyczących stanu gotowości. Na szczęście producenci kontrolerów mają w ofercie oszczędniejsze układy, wprowadzając na rynek nową generację regulatorów z trybem oszczędności („green mode”).
Większość z tych regulatorów z trybem „green mode” jest sterowana w trybie prądowym, więc ich sygnały sterujące zawierają informacje o stopniu obciążenia na wyjściu zasilacza. Przy małych obciążeniach regulatory wchodzą w tryb pracy zwany pulsacyjnym („burst mode”). W tym trybie regulator przeskakuje pomiędzy stanami ON (załączony) i OFF (wyłączony). W stanie OFF regulator praktycznie „zasypia”, a elementy zasilacza pracują w trybie jałowym (nie przełączają). Ponieważ w stanie OFF nie zachodzi przekazywanie energii, napięcie wyjściowe zaczyna opadać. Regulator z trybem „green mode” monitoruje napięcie wyjściowe i przechodzi w stan ON, aby je podnieść. Większość strat energii zachodzi w stanie ON, więc współczynnik wypełnienia ON-OFF ma znaczny wpływ na całkowitą sprawność. Stan ON z reguły trwa kilkaset mikrosekund. Stan OFF zależy od obciążenia i w przypadku wyjątkowo małych obciążeń może być liczony w dziesiątkach milisekund.

Regulatory z połączeniami kaskodowymi do tranzystora MOSFET znacznie zmniejszają straty na rezystorze rozruchowym
Jednym z efektów ubocznych pracy w trybie „burst” są dodatkowe tętnienia o małej częstotliwości na wyjściu. W stanie ON na wyjściu występują typowe tętnienia związane z normalnym przełączaniem zasilacza. Jednakże na to nakłada się dodatkowe tętnienie „burst”. Zjawisko to pokazano na rys. 1. Ponieważ częstotliwość ta jest raczej niska, nie opłaca się jej tłumić filtrem LC. Zamiast tego niskoczęstotliwościowe odchylenia napięcia wyjściowego najlepiej zmniejsza się, zwiększając pojemność na wyjściu.
Poza pracą w trybie pulsacyjnym większość regulatorów z funkcją „green mode” stosuje inne sposoby oszczędzania energii, takie jak zmniejszenie poboru prądu spoczynkowego. W wielu regulatorach, w celu poprawy sprawności na wszystkich poziomach obciążenia, wykorzystuje się przełączanie quasi-rezonansowe. Quasi-rezonansowe przetwornice zaporowe wykorzystują rezonans tworzony przez indukcyjność rozproszenia transformatora oraz pojemności pasożytnicze, aby przełączać tranzystor MOSFET ze zmniejszonymi stratami.
Minimalizuj straty w rezystorze rozruchowym
Większość regulatorów zaporowych generuje własne zasilanie z uzwojenia pomocniczego transformatora. Jednak najpierw wymagają one wstępnego zasilania do uruchomienia. Z reguły odbywało się to za pomocą podłączenia rezystora z wyprostowanego napięcia AC do końcówki VCC regulatora. Rezystancja musi być niska, aby regulator załączył się przy najniższym napięciu wejściowym AC. Zbyt niska rezystancja prowadzi jednak do nadmiernych strat mocy i może uniemożliwić osiągnięcie zgodności z wymaganiami.

Zmniejszenie strat przez optymalizację obwodu poziomującego
Prąd rozruchowy wymagany przez regulator jest zwykle podawany prawie na początku jego danych katalogowych. W najnowszych regulatorach z trybem „green mode” prąd ten wynosi już poniżej 50 μA. W przypadku zasilacza, który musi pracować z uniwersalnym zakresem napięcia wejściowego wynoszącym od 85 V do 265 V, zastosowanie rezystora podciągającego 2 MΩ gwarantuje prąd rozruchowy wynoszący co najmniej 50 μA przy napięciu najmniejszym. Przy nominalnym napięciu w sieci wynoszącym 120 V w USA, gdzie z reguły wymagane są badania pod kątem zgodności, rezystor rozprasza tylko 13 mW mocy. Chociaż 13 mW nie spowoduje zrujnowania budżetu mocy, przy nominalnym napięciu w Europie wynoszącym 230 V straty mocy na rezystorze są czterokrotnie wyższe. W zależności od zastosowania i obciążenia systemu w stanie gotowości, 52 mW byłoby wartością znaczącą.
Niektóre regulatory zapewniają prąd rozruchowy poprzez tranzystor, który wyłącza się po pomyślnym zakończeniu sekwencji rozruchu przez regulator. Taki tranzystor może być dodatkowym elementem zewnętrznym, a czasami montowany jest wewnątrz układu scalonego regulatora. W obu przypadkach prowadzi to jednak do powstania dodatkowego kosztu w związku z produkcją urządzenia, którego sprzedaż zależy w dużej mierze od ceny. Zastosowanie tranzystora w obrębie tego samego pakietu, w którym występuje regulator, może prowadzić do problemów z upływem prądu, odstępem oraz niezawodnością.

