Импульсный источник питания мощностью 32W/81W(пиковая) на микросхеме PKS606 от Power Integrations.

Импульсный источник питания мощностью 32W/81W(пиковая) на микросхеме PKS606 от Power Integrations.

 

Введение:

Данный документ описывает импульсный источник питания с входным диапазоном питающих напряжений 90-265VAC и выходом 30V, 1.07A (продолжительная мощность) и 2.7A (пиковая мощность) построенный на микросхеме PKS606Y. Этот источник питания предназначен для применений, где требуется возможность питания импульсной нагрузки, таких как принтеры, аудио усилители и пр.

Спецификация:

Описание	Обозначение	Мин.	Норма	Макс.	Ед. изм.
Вход
Входное напряжение	Vin	90	-	265	VAC
Входная частота	fline	47	50/60	64	Hz
Потребление на холостом ходу	-	-	-	0.2	W
Выход
Выходное напряжение	Vout	27	30	33	V
Выходная пульсация	Vripple	-	-	400	mV
Выходной ток	Iout	0	1.07	2.71	A
Продолжительная выходная мощность	Pout	-	32	-	W
Пиковая выходная мощность	Pout_peak			81	W
КПД
КПД при полной нагрузке	n	-	82	-	%
Среднее КПД (требования СЕС) при нагрузках 25%,50%,75%,100%	ncec	80.2	-	-	%
ЭМИ и безопасность	Соответствуют CISPR22B/EN550225, IEC950, UL1950 класс 2.
Рабочий температурный диапазон	Tamb	0	-	50	C

 

Внешний вид источника питания:

Рис.1 Внешний вид печатного узла.

 

Схема электрическая принципиальная источника питания:

Рис.2 Схема электрическая принципиальная.

 

Описание работы схемы:

1). Входная фильтрация электромагнитных помех.

Компоненты С1, С2, С3, С10, С17, С19, R15 и L1, L2 - представляют собой фильтр дифференциальных и синфазных помех. Использование 2х Y-конденсаторов (С10 и С19), выходного дросселя L2, встроенной функции frequency jittering микросхем Power Integrations позволяет им соответствовать стандартам EN55022B. Резисторы R1 и R2 разражают конденсатор при отключении питающего сетевого напряжения.

2). Первичная часть.

Компоненты D5, C7, R5, R6 - обеспечивают слежение за уровнем питающего напряжения, предоставляя микросхеме U1 возможность отрабатывать просадки напряжения. При запуске схемы если питающее напряжение еще находится ниже минимального порога, схема не запускается. Этот уровень напряжения определяется уровнем тока (25uA) на выводе EN/UV. Если этот предел превышен, уровень минимального порога не проверяется, пока не наступит процедура авто-рестарта (нет обратной связи втечении 30ms). Это дает возможность источнику питания работать даже когда напряжение проседает ниже установленного уровня, но при этом поддерживается уровень требуемого напряжения на выходе.

Отдельная цепочка D5 и С7 - позволяют микросхеме U1 определять ситуацию ухода выходного напряжения от требуемого. Если входное напряжение выше минимального порога, то этот случай считается аварийным. Тогда микросхема "защелкивается". Если же входное напряжение ниже минимального порога, тогда причиной ухода выходного напряжения считается низкое входное напряжение. Микросхема останавливает работу (но не "защелкивается") до того момента, пока уровень минимального порога вновь не окажется превышен.

В том случае, если сработала "защелка" источника питания, для дальенйшей работы он должен быть перезапущен, путем отключения входного питающего напряжения. При этом конденсатор С7 разряжается, и уровень тока на выводе EN/UV снижается ниже уровня 25uA. Функция слежения за минимальным порогом напряжения может быть отключена путем удаления резистора R6. Резистор R16 обеспечивают микросхему U1 необходимым током для сохранения функции "защелки".

Элементы D7, C7, C8, R7 - обеспечивают питание и развязку микросхемы U1.

Элементы D6, C5, R3, R4 и VR1 - ограничивают на безопасном уровне выброс наряжения на микросхеме U1. Использование для элементв D6 диода с trr<500ms позволит КПД источника достигать более высокого уровня.

