Usare i CI di commutazione avanzati per implementare alimentatori c.a./c.c. efficienti, ricchi di funzioni e a basso consumo.

Gli alimentatori c.a./c.c. a bassa potenza, pari o inferiori a 10 W, sono ampiamente utilizzati in dimmer per uso domestico, interruttori, sensori, elettrodomestici, Internet delle cose (IoT) e controlli industriali. Il loro ciclo di lavoro è relativamente basso, con il carico in modalità standby per lunghi periodi, ma l'alimentazione deve "riattivarsi" rapidamente quando il dispositivo deve mettersi in funzione.

La progettazione di tali alimentatori è concettualmente semplice: si inizia con alcuni diodi per il raddrizzamento della linea, si aggiunge un CI di controllo, si inseriscono condensatori di filtro sull'uscita, poi un trasformatore se è necessario l'isolamento e il gioco è fatto. Tuttavia, nonostante l'apparente semplicità, in realtà costruire questi prodotti non è affatto semplice.

Devono fornire come minimo una linea di uscita c.c. stabile e soddisfare diversi requisiti normativi rigorosi per la sicurezza dell'utente, l'efficienza sotto carico e l'efficienza in standby. Inoltre, i progettisti devono tener conto di problemi legati al layout fisico, ai componenti ausiliari, all'affidabilità, alla valutazione delle prestazioni, alla certificazione e al confezionamento, mentre si impegnano a ridurre al minimo l'ingombro e i costi, rispettando al contempo cicli di immissione sul mercato brevi.

Questo articolo presenta una famiglia di CI di commutazione offline altamente integrati di Power Integrations e mostra come può utilizzarli per affrontare queste sfide.

MOSFET e controller in CI integrati

La famiglia LinkSwitch-TNZ comprende otto distinti CI di commutazione offline di Power Integrations e combina uno switch MOSFET di potenza a 725 V con un controller di alimentazione in un unico dispositivo alloggiato in un contenitore SO-8C. Ciascun CI monolitico offre un'eccellente capacità di resistenza ai picchi transitori, un oscillatore, una sorgente di corrente commutata ad alta tensione per l'autopolarizzazione, jitter di frequenza, un limite di corrente rapido (ciclo per ciclo), arresto termico con isteresi e un circuito di protezione dalle sovratensioni in uscita e in ingresso.

I dispositivi possono costituire il nucleo di un sistema non isolato, come il progetto del convertitore buck (Figura 1) che utilizza LNK3306D-TL con una corrente di uscita di 225 mA o 360 mA, a seconda della modalità di conduzione selezionata. Possono anche essere configurati come alimentatori buck/boost non isolati, in grado di erogare fino a 575 mA di corrente di uscita.

Figura 1: Questo tipico progetto di convertitore buck non isolato utilizza un componente della famiglia LinkSwitch ed è solo una delle molte topologie possibili con questi dispositivi. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

Sebbene i carichi a doppio isolamento o altrimenti protetti dai guasti del cablaggio in c.a. non necessitino di isolamento galvanico, alcuni dispositivi lo richiedono. L'utilizzo dei dispositivi LinkSwitch-TNZ in un progetto flyback isolato a ingresso universale è la scelta migliore in questa situazione. I dispositivi offrono fino a 12 W di potenza di uscita in questa topologia.

I CI della famiglia LinkSwitch-TNZ offrono diverse correnti di uscita e capacità di potenza, a seconda della topologia (Tabella 1).

Tabella 1: La famiglia LinkSwitch-TNZ supporta diverse configurazioni, topologie e modalità operative. Ciascuna disposizione ha un limite diverso di massima corrente o potenza in uscita. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

Dalla concezione all'implementazione

L'elevata integrazione e flessibilità della famiglia LinkSwitch-TNZ semplifica il compito del progettista. Tra le numerose sfide insite nello sviluppo di un alimentatore certificato e pronto per la spedizione vi sono:

1. Severi requisiti obbligatori associati all'efficienza e alla sicurezza. Questi sono resi più difficili dalla necessità di fornire energia in modalità standby, pur rispettando le severe normative sull'efficienza in standby. I CI LinkSwitch-TNZ offrono le migliori efficienze a basso carico della categoria, consentendo di alimentare un maggior numero di funzioni del sistema nel rispetto delle norme di standby, tra cui:
   • Lo standard della Commissione Europea (CE) per gli elettrodomestici (1275), che richiede che le apparecchiature non consumino più di 0,5 W in modalità standby o spenta
   • Energy Star versione 1.1 per i sistemi di gestione intelligente dell'energia domestica (SHEMS), che limita il consumo in standby dei dispositivi di controllo dell'illuminazione intelligente a 0,5 W
   • La normativa cinese GB24849, che limita a 0,5 W il consumo di energia in modalità off nei forni a microonde