Z obwodu regulacyjnego można wyeliminować od 20 mW do 55 mW strat
Podobne podejście do problemu prądu rozruchowego stosuje się w regulatorach wykorzystujących kaskodowe podłączenia do tranzystora MOSFET (rys. 2). Przy połączeniu kaskodowym na bramkę tranzystora MOSFET podawane jest napięcie stałe, a regulator załącza tranzystor FET, ściągając w dół napięcie źródła. Regulator może wykorzystać połączenie źródła MOSFET w celu uzyskania początkowego prądu rozruchowego, poprzez utrzymanie tranzystora MOSFET podczas rozruchu w trybie liniowym. Nie są potrzebne żadne inne dodatkowe elementy wysokonapięciowe, a regulator nie jest podłączony w ogóle do wysokiego napięcia. W rozwiązaniu tym nadal konieczne jest zastosowanie rezystora podciągającego w celu dostarczenia napięcia bramki tranzystora, lecz połączenie bramki zazwyczaj wymaga prądu poniżej 10 μA.
Niech dzwoni
Innym ważnym obszarem, w którym można uzyskać oszczędność energii, są obwody odciążające i poziomujące stosowane na tranzystorze MOSFET strony pierwotnej. Zwykły obwód odciążający RCD pokazany na rys. 3 stosuje się w celu redukcji dzwonienia i zapobieżenia przepięciom poprzez ograniczenie skoków napięcia na drenie tranzystora MOSFET. Takie skoki napięcia powodowane są energią zgromadzoną w indukcyjności rozproszenia transformatora, kiedy MOSFET wyłącza się i nagle zatrzymuje przepływ prądu w uzwojeniu pierwotnym.
Pierwszym krokiem do zmniejszenia zarówno skoków napięcia, jak i strat w obwodzie poziomującym, jest skonstruowanie transformatora z minimalną indukcyjnością rozproszenia. Poza tym można zwiększyć rezystancję obwodu poziomującego w celu dalszej redukcji strat, lecz w ten sposób zwiększa się także wielkość skoków napięcia. Podczas części zerowej cyklu przełączania napięcie odbite jest przyłożone do rezystora poziomującego, co prowadzi do dodatkowych strat. Zastosowanie tranzystora MOSFET o większym napięciu, np. 800 V zamiast 600 V, daje szerszy margines dla skoków napięcia i pozwala na zastosowanie dużo większego rezystora. Jednak wyższe napięcie oznacza albo droższy tranzystor MOSFET, albo MOSFET z większą rezystancją w stanie ON, co zmniejsza sprawność przy wyższych obciążeniach. W wielu przypadkach należy znaleźć kompromis pomiędzy kosztem, sprawnością przy obciążeniu małym i sprawnością przy obciążeniu nominalnym. W niektórych zasilaczach skonstruowanych dla mocy 10 W lub niższej obwód poziomujący można całkowicie wyeliminować, co prowadzi do znacznej oszczędności energii. Oczywiście obawy przed zakłóceniami elektromagnetycznymi ograniczają maksymalny dopuszczalny poziom „dzwonienia” w obwodzie drenu.
Mniej oczywisty jest fakt, że zmniejszenie pojemności obwodu poziomującego może także zmniejszyć straty przy niskich obciążeniach. Kiedy regulator pracuje w trybie pulsacyjnym (burst), obwód poziomujący rozładowuje się pomiędzy stanami ON. Jeśli kondensator obwodu jest zbyt duży, gromadzone jest zbyt dużo energii, która ulega rozproszeniu w stanie OFF. W niektórych sytuacjach kondensator może nie rozładować się całkowicie przed rozpoczęciem następnego stanu ON. Skutecznym sposobem ogólnym na zmniejszenie tego rodzaju strat jest ustawienie stałej czasowej obwodu poziomującego RC na wartość równą około 10 okresom przełączania.
Inna metoda polega na zastąpieniu obwodu poziomującego RCD obwodem z diodą Zenera. Dioda Zenera może zmniejszyć straty w obwodzie poziomującym przy małych obciążeniach. Jednak przy większych obciążeniach może powodować znacznie większe rozpraszanie energii niż obwód poziomujący RCD.
„Wyciśnij” miliwaty z wtórnych obwodów regulacyjnych