3). Вторичная часть.

Напряжение, полученное со вторичной обмотки, выпрямляется и фильтруется элементами D8 и С12. Так как пиковая нагрузка применяется очень короткий промежуток времени, то выходной конденсатор ставят их расчета тока пульсации на длительной мощности. Резистор R8 и конденсатор С11 служат для снижения высокочастотных ЭМИ.

4). Обратная связь.

Диоды D9 и VR2 вместе со светодиодом в U2 устанавливают уровень выходного напряжения. Резистор R13 обеспечивает дополнительный ток через D9 и VR2 для того, чтобы приблизить функционирование VR2 ближе к его точке перегиба характеристики. Для обратной связи используется оптопара U2 с высоким коэффициентом усиления 300-600% для того, чтобы снизить задержки реакции обратной связи.

5). Выходная защита.

Компоненты Q1, Q2, R9...R11, R14, C13, C16 и VR3 используются для "защелки" источника питания в условиях превышения входного напряжения или выходного тока. Т.е. эти компоненты вместе с цепью слежения за входным напряжением призваны отключить источник питания в условиях аварии.

В случае перенапряжения (вышла из строя оптопара) или превышения максимального выходного тока (заклинило шаговый двигатель), тиристор Q2 открывается и закорачивает выходную обмотку, для того, чтобы избежать последствий аварии.

Величина VR3 выбирается из соображений максимального выходного напряжения. Для защиты от превышения тока величина R9 выбирается таким образом, чтобы открыть транзистор Q1 при требуемом максимальном токовом пороге. Элементы R10 и С13 установлены для того, чтобы избежать ложных срабатываний защиты (время превышения по току должно быть >200ms).

"Защелка" может быть снята путем снятия входного питающего напряжения втечении 3 секунд (максимум). Этого времени вполне хватает, чтобы разрядить С7 и соответственно снизить уровень тока на выводе EN/UV ниже порога в 25uA.

 

Празводка печатного узла.

Рис.3 PCB печатного узла.

 

