Demystifying Switching Power Supplies - Hướng dẫn thiết kế và ứng dụng bởi Raymond A. Mack

• Tác giả: Raymond Mack
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Demystifying Switching Power Supplies
• Loại tài liệu: Sách
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Burlington

Tóm tắt

I. Tổng quan về nguồn điện switching và nguyên lý hoạt động

Nguồn điện switching là thiết bị chuyển đổi điện năng sử dụng công nghệ đóng cắt tần số cao. Khác với nguồn tuyến tính truyền thống, nguồn điện switching hoạt động dựa trên nguyên lý lưu trữ năng lượng trong cuộn cảm hoặc tụ điện. Thiết bị này điều khiển dòng điện bằng cách bật tắt transistor công suất ở tần số từ hàng chục kHz đến hàng MHz. Quá trình chuyển đổi diễn ra liên tục. Điện áp đầu ra được kiểm soát chính xác thông qua mạch điều khiển phản hồi. Nguồn điện switching có ưu điểm vượt trội về hiệu suất, thường đạt 80-95%. Kích thước nhỏ gọn do biến áp hoạt động ở tần số cao. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong mọi thiết bị điện tử hiện đại. Từ máy tính cá nhân đến thiết bị viễn thông. Từ bộ sạc điện thoại đến hệ thống công nghiệp. Nguồn điện switching đã trở thành nền tảng không thể thiếu trong ngành điện tử.

1.1. Các loại mạch chuyển đổi cơ bản trong nguồn điện switching

Nguồn điện switching sử dụng nhiều loại mạch chuyển đổi khác nhau. Mạch Buck giảm điện áp đầu vào xuống mức thấp hơn. Mạch Boost tăng điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào. Mạch Buck-Boost kết hợp cả hai chức năng tăng và giảm điện áp. Mạch Flyback sử dụng biến áp cô lập để cách ly điện áp đầu vào và đầu ra. Mỗi loại mạch có đặc điểm riêng phù hợp với ứng dụng cụ thể. Bảng phân loại công suất giúp chọn đúng loại mạch cho từng mức công suất. Thiết kế mạch đúng loại là yếu tố quyết định hiệu suất nguồn điện.

1.2. Vai trò của biến áp và cuộn cảm trong nguồn điện switching

Biến áp và cuộn cảm đóng vai trò trung tâm trong nguồn điện switching. Cuộn cảm lưu trữ năng lượng từ trường khi transistor dẫn điện. Khi transistor tắt, năng lượng này được giải phóng ra tải. Trong mạch Flyback, biến áp thực chất là cuộn cảm có hai đầu dây. Pha của cuộn dây ngược với biến áp thông thường. Tỷ số vòng dây xác định điện áp đầu ra tương tự biến áp thường. Chọn lõi từ phù hợp quyết định hiệu suất chuyển đổi. Thiết kế biến áp tối ưu giúp giảm tổn hao và tăng độ tin cậy.

II. Phân tích mạch điều khiển và vấn đề thiết kế nguồn switching

Mạch điều khiển là bộ não của nguồn điện switching. Có hai phương pháp điều khiển chính: chế độ điện áp và chế độ dòng điện. Điều khiển chế độ điện áp sử dụng mạch so sánh điện áp để tạo xung PWM. Điều khiển chế độ dòng điện kiểm soát trực tiếp đỉnh dòng điện qua cuộn cảm. Cả hai phương pháp đều cần mạch khuếch đại lỗi để so sánh điện áp đầu ra với điện áp tham chiếu. Bù thường cho mạch khuếch đại lỗi đảm bảo tính ổn định hệ thống. Mạch khởi động mềm hạn chế dòng điện tăng đột ngột khi bật nguồn. Mạch khóa điện áp thấp ngăn xung nhiễu khi nguồn chưa ổn định. Thiết kế không đúng cách gây ra dao động, quá áp hoặc hư hỏng linh kiện. Các vấn đề nhiễu điện từ cũng cần được xử lý cẩn thận.

2.1. So sánh điều khiển chế độ điện áp và chế độ dòng điện

Điều khiển chế độ điện áp sử dụng một vòng phản hồi duy nhất. Điện áp đầu ra được so sánh với điện áp tham chiếu qua mạch khuếch đại lỗi. Tín hiệu lỗi điều chỉnh độ rộng xung PWM trực tiếp. Phương pháp này đơn giản nhưng đáp ứng chậm với thay đổi tải. Điều khiển chế độ dòng điện sử dụng hai vòng phản hồi. Vòng trong kiểm soát dòng điện qua cảm biến dòng. Vòng ngoài điều chỉnh điện áp đầu ra. Chế độ dòng điện có ưu điểm bảo vệ quá dòng tự nhiên. Đáp ứng tải nhanh hơn và ổn định hơn.

