Tendinţe majore în tehnologia surselor de alimentare cu comutare (SMPS)

1 FEBRUARIE 2012

Sursele de alimentare (SMPS) sunt perfecționate continuu datorită cerințelor utilizatorilor, noilor tehnologii în domeniul semiconductoarelor și standardele impuse producătorilor. Cerințele stringente pentru sursele de alimentare sunt:
(1) consumul propriu de energie electrică redus când nu are consumator (sursa în așteptare), (2) gamă largă de tensiuni la intrare, (3) eficiență foarte mare, (4) gabarit cât mai mic (densitate mare de putere), (5) cerințe sporite de protejare a mediului (degajare de cădură și de perturbații electromagnetice minime), (6) funcționarea sigură în condiții grele de mediu, (7) scăderea prețului.

Tendinţe majore în tehnologia surselor de alimentare cu comutare (SMPS)
1 Dezvoltarea tehnologiei DC/DC fără izolare și scăderea gabaritului
2 Sursa de alimentare cu comutare controlată digital
3 Optimizarea controlului PWM prin circuite integrate mai performante
4 Redresarea sincronă pentru eficiență ridicată
5 Crește importanța PFC (Power Factor Correction)
6 Noua politică în consumul de energie electrică

1. Dezvoltarea tehnologiei DC/DC fără izolare și scăderea gabaritului
În ultimii ani, tehnologia DC/DC fără izolare galvanică se dezvoltă rapid. Sursele de alimentare pentru echipamente independente sau înglobate în sisteme electronice actuale sunt obligate să furnizeze în bloc mai multe tensiuni de alimentare în sistem din cauza sarcinilor diferite.

Figura 1: Topologiile de bază ale surselor cu comutare (SMPS)

Astfel, un PC desktop, necesită patru nivele de tensiune: +12V, +5 V, +3.3V, -12V şi de tensiune de așteptare de +5V, iar pe placa de bază +2,5V, +1.8V, +1.5V sau +1V. O sursă uzuală AC/DC neputând da simultan atât de multe tensiuni la ieşire, şi adesea fiind necesare nivele foarte scăzute, s-au dezvoltat o serie de surse DC/DC fără izolare galvanică, care sunt împărţite în 2 categorii: cu element de comutare a puterii integrat, numite convertoare DC / DC și cele de comutare a puterii care necesită în exterior un Super junction MOSFET de putere sau un IGBT, numite controlere DC/DC. În conformitate cu circuitul și funcţia, topologiile cele mai utilizate sunt: STEP-DOWN (BUCK), STEP-UP (BOOST), BUCK-BOOST (INVERTING). Sursele cu producția în creștere sunt STEP-DOWN (BUCK).
În funcţie de mărimea a curentului de ieşire sursele lucrează monofazat, în două faze sau intercalat multifazic.

Notă
Metoda multifazică, constă în folosirea a N convertoare identice puse în paralel și folosirea a acelorași componente cheie comandate pe rând cu diferență de fază de 360/N grade. În acest mod, capacitorul de intrare filtrează vârfuri de curent mai mici, iar capacitorul de ieșire este mai mic, fiindcă frecvența formei de undă a curentului este de N ori mai mare și factorul de umplere mai mare , iar semiconductoarele sunt supuse unui stres mai mic.

Figura 2: Modul de evaluare TI – TPS40077EVM-001 cu intrare12V, ieșire 1.8V/ 10 A