Перечень элементов

Номер	Кол-во	Обозначение	Описание	part number	Производитель
1	2	C1 C2	100 pF, Ceramic, Y1	ECK-DNA101MB	Panasonic
2	1	C3	680 nF, 275 VAC, Film, X2	PX684K3ID6	Carli
3	1	C4	150 µF, 400 V, Electrolytic, (18 x 35.5)	YSD2GM151L32B0BAI0264	Luminous Town
4	1	C5	2.2 nF, 1 kV, Disc Ceramic	5GAD22	Vishay
5	1	C6	47 µF, 35 V, Electrolytic, Gen. Purpose, (5 x 11)	ECA-1VHG470	Panasonic
6	1	C7	100 nF, 400 V, Film	ECQ-E4104KF	Panasonic
7	2	C8 C14	220 nF, 50 V, Ceramic, Z5U, 0.2" L.S.	C322C224M5U5CA	Kemet
8	1	C10 C19	1 nF, Ceramic, Y1	ECK-DNA102MB	Panasonic
9	1	C11	330 pF, 1 kV, Disc Ceramic	5GAT33	Vishay
10	1	C12	330 µF, 50 V, 22 m., Electrolytic, (10 x 25)	EEU-FM1H331L	Panasonic
11	1	C13	47 uF, 16 V, Electrolytic, Gen Purpose, (5 x 11.5)	ECA-1CHG470	Panasonic
12	2	C15 C16	100 nF, 50 V, Ceramic, Z5U	C317C104M5U5CA	Kemet
13	1	C17	4700 pF, 1 kV, Thru Hole, Disc Ceramic	5GAD47	Vishay/Sprague
14	5	D1 D2 D3 D4 D5	1000 V, 1 A, Rectifier, DO-41	1N4007	Vishay
15	1	D6	800 V, 1 A, Fast Recovery Diode, 500 ns, DO-41	FR106	Diodes Inc.
16	2	D7 D9	75 V, 300 mA, Fast Switching, DO-35	1N4148	Vishay
17	1	D8	150 V, 3 A, Schottky, DO-201AD	STPS3150RL	ST
18	1	D10	200 V, 1 A, Ultrafast Recovery, 50 ns, DO-41	UF4003	Vishay
19	1	F1	3.15 A, 250V, Slow, TR5	3,821,315,0410	Wickman
20	1	HS1	HEATSINK/Alum, TO220 1 hole, 2 mtg pins	Custom	Clark Precision Sheetmetal
21	1	J1	AC Input Receptacle and Accessory Plug, PCBM	161-R301SN13	Kobiconn
22	1	J2	2 Position (1 x 2) header, 0.156 pitch, Vertical	26-48-1021	Molex
23	1	J3	PCB Terminal Hole, 18 AWG	N/A	N/A
24	1	JP1	Wire Jumper, Non insulated, 22 AWG, 0.4 in	298	Alpha
25	1	JP2	Wire Jumper, Non insulated, 22 AWG, 0.3 in	298	Alpha
26	1	L1	5.3 mH, 1 A, Common Mode Choke	ELF15N010A	Panasonic
27	1	L2	5.3 µH, 4 A, Common Mode Choke Bead	Custom	-
28	1	U1 (REF)	Nut, Hex, Kep 4-40, Zinc Plate	-	-
29	1	Q1	PNP, Small Signal BJT, 40 V, 0.2 A, TO-92	2N3906	Vishay
30	1	Q2	SCR, 400 V, 1.25 A, TO-92	FS0202DA	Fagor
31	2	R1 R2	1.3 M., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-1M3	Yageo
32	1	R3	10 k., 5%, 1/2 W, Carbon Film	CFR-50JB-10K	Yageo
33	1	R4	22 ., 5%, 1/2 W, Carbon Film	CFR-50JB-22R	Yageo
34	1	R5	2.2 M., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-2M2	Yageo
35	1	R6	2.4 M., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-2M4	Yageo
36	1	R7	4.7 k., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-4K7	Yageo
37	1	R8	68 ., 5%, 1/2 W, Carbon Film	CFR-50JB-68R	Yageo
38	1	R9	0.33 ., 5%, 2 W, Metal Oxide	RS2 0.33 5% A	Stackpole/Sei
39	1	R10	1.5 k., 5%, 1/8 W, Carbon Film	CFR-12JB-1K5	Yageo
40	1	R11	3 k., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-3K0	Yageo
41	2	R12 R13	1 k., 5%, 1/4 W, Carbon Film	CFR-25JB-1K0	Yageo
42	1	R14	100 ., 5%, 1/8 W, Carbon Film	CFR-12JB-91R	Yageo
43	1	R15	2.2 ., 5%, 1/8 W, Carbon Film	CFR-12JB-2R2	Yageo
44	1	R16	2.7 M., 5%, 1/8 W, Carbon Film	CFR-12JB-2M7	Yageo
45	1	RT1	NTC Thermistor, 10 ., 1.7 A	CL-120	Thermometrics
46	1	U1 (REF)	SCR, Phillips, 4-40X5/16 Pan head Machince screw, Steel, Zinc plate	-	-
47	1	T1	Transformer, EE25, 10 Pins, Vertical	SIL6039	Hi Cal
48	1	U1	PeakSwitch, PKS606Y, TO-220-7C	PKS606Y	Power Integrations
49	1	U2	Opto coupler, 35 V, CTR 300-600%, 4-DIP	PC817X4	Sharp
50	1	VR1	100 V, 5%, 1 W, DO-41	1N4764A	Microsemi
51	1	VR2	28 V, 5%, 500 mW, DO-35	1N5255B	Microsemi
52	1	VR3	36 V, 5%, 500 mW, DO-35	1N5258B	Microsemi
53	1	U1 (REF)	Washer Flat #4, ZINC PLATED	#4FWZ	Building Fasteners
54	1	-	PCB, EP-93, REVD	-	-
55	1	J1 (REF)	Wire, UL1015, 18 AWG, GRN/YEL	8918-189	Belden
56	1	J1 (REF)	Heat Shrink, 1/4", BLK	221014-6BK	Alpha
57	1	J1 (REF)	Snap-in Terminal	02-07-2102	Molex
58	1	U1 (REF)	Silicone Heat Sink Compound	-	-
59	1	C4, RT1, L2 (REF)	Silicone Adhesive, Non-Corrosive	19-155	GC Electronics

 

Параметры трансформатора:

1). Электрическая схема трансформатора.

