Vereenvoudig het ontwerp van voedingen met behulp van een gebruiksvriendelijke SMPS-matrix (Switch Mode Power Supply)

Ontwerpers van elektronische producten of apparaten hebben onvermijdelijk een geschikte voeding nodig. Met voedingsapparaten die variëren van tientallen watt tot meerdere kilowatts (kW), kan het een uitdaging zijn om de juiste componenten te vinden. Met duizenden opties, zoals gelijkrichters, vermogensregelaars, schakelaars en gatedrivers, kan het probleem het ontwerpproces vertragen, waardoor de kosten oplopen en deadlines in het gedrang komen.

Eén manier om het eenvoudiger te maken, is om te beginnen met de lijn intelligente stroomapparaten van een vertrouwde leverancier en hun online tools te gebruiken om optimale keuzes te maken. Zo kan een matrix voor SMPS-componenten (geschakelde voeding) georganiseerd op toepassing, topologie, apparaten en kritieke kenmerken het selectie- en ontwerpproces versnellen.

Dit artikel bespreekt kort het ontwerp van SMPS. Vervolgens wordt een SMPS-componentenmatrix van onsemi geïntroduceerd die bruggelijkrichters, controllers, gate drivers en vermogensschakelaars koppelt die compatibel zijn met elk vermogensniveau van de toepassing. Het legt de kritieke productdefinities uit en geeft voorbeelden van het gebruik van de matrix om de selectie van componenten te vereenvoudigen.

SMPS-ontwerp

Beschouw de belangrijkste elementen van een basis AC lijngevoede SMPS bedoeld voor een USB Power Delivery (PD) toepassing met een vermogen van 100 W (Afbeelding 1). De lijn of primaire kant van de voeding heeft meestal een gelijkrichter, een PFC-controller (power factor correction), een vermogensregelaar, een optocoupler, gatedrivers en vermogensschakelaars nodig. De secundaire zijde heeft meestal een synchrone gelijkrichtercontroller (SRC), synchrone gelijkrichterschakelaars (SR), een USB PD-controller en een optocoupler nodig.

Afbeelding 1: De belangrijkste onderdelen van een typische SMPS van 100 W worden getoond. (Bron afbeelding: onsemi, bewerkt door auteur)

De componenten voor dit ontwerp komen overeen met het vermogensniveau. Ontwerpers moeten topologieën aan primaire zijde kiezen voor PFC en vermogensregeling, en topologieën aan secundaire zijde voor gelijkrichter en regelaar. Op basis van die beslissingen kunnen ze vervolgens de afzonderlijke onderdelen selecteren.

Dit is waar de onsemi SMPS-matrix helpt bij het selecteren van voedingscomponenten (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De interactieve SMPS-matrix helpt ontwerpers bij het selecteren van actieve componenten op basis van de vermogensklasse van de voeding en de geprefereerde topologieën. (Bron afbeelding: onsemi)

De SMPS-matrix baseert de ontwerpkeuzes op het vermogensniveau en de dichtheid, die in de eerste twee kolommen aan de linkerkant staan. De hoogste vermogens staan bovenaan en nemen af naar de onderste rij. Vermogensniveaus van 5 W tot meer dan 3 kW zijn inbegrepen. Aangezien vermogensdichtheid een maat is voor het vermogen per volume-eenheid, levert ultrahoge vermogensdichtheid een voeding op die kleiner is dan een pakket met hoge dichtheid. Een alternatief voor deze twee verpakkingskeuzes is de low-profile verpakking. De matrix stelt de voedingsspanning in overeenkomstig het vermogensniveau.

Elk vermogensniveau in de matrix heeft één tot drie rijen met aanbevolen componenten die overeenkomen met de keuzes voor vermogensdichtheid, met geselecteerde componenten voor de topologieën aan primaire en secundaire zijde. Vermeldingen met n.v.t. geven aan dat de vermelding niet van toepassing is op dat specifieke vermogensniveau en die specifieke dichtheid.

In de kolom gelijkrichter staan de voorgestelde bruggelijkrichtercomponenten voor het bijpassende vermogensniveau. In sommige gevallen is de ingang brugloos. Dit gebeurt wanneer een gelijkrichterbrug niet nodig is omdat een andere component, zoals een totempaal PFC, de functie ervan heeft verdrongen. De "fast leg" en "slow leg" items in de PFC-velden identificeren snel totempaal PFC's. Deze PFC's hebben langzame schakelaars die werken op de lijnfrequentie, terwijl de snelle schakelaars werken op een hogere, meer typische schakelfrequentie.

De matrix stelt een primaire topologie voor op basis van het gewenste vermogensniveau. Er worden regelaars aanbevolen met een van de vier gangbare topologieën: flyback (switcher), active clamp flyback (ACF), quasi-resonante (QR) flyback of inductor-inductor-capacitor (LLC).

De flybackconvertor is een geïsoleerde voedingstopologie zonder directe elektrische verbinding tussen de primaire en secundaire zijde. Wanneer de vermogensschakelaar wordt uitgeschakeld, brengt de gekoppelde inductor energie over van de primaire naar de secundaire. De spanningsregeling van de converter wordt gehandhaafd met behulp van pulsbreedtemodulatie (PWM) bij een vaste frequentie.

Het ACF-ontwerp gebruikt het flybackconcept van een gekoppelde spoel om energie van de primaire naar de secundaire inductor over te brengen. Daarnaast wordt een actief apparaat gebruikt om de lekinductie van de gekoppelde inductor te ontladen of vast te klemmen op een condensator om de spanning op de MOSFET-vermogensschakelaar te minimaliseren.

De QR-flybacktopologie gebruikt de parasitaire inductantie en capaciteit van de schakeling om een bijna-resonante respons te verkrijgen en de vermogensschakelaar in te schakelen bij een minimum van de afvoerspanning. Dit 'zacht schakelen' vermindert de schakelverliezen van de convertor.De resulterende schakelfrequentie ligt niet vast en varieert met de belasting.

De LLC-convertor maakt gebruik van een volledig resonante respons om ervoor te zorgen dat de drainspanning echt nul wordt. Het vermindert de schakelverliezen, zelfs in onbelaste toestand, en is zeer geschikt voor hogere vermogensniveaus.

De aanbevolen controllers zijn geclusterd rond specifieke vermogensbereiken, waarbij de switcher wordt gebruikt voor de laagste vermogensniveaus, de QR en ACF voor middenniveaus en de LLC-convertors voor hogere vermogensniveaus.

De matrix bevat gedetailleerde SMPS-blokschema's die de verbindingen tussen de componenten illustreren voor elf specifieke ontwerpen voor vijf verschillende vermogensniveaus en -dichtheden die beschikbaar zijn binnen gelabelde tabbladen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De matrix bevat gedetailleerde SMPS-blokschema's voor elf specifieke ontwerpen, die vijf verschillende vermogensniveaus en -dichtheden dekken die beschikbaar zijn op gelabelde tabbladen. (Bron afbeelding: onsemi)

Zodra een vermogensniveau en dichtheid zijn geselecteerd, kunnen de componenten worden gekozen uit de juiste vermogensniveau-rijen en topologiespecifieke kolommen van de matrix. Als u op de componentnummers met hyperlinks klikt, wordt een uitgebreide weergave van de matrix geopend waarin de gemarkeerde nummers zijn gekoppeld aan DigiKey-onderdeelnummers (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Als u op een onderdeelnummer met een hyperlink in de oorspronkelijke matrix klikt, wordt een uitgebreide secundaire matrix geopend met koppelingen naar DigiKey-onderdeelvermeldingen. (Bron afbeelding: onsemi)

Alle componenten in de geselecteerde rij en topologie zijn compatibel.

