Switchmode Powersupply. Lasse Kaae 2009 Juni

Transkript

1 Switchmode Powersupply Lasse Kaae 2009 Juni

2 Agenda Teori (Mandag) Pspice simulering (Mandag) Bygge SPS (Tirsdag) Fejlfinding på produkter (Onsdag-Torsdag) EMC (Torsdag) Gennemgang af PSP-diagrammer (Fredag) Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 2

3 Enkel-ensretter Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 3

4 Split supply Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 4

5 Modtakt-ensretter Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 5

6 Brokoblet ensretter Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 6

7 Ensretter med ladekondensator Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 7

8 Dobbelt-ensretter med ladekon. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 8

9 Ensretter med drosselspole Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 9

10 Spændingsdobler Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 10

11 Spændingsdobler Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 11

12 Regulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 12

13 Regulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 13

14 Zenerdiode Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 14

15 Shuntregulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 15

16 Serieregulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 16

17 Serieregulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 17

18 Serieregulering med dis.kom. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 18

19 Parallelregulator! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 19

20 Strømbegrænser Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 20

21 Strømbegrænser Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 21

22 Switch-mode princip Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 22

23 Switch-mode blokdiagram Ensretter og filter HF switch og power transformer Kontrol kredsløb (PWM) Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 23

24 Switch-mode blokdiagram Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 24

25 PWM Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 25

26 PWM Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 26

27 Fm modulation Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 27

28 Switch-mode typer Buck: Udgang(V) lavere end indgangs(v) Boost: Udg.(V) højere end indgangs(v) Fly-back eller Buck-Boost: Udg.(V) både <> end ind(v) samt modsat polaritet Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 28

29 Buck eller step-down Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 29

30 Buck Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 30

31 Buck Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 31

32 Buck Pulstiden iforhold til periodetiden afgøre hvor stor udg er!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 32

33 Buck regulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 33

34 Step-up eller Boost Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 34

35 Step-up eller Boost 1)Spolen oplades med energi 2) C afgiver sin energi til Rl Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 35

36 Step-up eller Boost 1) Spolen forsøger at fastholde strømmen( ændre polaritet)!! U sp 2)Dioden leder! U in +U sp Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 36

37 Step-up eller Boost Effekten er konstant, hvilket medføre: Højre udgangsspænding mindre strøm Bipolar transistor kan benyttes Power MOS-FET bedre! Mindre ON-modstand => mindre effekttab Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 37

38 Step-up eller Boost puls plan Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 38

39 Step-up eller Boost Duty cycle Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 39

40 Fly-back eller Buck-Boost Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 40

41 Fly-back eller Buck-Boost Udgangsspænding er i modsat polaritet Kan både regulere udgangsspændingen op og ned Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 41

42 Fly-back eller Buck-Boost 1) Kontakten sluttet => Diode spærre, spolen oplades med energi! 2) C afgiver sin energi til Rl Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 42

43 Fly-back eller Buck-Boost 1) Kontakten åbnes => Energien fra spolen afgives til Rl, men med modsat polariet! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 43

44 Primær switch-mode Spændingsstabilisering sker før transformeren! Switch-mode kredsløb sider på primær siden af trafo Høj DC spænding Transformering sker ved høj frekvens => trafo ens fysiskdimension bliver lille Flere udgangsspændinger, separate sekundær viklinger Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 44

45 Primær switch-mode Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 45

46 Primær switch-mode Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 46

47 Primær switch-mode 4 KV isolering for at overholde sikkerhedsregler!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 47

48 Primær switch-mode 1) Q1 ON => D2 leder, L oplades, D3 spærre! D2 L 2) Q1 OFF=> D3 leder L giver energi til R L 3) D1 og 3 vinding Forhindre DC magnetisering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 48

49 Fly-back konverter Trafo fungere her som spole! 1) Q1 ON => spole oplades med energi! 2) D spærre, C afgiver energi til R L 3) Q1 OFF => D leder og R L modtager energi fra spolen Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 49

50 2 transistor konverter 2 transistor metoden kan benyttes Til både feed-forward eller flyback! 1) Q1 og Q2 ON => spole oplades 2) Q1 og Q2 OFF => Q1 og Q2 modtage Vin og spolens induktion Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 50