O altă tehnică (ex. controlerul TC105 step-down (buck) de la Microchip) folosește în mod normal modularea impulsului în lăţime (PWM), dar comută automat la modulare în frecvență (PFM), la sarcini mici de ieşire pentru o mai mare eficienţă (tipic 92%). Frecvența de lucru este 300kHz pentru a folosi inductanțe mici. În tehnologia de la Texas Instruments (TI) pentru conversie DC/DC se foloseşte controlul digital de comandă sincronizată a driverului în topologia BUCK, cu eficienţă de conversie ce ajunge la 97% (TPS40077).
Sub presiunea de creştere a eficienţei ariei semiconductoare se tinde la înlocuirea diodei BOOST cu un MOSFET de înaltă eficiență, minimizând pierderile prin curenții de tranziții de conducție şi de blocare (recuperare inversă) ce ar apare în diodă, și care au o contribuție enormă la zgomotul condus și cel radiat. Ex. circuitul step-up (bust) LTC3786 – Linear Technology, lucrând la frecvența 50 … 900kHz are pierderi așa de mici, încât elimină radiatorul cerut la medie și înaltă putere. Simplul circuit supresor RC (snubber circuit) pus

Figura 3: Sursă cu control PWM analogic

în paralel cu dioda redresoare pentru a reduce zgomotul la revenirea inversă a diodei este folosit pe scară largă, dar la sursele de calitate se folosesc pentru redresare diodele SiC- Silicon Carbide Schottky. Diodele SiC de la Microsemi și Infineon sunt un element revoluționar pentru semiconductoarele de putere, fiindcă timpul de recuperare inversă (reverse recovery time) este virtual zero, nu sunt influențate de temperatură (gama -55 … +175°C), au dimensiuni reduse (capsule TO-220, TO-257, SP3-P), au frecvență ridicată de comutare (100 … 400KHz, rezultând o reducere drastică a dimensiunilor componentelor magnetice și a gabaritului sursei în general,

Figura 4: Sursă cu control PWM digital

chiar până la 8,5kW/dm3), produc perturbații EMI foarte scăzute (distorsiunile armonice au nivel minim dacă frecvența fundamentală în redresor este peste 100kHz).

2. Sursa de alimentare cu comutare controlată digital
În ultimii ani, sursele de putere controlate digital continuă tot mai mult expansiunea. Liderii în fabricația de circuite de control pentru sursele de alimentare sunt Texas Instruments şi Microchip.

Figura 5: Modul de evaluare TI – UCD9240EVM, intrare 4,75…14V, 4 ieșiri PWM 1 … 4 pentru comanda modulelor de putere Digital Power Train Module (1.2V și 3.3V @ 10 … 20A)

Circuitele DSC (Digital Signal Controller) de la TI au avantajele componentelor de la ambele companii. După ce TI a achiziţionat UNITRODE, un producător profesionist de circuite de control PWM, s-a făcut o legătură între controlere TMS320C280X și surse de alimentare, incluzând PFC şi secţiunea PWM exclusiv pentru control digital. TI a dezvoltat o varietate de cipuri de control digital PWM, exemplu UCC28250 (Advanced PWM controller with Pre-Bias Operation).
TI a înglobat firma National Semiconductor și livrează componente din familia LM 5000. Se asigură, în general, și module hardware de evaluare și sprijin software. Partea digitală lucrează la putere extrem de redusă pentru a asigura start-up și păstrarea funcțiilor în stand-by.
Familia UCD92XX (Multiple Loop Controller) are funcții variate, printre care: soft start, soft stop, tracking, multifazare, frecvența de comutare până la 2MHz, reconfigurabil prin PMBus.
În prezent, în domeniul surselor de putere concurenţa este în principal la preţ şi performanţă, astfel încât cine controlează domeniul digital va obține supremația în domeniul surselor performante, datorită
multitudinii de funcții care pot fi controlate algoritmic.

ECAS ELECTRO www.ecas.ro este distribuitor al firmelor de componente pentru surse de alimentare:
Texas Instruments: www.ti.com
National Semiconductor: www.national.com
Microchip: www.microchip.com
Microsemi: www.microsemi.com
Linear Technology: www.linear.com
International Rectifier: www.irf.com
Infineon: www.infineom.com
Intersil: www.intersil.com
ON semiconductor: www.onsemi.com

– Va urma –

Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre