Semplificate la progettazione degli alimentatori con una tabella degli alimentatori a commutazione (SMPS) di facile utilizzo

I progettisti di prodotti o dispositivi elettronici hanno inevitabilmente bisogno di un'alimentazione adeguata. Con dispositivi di potenza che vanno da decine di watt a diversi chilowatt, può essere difficile trovare i componenti giusti. Viste le migliaia di opzioni, tra raddrizzatori, controller di potenza, interruttori e gate driver, la scelta può rallentare il processo di progettazione, aggiungendo costi e compromettendo le scadenze.

Un modo per semplificare le cose è quello di iniziare con la linea di dispositivi di alimentazione intelligenti di un fornitore di fiducia e di utilizzare i loro strumenti online per effettuare le scelte ottimali. Ad esempio, una tabella degli alimentatori a commutazione (SMPS) organizzata per applicazione, topologia, dispositivi e caratteristiche critiche può accelerare il processo di selezione e progettazione.

Questo articolo illustra brevemente la progettazione di SMPS. Presenta quindi una tabella di componenti SMPS di onsemi che correla raddrizzatori a ponte, regolatori, gate driver e interruttori di alimentazione compatibili con ciascun livello di potenza dell'applicazione. Infine, spiega le definizioni dei prodotti critici e fornisce esempi di utilizzo della tabella per semplificare la selezione dei componenti.

Progettazione di SMPS

Consideriamo gli elementi chiave di un SMPS di base alimentato dalla linea c.a. e destinato a un'applicazione USB Power Delivery (PD) con un livello di potenza di 100 W (Figura 1). La linea o il lato primario dell'alimentazione richiede tipicamente un raddrizzatore, un controller a correzione del fattore di potenza (PFC), un controller di potenza, un optoaccoppiatore, gate driver e interruttori di alimentazione. Il lato secondario necessita tipicamente di un controller a raddrizzatore sincrono (SRC), di interruttori a raddrizzatore sincrono (SR), di un controller PD USB e di un optoaccoppiatore.

Figura 1: I componenti principali di un tipico SMPS da 100 W. (Immagine per gentile concessione di onsemi, modificata dall'autore)

I componenti di questo progetto corrispondono al livello di potenza. I progettisti devono scegliere le topologie del lato primario per il PFC e il controllo della potenza e le topologie del raddrizzatore e del regolatore del lato secondario. Sulla base di queste decisioni, possono poi selezionare i singoli componenti.

È qui che la tabella SMPS di onsemi aiuta a selezionare i componenti di alimentazione (Figura 2).

Figura 2: La tabella interattiva degli SMPS aiuta i progettisti a selezionare i componenti attivi in base alla classe di potenza degli alimentatori e alle topologie preferite. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

La tabella SMPS basa le scelte progettuali sul livello di potenza e sulla densità, che appaiono nelle prime due colonne a sinistra. I livelli di potenza più elevati si trovano in alto e scendono verso il basso. Sono inclusi livelli di potenza da 5 W a oltre 3 kW. Poiché la densità di potenza è una misura della potenza per unità di volume, la densità di potenza ultraelevata consente di ottenere un alimentatore più piccolo di un contenitore ad alta densità. Un'alternativa a queste due scelte di confezionamento è il contenitore a profilo ribassato. La tabella imposta il livello di tensione di alimentazione in base al livello di potenza.

Ogni voce del livello di potenza nella tabella presenta da una a tre righe di componenti consigliati corrispondenti alle scelte di densità di potenza, fornendo componenti selezionati per le topologie del lato primario e secondario. Le voci contrassegnate N/A indicano che tale criterio non si applica a quel particolare livello di potenza e densità.

La colonna del raddrizzatore elenca i componenti del raddrizzatore a ponte suggeriti per il livello di potenza corrispondente. In alcuni casi, l'ingresso è senza ponte. Ciò si verifica quando non è necessario il ponte raddrizzatore, perché un altro componente, come un PFC totem pole, ne ha sostituito la funzione. Le voci "Fast Leg" e "Slow Leg" nei campi PFC identificano rapidamente i PFC totem pole. Questi PFC hanno interruttori lenti che funzionano alla frequenza di linea, mentre gli interruttori veloci funzionano a una frequenza di commutazione più alta e tipica.

La tabella suggerisce una topologia primaria in base al livello di potenza desiderato. Si consigliano dispositivi di controllo con una delle quattro topologie più comuni: flyback (switcher), flyback con clamping attivo (ACF), flyback quasi risonante (QR) o induttore-induttore-condensatore (LLC).

Il convertitore flyback è una topologia di alimentazione isolata, senza connessione elettrica diretta tra i lati primario e secondario. Quando il dispositivo di commutazione si spegne, l'induttore accoppiato trasferisce l'energia dal primario al secondario. Il controllo della tensione del convertitore viene mantenuto mediante una commutazione a modulazione della larghezza di impulso (PWM) a frequenza fissa.

Il progetto ACF utilizza il concetto di flyback di un induttore accoppiato per trasferire l'energia dal primario al secondario. Inoltre, utilizza un dispositivo attivo per scaricare o bloccare l'induttanza di dispersione dell'induttore accoppiato su un condensatore per ridurre al minimo le sollecitazioni sull'interruttore di alimentazione MOSFET.

La topologia flyback QR sfrutta l'induttanza e la capacità parassite del circuito per ottenere una risposta quasi risonante e attivare l'interruttore di alimentazione a una minima tensione di drain. Questa "commutazione graduale" riduce le perdite di commutazione del convertitore.La frequenza di commutazione risultante non è fissa e varia con il carico.