De matrix gebruiken

Een uitstekend voorbeeld van een vermogensniveau in het middenbereik ter illustratie is een SMPS van 100 W voor USB PD, vergelijkbaar met het apparaat dat eerder werd getoond in het blokschema van Afbeelding 1. Als je naar de matrix kijkt, ziet u dat de rij met vermogensniveaus van 70 W tot 200 W de vereiste 100 W voeding dekt. Door "High" te selecteren in de kolom vermogensdichtheidverschijnt de uitgebreide matrix met koppelingen naar de benodigde onderdelen (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De groene vakken omlijnen de componentenselecties voor een SMPS met hoge dichtheid van 100 W op de uitgebreide matrix. De blauwe onderdeelnummers zijn gekoppeld aan een bijbehorende DigiKey-productfilterpagina. (Bron afbeelding: onsemi)

Internationale voorschriften, vooral in de Europese Unie, vereisen het gebruik van PFC bij vermogens van 75 W of meer. De aanbevolen PFC-controller is hier de onsemi NCP1623. De NCP1623 is een boost PFC-controller met kleine vormfactor die tot 300 W ondersteunt voor snellaadadapters en modulaire computervoedingen waar kosteneffectiviteit, betrouwbaarheid, hoge vermogensfactor en efficiëntie essentiële vereisten zijn. Hiervoor is een externe bruggelijkrichter nodig en de onsemi GBU6M of GBU6K worden aanbevolen. De compatibele PFC-vermogensschakelaar is de onsemi NTP125N60S5H, een snelle MOSFET met een maximale drain-bronspanning (V_DSS) van 600 V, een maximale drainstroom (I_D) van 22 ampère (A) en een drain-bron aan-weerstand (R_DS(ON)) van 125 milliohms (mΩ).

De aanbevolen primaire regelaar is de onsemi NCP1343 hoogfrequente QR-flybackcontroller. Het is een ideale controller voor AC/DC-adapters en open-frame voedingen omdat hij alle noodzakelijke componenten bevat die vereist zijn in moderne SMPS-ontwerpen. Het is gekoppeld aan de NVD260N65S3-vermogensschakelaar met een nominale waarde van 650 V_DSS, 12 A I_D en een R_DS(ON) van 260 mΩ.

De NPC4307 van onsemi is een stuurprogramma voor synchrone gelijkrichting aan de secundaire zijde van de voeding. Het zorgt voor efficiënte synchrone gelijkrichting bij gebruik met de onsemi NTMFSC010N08M7 MOSFET-schakelaar met een nominale waarde van 80 V_DSS, 61 A I_D en een R_DS(ON) van 10 mΩ.

De laatste belangrijke stap in het ontwerp is het selecteren van de USB PD-controller die de optocoupler kan beheren aan de secundaire kant van een AC/DC-adapter of een DC/DC-poortvoedingsregelaar. De matrix stelt de onsemi FUSB15101 PD3.0-protocolcontroller (met USB programmeerbare voeding (PPS) ondersteuning) voor aan de voedingsuitgang met behulp van een onsemi NTTFS4C02NTAG N-kanaals MOSFET met een nominale waarde van 30 V_DSS en 164 A I_D. De R_DS(ON) is 2,25 mΩ bij 10 V en 3,1 mΩ bij 4,5 V.

De resulterende voeding, beschikbaar als het onsemi NCP1343PD100WGEVB-evaluatiebord (Afbeelding 6), heeft een uitgangsspanningsbereik van 3,1 V tot 21 V. De gemiddelde efficiëntie is 92% bij ingangen van 115 V of 230 V_AC. Het past in een behuizing van 60 x 60 x 19 mm en heeft een vermogensdichtheid van 24 W per kubieke inch (W/in.³).

Afbeelding 6: De bovenste (links) en onderste (rechts) aanzichten van het 100 W USB PD-referentievoedingsontwerp op basis van componenten die zijn geselecteerd met behulp van de SMPS-matrix. (Bron afbeelding: onsemi)

Conclusie

De onsemi SMPS-matrix biedt een eenvoudig te gebruiken pad voor de selectie van voedingscomponenten, zodat de selectie van compatibele kritieke componenten overeenkomt met het vermogensniveau van het ontwerp. Het vermindert de tijd die nodig is om onderdelen te vinden en biedt directe links naar datasheets en prijsopgaven.