Prekidačko Napajanje (Switch Mode Power Supply-SMPS)

 

Prekidačko napajanje ima svoju primjenu u industriji i elektronici za letjelice već duže vrijeme. Tu je od primarne važnosti visok stupanj korisnog djelovanja, mala težina i mala veličina. Današnja prekidačka napajanja (često nazvana «choppers» ili «switchers») imaju široku primjenu u elektronskim uređajima koji se napajaju izmjeničnim naponima. To su kompjuteri, monitori, televizijski prijemnici i videorekorderi.

Ovdje će biti opisane osnove funkcioniranja tipičnog poluvodičkog napajanja koji se koriste u uređajima potrošačke elektronike. Pokriveni su pulsno širinski ( Pulse width – PWM) i pulsno frekvencijski tip (Puls rate – PRM).

Prednosti prekidačkog napajanja

Prekidačko napajanje nudi tri glavne prednosti u odnosu na uobičajeno linearno napajanje.

1. Visoka djelotvornost i manje zagrijavanje.

2. Čvršća regulacija

3. Manje dimenzije i težina

Najvažnije prednosti je veliki stupanj korisnog djelovanja. Uobičajena linearna napajanja su nedjelotvorna, pošto reguliraju napon tako da pretvaraju višak snage u toplinu. Transformator za izmjenični napon radi na 50Hz, također pridonosi malom stupnju korisnog djelovanja nekih izvora napajanja. Kad se sve količine nedjelotvornosti zbroje, uobičajeno linearno napajanje ima stupanj korisnog djelovanja od 50%, dok prekidačko napajanje ima iskoristivost od 60% do 90%. To je vrlo značajno u slučaju kad dizajneri žele smanjiti proizvedenu toplinu, smanjiti cijenu ili povećati vijek trajanja baterije.

Ostale ključne prednosti prekidačkog napajanja je njihova mogućnost da točno reguliraju izlazni napon. Prekidačko napajanje se samo prilagođuje ulaznom naponu ili prema struji opterećenja, s malim izmjenama u stupnju iskoristivosti. Prekidačko napajanje se neprekidno regulira i prati promjene u opterećenju gotovo trenutno. Dodatno, prekidačko napajanje imaju jedinstvenu mogućnost da održe točni izlazni napon kad je ulazni napon niži nego što bi trebao biti. U stvari ono proizvodi izlazni napon koji je viši nego istosmjerni napon na ulazu.

I konačno prednost prekidačkih napajanja je njihova relativno mala težina i veličina. Pošto rade na visokim frekvencijama, dijelovi su fizički manji nego kod linearnih napajanja koji rade na 50Hz. Transformatori, kondenzatori i zavojnice su manji i lakši. To ih čini idealnim za prenosive uređaje.

 

Osnove rada prekidačkog napajanja

Pogledajmo izbliza osnovni blok dijagram prekidačkog napajanja na slici 1.

Slika 1 :

Osnovni sklop SMPS-a se sastoji od izvora istosmjernog napona, prekidačkog sklopa, transformatora za povećanje ili smanjenje napona i kontrolnog stupnja.

Srce napajanja je prekidački tranzistor i prekidački transformator. Nereguliranim B+ napaja se prekidački tranzistor preko primarnog namotaja transformatora. Prekidački tranzistor (SOT) je sklopka. Kad je sklopka zatvorena (tranzistor je uključen), zatvara se strujni krug kroz primar transformatora prema zemlji. Kao što ćemo vidjeti kasnije, kako se brzo ili kako dugo sklopka ostaje zatvorena tako se regulira izlazni napon.

Struja koja protječe kroz primarni namotaj proizvodi magnetsko polje koje je spojeno kroz jezgru sa sekundarnim namotajem. Kako se prekidač uključuje ili isključuje, tako se magnetsko polje pojačava i smanjuje u svim namotajima. Transformator ima više namota sa različitim brojem zavoja, tako da se proizvode različite amplitude. Izlaz iz svakog namota se ispravlja s brzom diodom i filtrom i tako se dobiva istosmjerni napon.