2.2. Vai trò của mạch khởi động mềm và bảo vệ điện áp thấp

Mạch khởi động mềm rất quan trọng trong nguồn điện switching. Khi bật nguồn, tụ điện khởi động mềm kết nối với đầu ra mạch khuếch đại lỗi qua transistor kẹp. Giới hạn điện áp lỗi hạn chế độ rộng xung tối đa. Dòng điện qua cuộn cảm tăng từ từ. Điện áp đầu ra tăng dần theo kiểm soát. Tụ sạc đến 5V thì mạch kẹp ngắt hoạt động bình thường. Mạch khóa điện áp thấp kéo chân reset xuống thấp. Ngắt đầu ra transistor dẫn và kẹp đầu ra khuếch đại lỗi. Ngăn xung nhiễu xuất hiện khi nguồn chưa ổn định. Hệ thống khóa tiếp tục cho đến khi điện áp tham chiếu đạt 4.4V.

III. Giải pháp thiết kế hiệu quả cho nguồn điện switching hiện đại

Thiết kế nguồn điện switching hiệu quả đòi hỏi nhiều giải pháp kỹ thuật. Hệ số công suất đầu vào cần được cải thiện bằng mạch PFC. Mạch PFC chủ động đưa hệ số công suất gần bằng 1. Nhiễu vô tuyến phải được triệt tiêu bằng bộ lọc EMI. An toàn điện cách ly yêu cầu biến áp cô lập cho nguồn offline. Dòng điện khởi động cần được giới hạn để bảo vệ cầu chì và diode. Tụ điện đầu vào phải chịu được gợn điện áp cao. Thời gian giữ điện áp khi mất nguồn cần được tính toán kỹ. Thiết kế nhiều pha giảm gợn điện áp và dòng điện đỉnh. Mạch cộng hưởng giảm tổn hao chuyển đổi ở tần số cao. Công nghệ chế độ cộng hưởng cải thiện hiệu suất đáng kể. Giải pháp tích hợp giúp giảm số linh kiện và tăng độ tin cậy.

3.1. Kỹ thuật cải thiện hệ số công suất và triệt tiêu nhiễu EMI

Hệ số công suất là chỉ số quan trọng của nguồn điện switching. Nguồn không có PFC tạo ra hài dòng cao trên lưới điện. Mạch PFC chủ động sử dụng cuộn cảm boost để tạo dòng hình sin. IC điều khiển PFC điều chỉnh dòng đầu vào theo điện áp lưới. Hệ số công suất đạt 0.99 sau khi áp dụng PFC. Nhiễu EMI được triệt tiêu bằng bộ lọc LC ở đầu vào. Tụ X và tụ Y loại bỏ nhiễu chế độ chung và chế độ sai. Tuân thủ tiêu chuẩn CISPR là yêu cầu bắt buộc. Thiết kế lá chắn và nối đất đúng cách giảm bức xạ.

3.2. Thiết kế mạch nhiều pha và chế độ cộng hưởng

Mạch nhiều pha sử dụng nhiều giai đoạn chuyển đổi song song. Mỗi pha hoạt động lệch pha nhau một góc xác định. Dòng điện đầu vào tổng hợp có gợn nhỏ hơn. Tần số gợn hiệu dụng tăng gấp số pha. Tụ đầu vào có tuổi thọ cao hơn do dòng gợn thấp. Mạch cộng hưởng hoạt động ở tần số cộng hưởng LC. Transistor chuyển mạch tại điểm điện áp hoặc dòng điện bằng không. Tổn hao chuyển đổi giảm đáng kể. Mạch cộng hưởng LLC được ưa chuộng trong nguồn công suất trung bình. Hiệu suất đạt trên 96% với thiết kế cộng hưởng tốt.

