Multipleksowanie energii - rewolucja w zasilaniu czy rozwiązanie dla wąskiej grupy odbiorców?

Nowoczesne urządzenia elektroniczne, prawie zawsze wymagają zapewnienia kilku różnych napięć zasilających dla poszczególnych fragmentów obwodu. Jeżeli urządzenie ma być zasilane z sieci, to oczywiście najpopularniejsza topologia Flyback umożliwia stosunkowo łatwe uzyskanie kilku różnych wartości napięcia wyjściowego naraz, dzięki zastosowaniu kilku uzwojeń po stronie wtórnej transformatora. Problemem jest jednak w takim przypadku regulacja, trudno jest osiągnąć precyzyjną kontrolę nad więcej niż jednym napięciem wyjściowym naraz. Powodem jest fakt, że napięcia są zależne od siebie nawzajem, np. w przypadku mocnego obciążenia jednego wyjścia, napięcia na tych słabiej obciążonych wzrosną. Efekt ten można oczywiście w pewien sposób niwelować, ale regulacja kilku wyjść naraz nigdy nie będzie idealna.

Z tego właśnie względu, współczesne konstrukcje zasilaczy sieciowych, bardzo często zawierają oprócz przetwornicy AC/DC (opartej np. o topologię Flyback), również jedną lub kilka niskonapięciowych przetwornic DC/DC typu Buck, zapewniających dopasowanie poziomu napięcia do różnych fragmentów obwodu. Jeżeli zasilane urządzenie wykorzystuje diody LED używane jako źródło oświetlenia, zazwyczaj są one zasilane stałoprądowo, często z możliwością regulacji, do czego standardowo wykorzystuje się przetwornice typu Boost. Całość konstrukcji uzupełniają stabilizatory liniowe (LDO), nadal cieszące się dużą popularnością.

Takie podejście do konstrukcji zasilacza nie jest pozbawione oczywistych wad. Każda zastosowana przetwornica musi współpracować z dodatkowymi komponentami (np. dławikami, kondensatorami, diodami), które znacząco zwiększają ogólne koszty zasilacza. Ponadto, elementy zajmują miejsce na PCB, a wytracona na stopniu DC/DC energia zmniejsza finalną sprawność i zwiększa temperaturę wewnątrz zasilacza.

Mając na uwadze powyższe niedogodności, firma Power Integrations opracowała nową architekturę systemu zasilania, opartą o tylko jeden stopień przetwarzania (AC/DC), ale pozbawioną wad opisanych na początku artykułu. Rozwiązanie to opiera się o dwa współpracujące ze sobą układy, InnoSwitch3-MX i InnoMUX, oraz działa na zasadzie multipleksowania energii (stąd nazwa układów). Driver z serii InnoSwitch3-MX działa w podobny sposób jak wszystkie układy z najnowszej, trzeciej generacji InnoSwitch’y, ale w odróżnieniu od nich, nie zamyka pętli sprzężenia zwrotnego (tzn. nie bada informacji o napięciu po stronie wtórnej). Zamiast tego, wyposażony jest w interfejs do komunikacji z układem InnoMUX. Ten z kolei sprawdza poszczególne napięcia i prądy po stronie wtórnej i porównuje z wartościami referencyjnymi. Jeżeli konieczne jest przekazanie energii na któreś z wyjść, informuje o tym fakcie driver, który z kolei zajmuje się przekazaniem tej energii ze strony pierwotnej. Dzięki temu, napięcia na poszczególnych wyjściach są dokładnie kontrolowane, bez używania kosztownych przetwornic DC/DC i stabilizatorów liniowych.

Taki sposób kontrolowania pracy zasilacza wydaje się być dość prosty i ma oczywiste zalety, więc ktoś mógłby zadać pytanie – dlaczego takie rozwiązanie nie było znane już wcześniej? W obecnie konstruowanych zasilaczach izolowanych opartych na topologii Flyback, do przekazywania informacji ze strony wtórnej na pierwotną, używa się najczęściej transoptora, współpracującego ze źródłem napięcia referencyjnego (np. diodą Zenera). Taka pętla sprzężenia zwrotnego jest jednak oparta na układach analogowych i jej zbyt długi czas reakcji uniemożliwia na tyle szybkie sterowanie driverem, żeby dało się za jej pomocą przekazywać informacje o stanie wielu wyjść naraz, i to w czasie pomiędzy impulsami kluczującymi (które pojawiają się najczęściej z częstotliwością z zakresu ok. 70kHz-100kHz).