Oltre a soddisfare questi requisiti, i CI LinkSwitch-TNZ riducono il numero di componenti del 40% o più rispetto ai progetti discreti. Questi alimentatori a commutazione in CI consentono una regolazione del ±3% su linea e carico, hanno un consumo a vuoto inferiore a 30 mW con polarizzazione esterna e una corrente di standby del CI inferiore a 100 µA.

2. Supportano in modo sicuro connessioni di linea c.a. a due fili senza neutro e connessioni a tre fili. Molti carichi, come dimmer, interruttori e sensori, non prevedono questo terzo filo, per cui esiste il rischio di una corrente di dispersione eccessiva e potenzialmente pericolosa. Lo standard definisce la corrente di dispersione massima in varie circostanze e la dispersione di LinkSwitch-TNZ sotto i 150 µA in progetti a due fili senza neutro è inferiore a questo valore massimo.
3. Non superano i limiti di emissione in termini di interferenze elettromagnetiche (EMI). Per raggiungere questo obiettivo, l'oscillatore LinkSwitch-TNZ utilizza una tecnica a spettro diffuso che introduce un piccolo jitter di frequenza di 4 kHz intorno alla frequenza di commutazione nominale di 66 kHz (Figura 2). La velocità di modulazione del jitter di frequenza è impostato su 1 kHz per ottimizzare la riduzione delle EMI per le emissioni medie e di quasi-picco.

Figura 2: Per mantenere le emissioni EMI al di sotto dei limiti normativi, l'oscillatore LinkSwitch-TNZ utilizza una tecnica a spettro diffuso di 4 kHz intorno alla frequenza di commutazione nominale di 66 kHz. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

4. Rilevano lo zero-crossing della linea c.a. con un minimo di componenti aggiuntivi o di consumo energetico. Questo rilevamento è necessario per gli interruttori della luce, i dimmer, i sensori e le spine, che collegano e scollegano periodicamente la linea c.a. utilizzando un relè o un TRIAC.

Il segnale di zero-crossing viene utilizzato dai prodotti e dagli apparecchi intelligenti per la casa e l'automazione degli edifici (HBA) per controllare la commutazione e ridurre al minimo le sollecitazioni di commutazione e la corrente di inserzione del sistema.

Analogamente, gli apparecchi utilizzano spesso un circuito discreto di rilevamento zero-crossing per controllare la temporizzazione del motore e dell'unità microcontroller (MCU). Queste applicazioni richiedono anche un'alimentazione ausiliaria per la connettività wireless, i gate driver, i sensori e i display.

A tal fine, di solito viene implementato un circuito discreto per rilevare lo zero-crossing della linea c.a. e la transizione di accensione del dispositivo di potenza primario riducendo le perdite di commutazione e la corrente di inserzione. Questo approccio richiede molti componenti ed è caratterizzato da una forte perdita, che a volte consuma quasi la metà della potenza disponibile in standby.

I CI LinkSwitch-TNZ forniscono invece un segnale preciso che indica che la linea in c.a. sinusoidale è a zero volt. Il rilevamento del punto di zero-crossing da parte di LinkSwitch-TNZ consuma meno di 5 mW, consentendo ai sistemi di ridurre le perdite di potenza in standby rispetto ad approcci alternativi che richiedono dieci o più componenti discreti e dissipano 50-100 mW di potenza continua.

Poi c'è il condensatore X

I filtri EMI di linea includono condensatori di Classe X e Classe Y per ridurre al minimo la generazione di EMI/RFI. Sono collegati direttamente all'ingresso di alimentazione c.a. sulla linea in c.a. e sul neutro c.a. (Figura 3).

Figura 3: Il filtraggio EMI richiede condensatori di filtraggio di Classe X e Classe Y sulla linea in c.a., ma il condensatore di Classe X deve essere gestito dopo la disconnessione della linea per garantire la sicurezza dell'utente. (Immagine per gentile concessione di www.topdiode.com)

Le norme di sicurezza richiedono che il condensatore X nei filtri EMC venga scaricato quando la linea in c.a. viene scollegata, per garantire che la tensione e l'energia immagazzinate non rimangano sul cavo di linea per un periodo prolungato dopo l'interruzione. Il tempo di scarica massimo consentito è regolato da standard quali IEC60950 e IEC60065.