IV. Ứng dụng thực tế và tương lai công nghệ nguồn điện switching

Nguồn điện switching được ứng dụng trong mọi lĩnh vực công nghệ hiện đại. Bộ nguồn máy tính sử dụng topology flyback và forward chuyển đổi. Thiết bị y tế yêu cầu cách ly điện áp nghiêm ngặt. Hệ thống viễn thông cần nguồn dự phòng với thời gian giữ điện áp dài. Ứng dụng ô tô điện đòi hỏi hiệu suất cao và kích thước nhỏ. Bộ sạc nhanh điện thoại sử dụng công nghệ GaN và SiC mới. Linh kiện bán dẫn công suất thế hệ mới giảm tổn hao. Tần số chuyển đổi tăng lên giúp thu nhỏ kích thước. Công nghệ số hóa điều khiển nguồn cho phép giám sát từ xa. Tương lai nguồn điện switching hướng tới mật độ công suất cao hơn. Tích hợp AI tối ưu hóa hiệu suất theo thời gian thực.

4.1. Ứng dụng nguồn điện switching trong thiết bị y tế và viễn thông

Thiết bị y tế đòi hỏi nguồn điện switching đạt tiêu chuẩn an toàn cao. Cách ly galvanic là bắt buộc để bảo vệ bệnh nhân. Điện áp rò phải dưới giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn IEC 60601. Nguồn dự phòng UPS đảm bảo hoạt động liên tục cho thiết bị cấp cứu. Trong viễn thông, nguồn 48V DC là chuẩn công nghiệp. Thời gian giữ điện áp phải đủ dài để chuyển sang nguồn diesel. Nguồn dự phòng hot-swap cho phép thay thế không gián đoạn. Quản lý từ xa qua giao thức SNMP giám sát trạng thái nguồn.

4.2. Xu hướng công nghệ mới trong nguồn điện switching tương lai

Công nghệ bán dẫn băng rộng GaN và SiC đang thay đổi nguồn điện switching. Transistor GaN cho phép tần số chuyển đổi trên 1MHz. Tổn hao dẫn điện và chuyển đổi thấp hơn nhiều so với silicon truyền thống. Công nghệ gói module tích hợp nhiều linh kiện vào một gói. Điều khiển số bằng DSP và FPGA thay thế mạch tương tự. Thuật toán thích ứng tối ưu hiệu suất theo điều kiện tải. Nguồn không dây sử dụng cộng hưởng từ trường truyền năng lượng. Mật độ công suất nguồn điện switching tăng gấp đôi mỗi 5 năm. Xu hướng bền vững đòi hỏi hiệu suất trên 98%.