W przypadku strat w stanie gotowości należy zbadać wszystkie obwody, także wzmacniacz błędu, który reguluje wyjście. Na rys. 4 po lewej stronie przedstawiono typowy obwód regulujący dla zasilacza 12 V. Aby zapewnić regulację, często stosowane TL431 wymagają prądu spoczynkowego o wartości co najmniej 1 mA. Realizowane jest to za pomocą R2, który z reguły prowadzi do strat od 15 mW do 50 mW. Dzielnik napięcia R3 i R4 ustawia napięcie wyjścia. Przy rezystancji szeregowej wynoszącej 12,6 kΩ rezystory te rozpraszają 11 mW.
Na rys. 4 po prawej stronie przedstawiono bardziej skuteczny sposób regulacji wyjścia. TL431 zastąpiono TLV431, który wymaga tylko 80 μA prądu spoczynkowego, aby zagwarantować regulację. Prąd płynący przez sprzęgacz optyczny wystarcza do zasilenia TLV431, tak więc R2 zostaje wyeliminowany. Maksymalne napięcie znamionowe TLV431 wynosi tylko 6,3 V, więc urządzenie to chronione jest przez tani regulator liniowy Q1, R5 i D1. R5 i D1 dają dodatkowe 3 mW strat. Zwiększając rezystancję dzielnika sprzężenia zwrotnego 10 razy, oszczędzamy dodatkowe 10 mW.
Dobierz sprytnie napięcie zasilania
Sposobem na osiągnięcie kolejnych oszczędności może być optymalizacja napięcia zasilania samego kontrolera. Musi ono być wystarczająco duże, aby zapewnić pracę regulatora pod każdym obciążeniem. Napięcie to musi być także wystarczająco duże, aby włączyć tranzystor MOSFET, kiedy zostanie podane na bramkę. Ustawienie zasilania na poziomie wyższym niż wymaga regulator i MOSFET prowadzi do dodatkowych strat.
Większość regulatorów z opcją „green mode” redukuje prąd spoczynkowy podczas pracy w trybie pulsacyjnym „burst”. Zmniejsza to wkład w straty związane z zasilaniem samego kontrolera. Typowe wartości prądów spoczynkowych maleją z 2–3 mA podczas pracy w trybie normalnym do 200–300 uA podczas pracy w trybie pulsacyjnym. Prąd ten, podany w karcie katalogowej regulatora, nie uwzględnia ładowania i rozładowywania bramki tranzystora MOSFET. Moc ładowania bramki równa jest iloczynowi napięcia zasilania, ładunku bramki, częstotliwości przełączania i współczynnika wypełnienia trybu pulsacyjnego. Ponieważ ładunek bramki zwiększa się wraz z rosnącym napięciem, niepotrzebnie wysokie napięcie dodatkowo zwiększa straty. Na szczęście praca w trybie pulsacyjnym wyklucza znaczący poziom strat powodowanych przez to napięcie. Minimalizowanie napięcia zasilania kontrolera powoduje w większości przypadków oszczędność rzędu 10 do 20 mW.
Minimalizowanie strat przy małym obciążeniu w zasilaczach wymaga szczegółowej analizy strat generowanych w każdym komponencie. Już kilka miliwatów może decydować o tym, czy produkt będzie zgodny z wymaganiami Energy Star. Zastosowanie opisanych powyżej technik pozwoli zaoszczędzić setki miliwatów zużycia energii podczas trybu gotowości.
Literatura

  • Kartę katalogową UCC28610 oraz inne dokumenty techniczne można pobrać ze strony www.ti.com/ucc28610-ca.
  • Kollman Robert, POWER TIP #17: Snubbing the Flyback Converter [Obwód odciążający w przetwornicy zaporowej], Power Management DesignLine.com, 9 listopada 2009.
  • Mammano Bob, 2006/07 Power Supply Design Seminar – SEM1700 Temat 1: “Improving Power Supply Efficiency – The Global Perspective” [Zwiększanie sprawności zasilaczy – perspektywa globalna], Texas Instruments 2007.
  • Madigan Michael, 2006/07 Power Supply Design Seminar – SEM1700 Temat 2: “Green-Mode Power by the Milli-Watt” [Tryb “green mode” – oszczędności w miliwatach], Texas Instruments 2007.

Brian King pracuje na stanowisku inżyniera ds. aplikacji w Texas Instruments, należy do zespołu Group Technical Staff. Jest członkiem IEEE. Stopnie BSEE i MSEE uzyskał w Uniwersytecie Arkansas. Adres e-mailowy Briana Kinga: ti_brianking@list.ti.com.