Važno je zapamtiti da su svi namoti zajedno povezani magnetskim poljem. Ako se više snage narine na primarni namotaj, više će se snage isporučiti na sekundaru; ako se napon na sekundarnom namotu poveća (ili smanji) naponi na drugim namotima će se smanjiti u iznosu koji je jednak s omjerom broja zavoja.

 

Regulacija s visokim stupnjem korisnog djelovanja

Regulacija je važna u većini izvora napajanja. Dobra regulacija je potrebna da se održi konstantni napon kod promjene opterećenja i promjene ulaznog napona. Prekidačko napajanje omogućava brzu i efikasnu regulaciju. Za bolje razumijevanje zašto, pogledajmo konvencionalni izvor napajanja.

Konvencionalni izvor napajanja koristi serijski regulator koji radi u linearnom modu, kao što je prikazano na slici 2. Serijski regulator održava prilično konstantni izlazni napon kod promjene ulaznog napona i struje opterećenja. Da bi se održala regulacija za sve uvjete rada, više snage je potrebno potrošiti nego što opterećenje zahtjeva. Ta neiskorištena snaga se rasipa kao toplina.

Slika 2: konvencionalni, serijski regulator rasipa neiskorištenu snagu kao toplinu.

Ključ je u tome da se napravi regulator koji ima veću iskoristivost i koji proizvodi samo onu snagu koju opterećenje troši. Tada neće biti viška snage koja se rasipa. To bi lako bilo kad se struja opterećenja ne bi smanjivala ili povećavala, ili kad bi napon izvora napajanja ostao konstantan. Naravno to se nikada ne događa.

Prekidačka napajanja imaju vrlo veliku iskoristivost pošto oni proizvode samo onoliko snage koliko to zahtjeva opterećenje. Regulacija napona je postignuta uzimanjem uzoraka istosmjernog izlaznog napona i uspoređivanjem s referentnim naponom (ako SMPS ima nekoliko izlaza, uzorkuje se glavni izlazni napon.) Rezultanti napon za korekciju se koristi za kontrolu frekvencije ili dužine vremena uključenosti prekidačkog tranzistora, što daje veću ili manju snagu za opterećenje.

Regulatori u potrošačkim uređajima se dijele na dva tipa:

1. Pulsno širinski modulirani (PWM)

2. Pulsno frekvencijski modulirani (PRM)

Televizori i kompjuterski monitori koriste obadva tipa, dok videorekorder obično koristi pulsno frekvencijsku modulaciju.

 

Regulatori s pulsno širinskom modulacijom

PWM regulatori mijenjaju vrijeme uključenosti i isključenosti prekidačkog tranzistora. Slika 3 prikazuje primjer pulsno frekvencijske modulacije. Obratite pažnju na to da signal konstantan i da se mijenja samo pogonski ciklus.

Kako se širina pulsa povećava, prekidački tranzistor ostaje uključen i više se energije narine na prekidački transformator. To proizvede povećanje izlaznog istosmjernog napona (osim ako je trošilo u kratkom spoju, ili vuče preveliku struju). Isto tako ako je širina pulsa uža, tranzistor će kraće vrijeme biti uključen, i manje energije će biti na transformatoru.

Slika 3: PWM regulator mijenjaju dužinu vremena uključenosti prekidačkog tranzistora.

 

Regulator s pulsno frekvencijskom modulacijom

Slika 4 prikazuje primjer pulsno frekvencijske modulacije. PRM regulator mijenja frekvenciju ponavljanja pulsa pri kojem je prekidački tranzistor uključen ili isključen. Međutim, obratite pažnju na to da kako se frekvencija pulsa povećava, vrijeme uključenosti se smanjuje. Stoga, ako je izlazni napon previsok, tranzistor će se isključivati i uključivati na većoj frekvenciji ponavljanja pulsa. Tako će biti i manja energija na transformatoru. Tipični PRM regulator može raditi na frekvenciji većoj od 90 kHz kad nema opterećenja ili će usporiti do 40 kHz kod punog opterećenja.