Trích đoạn nội dung tài liệu

qxd 02/17/05 7:22 PM Page i Demystifying Switching Power Supplies www.qxd 02/17/05 7:22 PM Page ii www.qxd 02/17/05 7:22 PM Page iii Demystifying Switching Power Supplies Raymond A.com AMSTERDAM • BOSTON • HEIDELBERG • LONDON NEW YORK • OXFORD • PARIS • SAN DIEGO SAN FRANCISCO • SINGAPORE • SYDNEY • TOKYO Newnes is an imprint of Elsevier Prelims.qxd 02/17/05 7:22 PM Page iv Newnes is an imprint of Elsevier 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA 01803, USA Linacre House, Jordan Hill, Oxford OX2 8DP, UK Copyright © 2005, Elsevier Inc. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording, or otherwise, without the prior written permission of the publisher. Permissions may be sought directly from Elsevier’s Science & Technology Rights Department in Oxford, UK: phone: [phone], fax: [phone], e-mail: permissions@elsevier. You may also complete your request on-line via the Elsevier homepage (http://elsevier.com), by selecting “Customer Support” and then “Obtaining www.” Recognizing the importance of preserving what has been written, Elsevier prints its books on acid-free paper whenever possible. Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Mack, Raymond. Demystifying switching power supplies / Raymond Mack. Includes bibliographical references and index. Switching circuits—Design and construction. Power semiconductors—Design and construction. Semiconductor switches—Design and construction. Switching power supplies—Design and construction.31’7—dc22 2004029371 British Library Cataloguing-in-Publication Data A catalogue record for this book is available from the British Library. For information on all Newnes publications visit our Web site at www.com 05 06 07 08 09 10 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Printed in the United States of America Prelims.qxd 02/17/05 7:22 PM Page v Contents Preface . xi Chapter One: Basic Switching Circuits . 1 Energy Storage Basics .com Buck Converter . 6 Inverting Boost Converter . 9 Buck-Boost Converter . 10 Transformer Isolated Converters . 17 Chapter Two: Control Circuits . 21 Basic Control Circuits . 23 The Error Amplifier . 26 Error Amplifier Compensation . 28 A Representative Voltage Mode PWM Controller . 33 Current Mode Control . 39 A Representative Current Mode PWM Controller . 41 Charge Pump Circuits . 45 Multiple Phase PWM Controllers . 49 Resonant Mode Controllers . 50 Chapter Three: The Input Power Supply . 51 Off-Line Operation . 53 Radio Interference Suppression . 55 Safety Agency Issues . 57 Power Factor Correction . 60 In-Rush Current .qxd 02/17/05 7:22 PM Page vi Contents Hold-Up Time . 66 Input Rectifier Considerations . 69 Input Reservoir Capacitor Characteristics . 70 Chapter Four: Non-Isolated Circuits. 73 General Design Method . 75 Buck Converter Designs . 76 Boost Converter Designs . 94 Step Up/Step Down (Buck/Boost) Designs . 97 Charge Pump Designs .com Layout Considerations . 107 Chapter Five: Transformer-Isolated Circuits . 121 Practical Flyback Circuit Design . 129 Off-Line Flyback Example . 129 Non-Isolated Flyback Example . 137 Forward Converter Circuits . 141 Practical Forward Converter Design . 143 Off-Line Forward Converter Example . 144 Non-Isolated Forward Converter Example . 148 Push-Pull Circuits . 152 Practical Push-Pull Circuit Design . 154 Half Bridge Circuits . 158 Practical Half Bridge Circuit Design . 161 Full Bridge Circuits . 164 Chapter Six: Passive Component Selection . 169 Aluminum Electrolytic Capacitors . 171 Solid Tantalum and Niobium Capacitors . 173 Solid Polymer Electrolytic Capacitors . 175 Multilayer Ceramic Capacitors .qxd 02/17/05 7:22 PM Page vii Contents Resistor Characteristics . 181 Carbon Composition Resistors . 184 Chapter Seven: Semiconductor Selection .com Power MOSFETs . 208 Safe Operating Area and Avalanche Rating . 230 Chapter Eight: Inductor Selection . 235 Properties of Real Inductors . 240 Designing a Powder Toroid Choke Core . 250 Choosing a Boost Converter Core . 256 Chapter Nine: Transformer Selection . 266 Practical Construction Considerations . 267 Choosing a Forward Converter Transformer Core . 271 Practical Flyback Core Considerations . 272 Choosing a Flyback Converter “Transformer” Core . 273 Chapter Ten: A “True Sine Wave” Inverter Design Example . 280 Preregulator Detailed Design .qxd 02/17/05 7:22 PM Page viii Contents Output Converter Detailed Design . 290 H Bridge Detailed Design . 293 Bridge Drive Detailed Design . 296 Chapter Eleven: A PC Off-Line Supply . 301 The Input Supply . 302 DC–DC Converter .com Transformer Design .qxd 02/17/05 7:22 PM Page ix Preface This book is intended for those who need to understand how a switching power supply works. I intend to provide enough information so you can intelligently specify a custom off-line supply from a power supply manufacturer. You should also gain enough information to be able to design a DC–DC converter.com included basic analog design information for those whose primary electronics background is not analog circuits. Then I build on that basic information to show how to design and analyze practical switching power supplies. Those with a strong background in analog circuitry may want to skim over the preliminary data. In numerous places I skip over the details of derivations and transformations of equations. The details of those transformations are left as an exercise for the reader. There are two broad classes of power supplies: linear and switching. Linear sup- plies use time continuous control of the output. Switching supplies are time-sam- pled systems that use rectangular samples to control the output. This book explores each of the variations of switching power supplies. Acknowledgments Like most work, this book is built on the efforts of many others. I wish to acknowledge the large contribution to my understanding of switching power sup- plies by the authors of the Motorola application book Linear/Switchmode Voltage Regulator Handbook, the International Rectifier HDB-3 Power MOSFET HEXFET Databook, and the Philips Switch Mode Power Supply Semiconductor application book (an excellent book but available only on their website). I