L'approccio tradizionale per garantire la scarica richiesta consiste nell'aggiungere un resistore bleeder in parallelo al condensatore X. Tuttavia, questo approccio comporta una penalizzazione in termini di potenza. Una soluzione migliore consiste nell'includere una funzione di scarica del condensatore X con una costante di tempo impostabile dall'utente. I CI come LNK3312D-TL seguono questo approccio. Ciò si traduce in una riduzione dell'ingombro sulle schede CS (PCB), in una riduzione della distinta base e in una maggiore affidabilità.

Gli alimentatori e i convertitori necessitano di molteplici funzioni di protezione. Tutti i dispositivi della famiglia di CI LinkSwitch-TNZ incorporano:

• Avvio graduale per limitare le sollecitazioni sui componenti del sistema all'avvio
• Riavvio automatico in seguito a cortocircuito e guasti di anello aperto
• Protezione dalle sovratensioni in uscita
• Protezione dalle sovratensioni sull'ingresso di linea
• Protezione per isteresi dalla sovratemperatura

Dal CI al progetto completo

Per quanto buono o ricco di funzioni, da solo un CI non può essere un convertitore c.a./c.c. completo e pronto all'uso, poiché molti componenti non possono o non devono essere integrati nel dispositivo. Questi includono condensatori di filtraggio di massa, condensatori di bypass, induttori, trasformatori e componenti di protezione. La necessità di componenti esterni è dimostrata dall'alimentatore a tensione costante, non isolato con ingresso universale, 6 V, 80 mA, con rilevatore di zero-crossing basato su un dispositivo LNK3302D-TL (Figura 4).

Figura 4: I componenti esterni necessari per un alimentatore a tensione costante completo e sicuro, non isolato, con ingresso universale, 6 V, 80 mA e rilevatore di zero-crossing, basato su un CI LNK3302D-TL. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

Esistono anche dimensioni minime di sicurezza per attributi quali la distanza di isolamento superficiale e distanza di isolamento in aria. Il problema diventa quindi la difficoltà di sviluppare un progetto completo. La famiglia di CI LinkSwitch-TNZ facilita il compito. Ad esempio, utilizzando una frequenza di commutazione di 66 kHz, i magneti necessari sono prodotti standard e disponibili presso diversi fornitori. Inoltre, Power Integrations fornisce vari progetti di riferimento.

Per coloro che necessitano di un alimentatore isolato, il progetto di riferimento RDK-877 (Figura 5) è un alimentatore flyback isolato da 6 W con rilevamento zero-crossing basato sul LNK3306D-TL.

Figura 5: Il progetto di riferimento RDK-877 da 6 W fornisce isolamento in una topologia flyback ed è basato sul modello LNK3306D-TL. (Immagine per gentile concessione di Power Integrations)

L'alimentatore ha un intervallo di ingresso compreso tra 90 V_c.a. e 305 V_c.a., un'uscita di 12 V a 500 mA e un assorbimento di potenza in assenza di carico inferiore a 30 mW sull'intero intervallo della linea in c.a. In modalità standby sono disponibili oltre 350 mW di potenza, mentre l'efficienza in modalità attiva soddisfa i requisiti DOE6 e CE CoC (v5) con un'efficienza a pieno carico superiore all'80% ai carichi nominali. Il progetto soddisfa inoltre i requisiti EN550022 e CISPR-22 Classe B per le EMI condotte.

Conclusione

La progettazione e l'implementazione di un alimentatore c.a./c.c. a basso consumo possono sembrare banali. Tuttavia, la realtà di soddisfare gli obiettivi di prestazioni ed efficienza, i mandati normativi e di sicurezza, nonché le richieste di costi, ingombri e veloci tempi di commercializzazione rendono il compito impegnativo. I CI di commutazione come quelli della famiglia LinkSwitch-TNZ di Power Integrations, che combinano controller e MOSFET, facilitano notevolmente il compito. Questi CI supportano diversi livelli di potenza e possono essere utilizzati con varie topologie di alimentazione, incorporando funzioni essenziali come il rilevamento zero-crossing e lo scaricamento del condensatore X.