Slika 4: PRM regulator mijenja frekvenciju impulsa, koji mijenjaju vrijeme vodljivosti prekidačkog tranzistora.

 

Tipični SMPS izvor napajanja

Slika 5 prikazuje blok dijagram tipičnog prekidačkog napajanja. Određena prekidačka napajanja mogu se donekle razlikovati od ovog dijagrama, ali sva SMPS napajanja imaju isti osnovni funkcionalni blok. Na primjer neka prekidačka napajanja mogu imati spojenu liniju kontrole sustava na drugoj točci u kontrolnoj petlji.

Blok se može grupirati u 4 sekcije:

1. Neregulirani B+

2. Start i pogon

3. Sekundarni sklop

4. Povratna veza i kontrola

Slika 5. Četiri najvažnija sklopa u SMPS napajanju su: neregulirani B+ (MIC 1), Startanje i pogon (MIC 2), Opterećenje na sekundaru (MIC 3), i Povratna veza i kontrola (MIC 4).

 

Neregulirani B+

SMPS treba izvor snage. Izmjenični napon se punovalno ispravlja (sve u primarnom krugu je vruće uzemljeno).Često se primjenjuje RF filtar kako bi se spriječilo da visoko frekventni signali iz prekidačkog napajanja odu u mrežni napon 220V.

Većina šasija s mikroprocesorom ima stand by izvor napajanja kako bi mikroprocesor mogao stalno raditi dok je glavni izvor napajanja uređaja isključen. To omogućuje mikroprocesoru da odgovori na komandu ON za uključivanje s daljinskog upravljača, ili tipku s prednje ploče. Stand by može biti mali konvencionalni ispravljač ili mali SMPS. Primar prekidačkog transformatora i prekidačkog tranzistora su također dio nereguliranog B+ stupnja. FET tranzistor se obično koristi kao prekidač. FET tranzistori imaju nekoliko prednosti nad bipolarnim tranzistorima za SMPS aplikacije. Izlazni tranzistor u horizontalnom sklopu je bipolarni tranzistor. Prvo FET tranzistor je naponsko kontroliran i mogu se direktno pogoniti bez pogonskog stupnja. Drugo, FET su bidirekcionalni (vode u oba smjera kad je napon narinut na source i drain, što eliminira potrebu za damper diodom. Treće FET tranzistori rade efikasnije kod visokih frekvencija prekidanja.

Zadnje, FET imaju niski ON otpor, što doprinosi efikasnosti SMPS-a i reducira toplinu koja se razvija. Razlog što se FET tranzistor ne koristi kao horizontalni tranzistor je u tome što oni ne podnose visoke reverzne naponske vrhove, 900-1100 VPP, koji nastaju u horizontalnom izlaznom stupnju.

 

Start up & drive

Blok koji se veže na prekidački tranzistor. Pogonski blok kod PWM i PRM regulatora, oscilator i kontrolni sklop. Blok se može sastojati od jednog integriranog kruga ili može biti sastavljen od pojedinačnih komponenti.

Taj stupanj prima inicijalni istosmjerni napon s otpornika (djelitelj napona) koji su spojeni na B+ izvor. Poslije kad SMPS proradi, izvršni naponza pogonski stupanj može dolaziti sa jednog od sekundarnih napona prekidačkog transformatora.

Jedan važan signal koji dolazi na pogonski stupanj dolazi s izlaza opto izolatora. Taj signal povratne veze je uzorak izlaznog napona SMPS-a. On se uspoređuje s referentom razinom u kontrolnom bloku pogonskog stupnja (referenca može biti zener dioda, ili može biti unutarnja u pogonskom IC-u). Napon greške koji se pojavi mijenja širinu pulsa ili frekvenciju pulsa i tako regulira rad SMPS-a.

