Switchmode Powersupply Lasse Kaae 2009 Juni
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
Enkel-ensretter Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 3
Split supply Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 4
Modtakt-ensretter Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 5
Brokoblet ensretter Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 6
Ensretter med ladekondensator Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 7
Dobbelt-ensretter med ladekon. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 8
Ensretter med drosselspole Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 9
Spændingsdobler Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 10
Spændingsdobler Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 11
Regulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 12
Regulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 13
Zenerdiode Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 14
Shuntregulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 15
Serieregulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 16
Serieregulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 17
Serieregulering med dis.kom. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 18
Parallelregulator! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 19
Strømbegrænser Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 20
Strømbegrænser Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 21
Switch-mode princip Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 22
Switch-mode blokdiagram Ensretter og filter HF switch og power transformer Kontrol kredsløb (PWM) Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 23
Switch-mode blokdiagram Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 24
PWM Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 25
PWM Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 26
Fm modulation Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 27
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
Buck eller step-down Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 29
Buck Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 30
Buck Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 31
Buck Pulstiden iforhold til periodetiden afgøre hvor stor udg er!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 32
Buck regulering Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 33
Step-up eller Boost Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 34
Step-up eller Boost 1)Spolen oplades med energi 2) C afgiver sin energi til Rl Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 35
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
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
Step-up eller Boost puls plan Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 38
Step-up eller Boost Duty cycle Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 39
Fly-back eller Buck-Boost Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 40
Fly-back eller Buck-Boost Udgangsspænding er i modsat polaritet Kan både regulere udgangsspændingen op og ned Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 41
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
Fly-back eller Buck-Boost 1) Kontakten åbnes => Energien fra spolen afgives til Rl, men med modsat polariet! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 43
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
Primær switch-mode Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 45
Primær switch-mode Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 46
Primær switch-mode 4 KV isolering for at overholde sikkerhedsregler!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 47
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
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
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
Push-pull konverter Duty cycle skal være 50% ellers er Q1 og Q2 ON samtidig Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 51
SOPS (Self Osc power supply) Høj switch frekvens => lav udg. spænding Lav switch frekvens => høj udg. spænding Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 52
SMPS Spændingen over C afhænger af frekvensen fra VCO en!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 53
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
DC-DC konvertere Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 55
DC-DC konvertere Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 56
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
Komponenter til Switch-mode Bipolar transistor FET, Field effekt transsitor Diode Spole Transformator Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 58
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
Vigtige transistor data Effekt i transistoren afhængig af ON tid!! Strøm og spænding over transistoren Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 60
Vigtige transistor data Ved switching går transistoren i mætning! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 61
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
Delay tider Ved induktiv belastning er tiderne kortere!! Spolen aflader kondensatoren i transistoren hurtigere, da spolen ændre polaritet. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 63
Begrænsning af delays! 2 måder: Modsat rette basisstrøm Begrænsning af transistorens mætningsgrad Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 64
Begrænsning af delays! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 65
Begrænsning af delays! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 66
SOA (Safe operation area) Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 67
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
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
FET stige og flade tid Tr=tf=2,2*Rg*Ciss Rg=driverkredsløbets udgangsimpedance Ciss=FET-ens indre kapacitet Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 70
FET SOA SOA karakterstik Der er ikke breakdown i FET Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 71
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
Dioder til SM High-effciency fast recovery dioder High-effciency very fast recovery dioder Schottky dioder Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 73
Recovery time Diodens kapacitet skal aflades, efter at være forspændt i lederretning Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 74
Spolen Luftspole Ved at vikle spolen om en jernkerne falde den magnestiske modstand og strømmen fra spolen stiger. Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 75
Kerner Magnetisk modstand falder med en Lukket kerne!! Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 76
Kernes mætning Luftspole Lkaa 2009 Mercantec Elektronik 77
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