51 Push-pull konverter Duty cycle skal være 50% ellers er Q1 og Q2 ON samtidig Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 51

52 SOPS (Self Osc power supply) Høj switch frekvens => lav udg. spænding Lav switch frekvens => høj udg. spænding Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 52

53 SMPS Spændingen over C afhænger af frekvensen fra VCO en!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 53

54 DC-DC konvertere Ændring til højere spænding Ændring af polaritet Galvanisk adskillelse af 2 eller flere kredsløb Kombinationer af ovenstående Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 54

55 DC-DC konvertere Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 55

56 DC-DC konvertere Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 56

57 Batterilader Regulator 7815 Komparator Konstantsstrømgenerator Batterier Når komparatoren skifter på udg. Lyser dioden, når dioden lyser med en frekvens op 1Hz Er batterierne opladet! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 57

58 Komponenter til Switch-mode Bipolar transistor FET, Field effekt transsitor Diode Spole Transformator Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 58

59 Vigtige transistor data Modstanden i transistoren ved ON tilstand Modstanden i transistoren ved OFF tilstand Den tid det tager at nå fra ON til OFF tilstand Den tid det tager at nå fra OFF til ON tilstand Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 59

60 Vigtige transistor data Effekt i transistoren afhængig af ON tid!! Strøm og spænding over transistoren Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 60

61 Vigtige transistor data Ved switching går transistoren i mætning! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 61

62 Delay tider Td, delay time: Er tiden fra I B er ON til U CE er 90% af fuld værdi Tr, rise time: Er den tid U CE tager om at falde fra 90% til 10% Tstg, storage time: Er den tid det tage for I B reversere til U CE er steget 10% Tf, V CE fall time: Er den tid U CE tager for at stige fra 10% til 90% Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 62

63 Delay tider Ved induktiv belastning er tiderne kortere!! Spolen aflader kondensatoren i transistoren hurtigere, da spolen ændre polaritet. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 63

64 Begrænsning af delays! 2 måder: Modsat rette basisstrøm Begrænsning af transistorens mætningsgrad Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 64

65 Begrænsning af delays! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 65

66 Begrænsning af delays! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 66

67 SOA (Safe operation area) Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 67

68 RC-snubber-kredsløb C aflades gennem R, når Q1 er ON C oplades, når Q1 er OFF og kompenserer for den induktive belastning. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 68

69 FET Spændingsstyret Ingen strøm i Gaten! Spændings forskellen mellem G og S Dog er det en kapacitet mellem G og S, der begrænser switch tiden Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 69

70 FET stige og flade tid Tr=tf=2,2*Rg*Ciss Rg=driverkredsløbets udgangsimpedance Ciss=FET-ens indre kapacitet Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 70

71 FET SOA SOA karakterstik Der er ikke breakdown i FET Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 71

72 Dioder Dioder til Switch-mode skal være: Hurtige til at gå on og off Have lille spændingsfald i lederretning Kunne tåle stor strøm i lederetning Kunne tåle stor spænding i spærreretning Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 72

73 Dioder til SM High-effciency fast recovery dioder High-effciency very fast recovery dioder Schottky dioder Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 73

74 Recovery time Diodens kapacitet skal aflades, efter at være forspændt i lederretning Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 74

75 Spolen Luftspole Ved at vikle spolen om en jernkerne falde den magnestiske modstand og strømmen fra spolen stiger. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 75

76 Kerner Magnetisk modstand falder med en Lukket kerne!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 76

77 Kernes mætning Luftspole Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 77

78 Oversigt Typer: Ikke Galvanisk isoleret mellem input og output: DC DC: Buck konverter eller step-down konverter. Boost konverter eller step-up konverter. Boost-buck konverter. Cuk konverter. Galvanisk isoleret mellem input og output: DC DC: Flyback konverter (isoleret buck/boost konverter). Forward konverter (isoleret buck konverter). DC AC: SMPS baseret vekselretter (inverter). SMPS baseret 3 faset vekselretter (inverter). AC DC: 1 faset boost PFC ensretter. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 78