Nekoliko drugih kontrolnih signala mogu biti u vezi s pogonskim stupnjem. Zavisno od specifičnog SMPS-a; obustavljanje rada zbog previsoke struje, isključenje zbog previsokog napona, isključenje zbog i/ili preniskog napona (nizak B+). Ti kontrolni signali mogu biti narinuti na pogonski blok preko posebnih opto izolatora. Oni mogu biti narinuti na blok povratne veze i kontrolni blok ili je moguće da se uopće ne upotrebljavaju.

 

Sekundarni sklop

SMPS može imati pet ili više izlaza s istosmjernom strujom, zavisno od aplikacije. Postoji nekoliko stvari koje treba zapamtiti kod sekundarnog sklopa.

Prvo, problem u jednom od potrošača koji su spojeni na sekundar (kao što je horizontalni izlazni stupanj) može se učiniti kao da je to problem u SMPS-u. Prije nego što pronađete kvar na «mrtvom» SMPS-u, prvo provjerite da li je to problem sa potrošačem ili je problem s napajanjem.

Drugo, većina SMPS-a neće pravilno raditi bez glavnog opterećenja. Glavno opterećenje je na izlazu koje se prati sklopom za povratnu vezu i kontrolnim sklopom za kontrolu regulacije napona. Obično je to izlaz s najvećim naponom, ili izlaz na kojem je najveće strujno opterećenje (u televizorima i monitorima je glavno opterećenje horizontalni izlazni stupanj.

Zadnje, imajte u vidu da SMPS tipično rade na frekvencijama od 40 do 150 kHz. To znači da ne možete zamijeniti ispravljačke diode s običnom diodom za ispravljanje struje. Diode koje se koriste u izlazima SMPS-a su specijalne visokofrekventne, brze diode – quick recovery. Elektrolitski kondenzatori moraju imati niski ekvivalentni serijski otpor (ESR) i curenje.

 

Povratna veza i kontrola

Blok povratne veze i kontrole prikazane na slici 6 povezuju uzorak izlaznog napona nazad na pogonski stupanj. Dva glavna dijela su razdjelnička mreža otpornika za povratnu vezu i opto izolator.

Povratna razdjelnička mreža obično se sastoji od dva precizna otpornika koji dijele izlazni napon. Smanjeni napon je povezan s pogonskim sklopom preko opto izolatora. Pogonski blok koristi taj napon povratne veze da bi regulirao prekidački tranzistor. Neka napajanja mogu koristiti posebni namotaj prekidačkog transformatora za dobivanje napona za povratnu vezu.

Opto izolator je potreban da bi se izoliralo hladno uzemljenje (sekundarna strana prekidačkog transformatora) i vruće uzemljenje primarne strane, dok se povezuje istosmjerni napon povratne veze.

 

 

Testiranje komponenti

Mnogi problemi mogu biti povezani s lošim kondenzatorima. Ispitajte ih pomoću ESR-metra (equivalent series resitance). ESR u elektrolitskim kondenzatorima je kritičan, pošto SMPS radi na visokim frekvencijama. Uvijek ispitajte ESR tamo gdje sumnjate na problem s kondenzatorima, čak i kad kondenzator ima dobru vrijednost kapaciteta i curenje.

Također provjerite diode na sekundarnoj strani napajanja i topljive otpornike koji služe kao osigurači.

Ako sumnjate na horizontalni visokonaponski transformator ili SMPS transformator, ispitajte ga pomoću instrumenta za ispitivanje transformatora (ringer test) i provjerite da li ima kratko spojenih namotaja ili su namoti u prekidu.

Ponekad ispitivanje tranzistora može pokazati da je tranzistor ispravan, jer se ispituje s niskim ispitnim naponom, ali tranzistor može probiti pod opterećenjem (emiter – kolektor). Ako sumnjate na tranzistor, potrebno ga je ispitati instrumentom koji može pokazati proboj tranzistora. Također ispitajte i zener diode koje isto tako mogu probiti pod opterećenjem.