Il convertitore LLC utilizza una risposta completamente risonante per garantire una vera commutazione a tensione di drain zero. Riduce le perdite di commutazione anche in condizioni di assenza di carico ed è adatto a livelli di potenza più elevati.

I controller consigliati sono raggruppati intorno a specifici intervalli di potenza, utilizzando lo switcher per i livelli di potenza più bassi, il QR e l'ACF per le alimentazioni di fascia media e i convertitori LLC per i livelli di potenza più elevati.

La tabella comprende schemi a blocchi SMPS dettagliati, che illustrano le correlazioni tra i componenti per undici progetti specifici, che coprono cinque diversi livelli di potenza e densità disponibili all'interno di schede etichettate (Figura 3).

Figura 3: La tabella include schemi a blocchi dettagliati di SMPS per undici progetti specifici, che coprono cinque diversi livelli di potenza e densità, disponibili in schede etichettate. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Una volta selezionati il livello di potenza e la densità, i componenti possono essere scelti dalle righe del livello di potenza e dalle colonne specifiche della topologia della tabella. Facendo clic sui numeri dei componenti ipertestuali si apre una vista espansa della tabella in cui i numeri evidenziati sono collegati ai codici componente DigiKey (Figura 4).

Figura 4: Facendo clic su un qualsiasi numero di componente ipertestuale nella tabella originale, si apre una tabella secondaria espansa con collegamenti alle voci dei componenti DigiKey. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Tutti i componenti elencati nella riga e nella topologia selezionata sono compatibili.

Utilizzo della tabella

Un ottimo esempio di livello di potenza intermedio a scopo illustrativo è un SMPS da 100 W per USB PD, simile all'unità precedentemente mostrata nel diagramma a blocchi della Figura 1. Guardando la tabella, la riga dei livelli di potenza da 70 W a 200 W copre l'alimentazione di 100 W richiesta. Selezionando "Alto" nella colonna Densità di potenza nominale, viene visualizzata la tabella espansa con i collegamenti ai componenti necessari (Figura 5).

Figura 5: Le caselle verdi delineano le selezioni dei componenti per un SMPS ad alta densità da 100 W nella tabella espansa. I codici componente in blu sono collegati a una pagina di filtro del prodotto DigiKey associato. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Le normative internazionali, in particolare quelle dell'Unione Europea, richiedono l'utilizzo dei PFC a livelli di potenza pari o superiori a 75 W. Il controller PFC consigliato è NCP1623 di onsemi. NCP1623 è un controller PFC boost compatto che supporta fino a 300 W per gli adattatori di alimentazione a ricarica rapida e gli alimentatori modulari per computer, dove economicità, affidabilità, elevato fattore di potenza ed efficienza sono requisiti essenziali. Richiede un raddrizzatore a ponte esterno e per questo si consiglia GBU6M o GBU6K di onsemi. L'interruttore di alimentazione PFC compatibile è NTP125N60S5H di onsemi, un MOSFET veloce con una tensione massima drain-source (V_DSS) di 600 V, una corrente di drain massima (I_D) di 22 A e una resistenza drain-source nello stato On (RDSon) di 125 mΩ.

Il controller del lato primario consigliato è il controller in flyback QR ad alta frequenza NCP1343 di onsemi. È un dispositivo ideale per gli adattatori c.a./c.c. e gli alimentatori a telaio aperto, poiché incorpora tutti i componenti necessari per i moderni progetti SMPS. È abbinato all'interruttore di alimentazione NVD260N65S3 con una tensione nominale di 650 V_DSS, 12 A di I_D e una RDSon di 260 mΩ.

NPC4307 di onsemi è un driver di raddrizzamento sincrono sul lato secondario dell'alimentatore. Garantisce un efficiente raddrizzamento sincrono quando è utilizzato con il commutatore MOSFET NTMFSC010N08M7 di onsemi con una tensione nominale di 80 V_DSS, 61 A di I_D e una RDSon di 10 mΩ.

L'ultima fase importante del progetto è la scelta del controller USB PD in grado di gestire l'optoaccoppiatore sul lato secondario di un adattatore c.a./c.c. o di un regolatore di potenza con porta c.c./c.c. La tabella suggerisce il controller di protocollo PD3.0 FUSB15101 di onsemi, con supporto per alimentazione programmabile USB (PPS) all'uscita dell'alimentazione utilizzando un MOSFET a canale N NTTFS4C02NTAG di onsemi classificato a 30 V_DSS e 164 A di I_D. La sua RDSon è di 2,25 mΩ a 10 V e di 3,1 mΩ a 4,5 V.

L'alimentatore risultante, disponibile come scheda di valutazione NCP1343PD100WGEVB di onsemi (Figura 6), ha un intervallo della tensione di uscita da 3,1 V a 21 V. La sua efficienza media è del 92% con ingressi a 115 V o 230 V_c.a.. Si inserisce in un contenitore di 60 x 60 x 19 mm e ha una densità di potenza di 1,46 W/cm³.

Figura 6: Le viste dall'alto (a sinistra) e dal basso (a destra) del progetto dell'alimentatore di riferimento USB PD da 100 W basato sui componenti selezionati nella tabella SMPS. (Immagine per gentile concessione di onsemi)

Conclusione

La tabella SMPS di onsemi è un metodo intuitivo per la selezione dei componenti di alimentazione, assicurando che la scelta dei componenti critici compatibili corrisponda al livello di potenza del progetto. Riduce il tempo necessario per trovare i componenti e fornisce collegamenti immediati alle schede tecniche e ai preventivi d'acquisto.