also wish to acknowledge the gracious contributions by Linear Technology Corporation. Linear Technology gives away their program SwitcherCAD III. It is intended for use by their customers, but it is free to all who want to use it. Most of the schematics in this book were initially prepared using the drafting functions of SwitcherCAD III.qxd 02/17/05 7:22 PM Page x www.qxd 02/17/05 7:22 PM Page xi Introduction The principles of switching power supplies have been used for over 100 years (though people didn’t know that’s what they were). The ignition system used in a gasoline engine was the earliest version of a flyback switching power supply. The next general use of switching supplies was in the high voltage section of televi- www. Again, this is an example of a rudimentary flyback supply. The flyback name comes from the short time period where the spot on the television CRT is moved from the right side of the screen back to the left side of the screen (it would “fly back”). The rapid change in current in the deflection coil causes a very large voltage to be generated. This was used to advantage in televisions to create the large acceleration potential necessary for the CRT. Widespread switching supply use was limited to television high voltage service until the late 1960s because of limited capabilities of the three major components in a switching supply: the magnetics, the switch, and the rectifier. Components were available for switching supply use in the early 1960s with the advent of high voltage bipolar transistors, but they weren’t economically feasible for low wattage uses until the price of semiconductors became reasonable. Since 1970, advances in all component categories have changed the power supply market to the point where linear power supplies are almost nonexistent above the level provided by three ter- minal linear regulators. Advances in semiconductors allow single package switch- ing power supplies with multi-watt capability. These designs use the IC, an inductor, and a couple of capacitors to produce a complete voltage regulator in a volume smaller than a single TO-3 switching transistor from the 1960s. The price per watt of AC line operated power supplies has dropped to the point that it is not cost effective to design and build such a supply in-house unless extremely large quantities are involved. Many companies market lines of standard output voltage supplies. Most of these companies can also supply nonstandard voltages based on standard designs for nominal design fees.qxd 02/17/05 7:22 PM Page xii Introduction Most of the major linear IC manufacturers (Linear Technology, Maxim, TI, National Semiconductor, Analog Devices, etc.) provide a line of switching regula- tor circuits suitable for local voltage regulation or voltage conversion. Modern devices from these manufacturers are extremely small and efficient. This is true especially of devices intended for battery-operated equipment where maximum operation between charging is important. Modern devices frequently integrate the control circuit, the switch, and the required rectifiers in the same package. The passive component manufacturers have been busy improving components as well. The magnetic materials companies (Ferroxcube, Siemens, Micrometals, www.com Magnetics division of Spang & Co.) have extended the useful range of trans- formers and chokes from the low kHz range (10–50 kHz) in the 60s to well above 1 MHz today. This improvement has allowed much smaller filter capacitors and magnetic cores in modern designs. Capacitor manufacturers have also improved filter capacitors for use in switchers. Ordinary electrolytic capacitors have a very large equivalent series resistance that causes them to dissipate power when a rap- idly varying DC voltage is applied. If this equivalent AC current is too high, these electrolytics will heat to the point of explosion. All electrolytic capacitor manufac- turers now make lines of capacitors that are designed to limit this equivalent series resistance. Comparison of Linear and Switching Supplies A comparison of representative linear and switching power supplies shows why we would want to use a switching supply in most applications. A linear power supply can only produce a voltage lower than the input voltage. All linear regulators require the input voltage to be at least a minimum amount above the output voltage. This is called the drop-out voltage. The drop-out voltage is the parameter that drives the calculations for efficiency and worst-case power dissipa- tion. Let’s look at the operation of a device that operates at 6.0 V and has a maximum current draw of 2 A. A representative linear regulator will have a drop-out voltage of 2 V. If we choose to use a lead acid battery, the battery will be discharged when the voltage reaches around 1. Since we require a minimum of 8 V xii Prelims.qxd 02/17/05 7:22 PM Page xiii Introduction (6 V for the load plus the 2 V drop-out voltage) for proper operation, we will require a minimum of 5 cells to provide the necessary voltage. This yields a mini- mum input voltage of 9.9 V when the battery is discharged. The power in the load is 12 W with 2 A supplied, and the regulator must dissipate 7.8 W when the bat- tery is discharged. This yields an efficiency of 60%. When the battery is fully charged, the cell voltage is 2.26 V and the battery supplies 11. The load power is still 12 W. The regulator must now dissipate 10.6 W, which yields an efficiency of 53%. The situation is better if we decide to draw less from each cell. We can increase www.com the efficiency and decrease the cost of the battery (at the cost of more frequent recharge cycles) if we stop operation at a cell voltage of 2. Now we only require 4 cells for operation. The regulator dissipates 4 W at end of charge so the efficiency increases to 75%. At full charge the efficiency has only improved to 67%. In the first example, 2 of the 5 cells contribute all of their energy to heat. In the second example, 1 of the 4 cells is used entirely for heat. You can see that linear regulation is a very expensive way to provide a constant voltage in a battery- operated system.