Рис.4 Электрическая схема трансформатора.

 

2). Электрическая спецификация.

Электрическая прочность (1 секунда, с выводов 1-5 на выводы 6-10) - 3000VAC / 60Hz.

Защитное расстояние (между выводами 1-5 и выводами 6-10) - 6 mm (минимум).

Индуктивность первичной обмотки (выводы 1-2, все остальные обмотки разомкнуты, 100kHz, 0.4VRMS) - 132uH +/-10%

Резонансная частота (выводы 1-2, все остальные обмотки разомкнуты) - 2MHz (минимум).

Индукция рассеяния первичной обмотки (выводы 1-2, выводы 6-10 закорочены, 100kHz, 0.4VRMS) - 5.5uH (максимум).

 

3). Схема построения трансформатора

Рис. 5 Схема построения трансформатора.

 

Графики работы устройства:

1). Зависимость КПД источника питания от уровня входного питающего напряжения.

Рис. 6 Зависимость КПД источника от уровня входного питающего напряжения (при нагрузке 25%, 50%, 75%, 100%).

 

Требования СЕС по КПД в активном режиме:

По требованиям СЕС (California Energy Commission) для того, чтобы источник питания имел право изготавливаться продаваться на территории США после 1го июля 2006 года, он должен удовлетворять соответствующим требованиям по среднему КПД (он вычисляется как среднее арифмитическое между 4мя замерами КПД при 25%,50%,75%,100% потребляемой мощности):

Выходная мощность источника Po.	Минимальный КПД в активном режиме
<1W	0.49*Po
1W<Po<49W	0.09*ln(Po) (ln - натуральный логарифм)
>49W	0.84

Для источников питания с одним питающим напряжением - измерения проводятся только на нем. Если источник питания имеет универсальное вхоное питающее напряжение, то замеры производятся как на напряжении 115 VAC так и на напряжении 250VAC.

Для соблюдения стандартов СЕС - средний КПД должен быть равен или превышать требования СЕС.

Рассмотрим замеры о КПД данного источника питания:

Процент от полной нагрузки	КПД (%)
	115 VAC	230 VAC
25	81,0%	80,5%
50	81,6%	81,5%
75	82,4%	82,8%
100	82,1%	83,4%
Средний КПД	81,8%	82%
Требования СЕС по минимальному среднему КПД	80,2%

Как мы видим из таблицы, требования СЕС в данном случае полностью соблюдаются.

2). Зависимость потребляемой мощности на холостом ходу от входного напряжения.

Рис. 7 Зависимость потребляемой мощности на холостом ходу от входного напряжения.

 

3) Доступная выходная мощность на холостом ходу взависимости от входного напряжения (при входном потреблении 1W и 3W).

Рис. 8 Доступная выходная мощность на холостом ходу взависимости от входного напряжения (при входном потреблении 1W и 3W).

 

Тепловые характеристики работы:

Температура ключевых компонентов при комнатной температуре окружающей среды и входном напряжении 85 VAC сведены в таблицу:

Параметр	Температура (С)
-	85 VAC
Окружающая среда	25,2
D8 (выходной выпрямитель)	65,8
С12 (выходной конденсатор)	47,0
U1 (Peakswitch)	70,0
T1 (трансформатор)	58,0
L1 (дроссель)	47,0
С4 (входная емкость)	34,7

 

Автор документа - Департамент по применению Power Integrations.

Более подробную информацию вы можете узнать, прочитав оригинал.

Перевел и подготовил - Бандура Геннадий (Bandura (at) macrogroup.ru).

Менеджер по направлению Power Integrations

Компания Макро Групп (Эксклюзивный дистрибьютор Power Integrations на территории России и СНГ).

www.macrogroup.com