W driverach z serii InnoSwitch3, zastosowano zamiast tego unikalny mechanizm komunikacji pomiędzy stroną pierwotną a wtórną (FluxLink), polegający na zasadzie sprzężenia magnetycznego wewnątrz obudowy drivera. Dzięki temu, przy zachowaniu izolacji galwanicznej, strona wtórna może sterować stroną pierwotną w sposób całkowicie cyfrowy, zapewniając niespotykaną dotąd precyzję i szybkość regulacji.

Teraz można lepiej zrozumieć zasadę działania, wykorzystaną w tej nowej topologii. Układ InnoMUX nadzoruje poszczególne wyjścia, analizując poziomy napięć na wejściach Fbx oraz IS, i w razie potrzeby przesyła do kontrolera strony wtórnej w driverze, żądanie zgromadzenia odpowiedniej „porcji” energii w transformatorze (oczywiście, jeżeli żadne z wyjść nie potrzebuje energii, takie żądanie nie jest wysyłane). Driver z kolei, korzystając z interfejsu FluxLink, przekazuje polecenie na stronę pierwotną, gdzie następuje realizacja tego procesu – poprzez odpowiednie sterowanie wysokonapięciowym MOSFET'em.

W kolejnym cyklu, zarówno driver jak i układ InnoMUX, sterują procesem przekazania tej energii na odpowiednie wyjście, wykorzystując do tego celu tranzystory typu MOSFET po stronie wtórnej. Mechanizm ten wymaga bardzo dokładnej kontroli czasów przełączania kluczy po obydwu stronach, przy zapewnieniu jednoczesnej realizacji różnych funkcji zabezpieczających (np. ochrona przed zwarciem, przeciążeniem itp.). Nie byłby zatem możliwy, gdyby nie zapewniający dużą prędkość transmisji, galwanicznie izolowany interfejs komunikacyjny, zapewniany przez układ InnoSwitch3-MX.

Głównym powodem opracowania tego nowego rozwiązania, było wyeliminowanie z konstrukcji zasilacza drogich przetwornic step-up (Boost), używanych do zasilania diod LED połączonych szeregowo – głównie w aplikacjach takich jak monitory i telewizory. Układ InnoMUX wyposażony jest więc w wewnętrzne źródła prądowe (1 lub 4 kanały, w zależności od wersji), sterujące prądem o wartości do 240mA / kanał. Napięcie odłożone na szeregu LED’ów, może osiągnąć wartość do 100V. Dodatkowo, sterownik ten realizuje funkcję regulacji prądu (ściemniania LED’ów), za pomocą wejścia analogowego lub PWM. Oczywiście istnieją rozwiązania driverów AC/DC w topologii 1-stopniowego flyback’a, realizujące podobne funkcje (np. seria LYTSwitch-6 z Power Integrations), ale żadne nie umożliwia jednoczesnej regulacji stałoprądowej (CC) dla LED’ów na jednym uzwojeniu transformatora, oraz stałonapięciowej – na kolejnych (1 lub 2 wyjścia CV w zależności od wersji). W najbardziej rozbudowanym wariancie układ, InnoMUX steruje niezależnie dwoma wyjściami stałonapięciowymi i czterema szeregami diód LED.

Takie rozwiązanie wydaje się więc być idealnie przystosowane do zasilaczy, używanych właśnie w produktach takich jak monitory i telewizory. Czy zatem jego niewątpliwe zalety zainteresują klientów produkujących na inne rynki? Wiele współczesnych urządzeń ma wbudowane źródło oświetlenia, oparte o technologię LED. Są to głównie produkty przeznaczone na rynek AGD (np. lodówki, kuchenki mikrofalowe, okapy). Z oczywistych powodów, zapewniające dużą sprawność sterowanie stałoprądowe sprawdza się tu lepiej niż sterowanie stałonapięciowe, wymagające użycia pasków LED'owych wykorzystujących m.in. rezystory. Jedno lub dwa wyjścia CV są z kolei potrzebne do sterowania resztą elektroniki w urządzeniu.

Kolejnym możliwym zastosowaniem układów InnoSwitch3-MX oraz InnoMUX mogą być oprawy LED'owe typu „SMART”, gdzie źródło światła sterowane stałoprądowo, jest regulowane przez obwody wymagające zasilania stałonapięciowego. Nierzadko takie oprawy wyposażane są w moduły radiowe do komunikacji, więc stabilne napięcie zasilania jest szczególnie istotne. Warto przy okazji wspomnieć, że drivery z serii InnoSwitch3-MX wspierają moce do ok. 80W, co umożliwia ich zastosowanie w produktach stosowanych np. do oświetlania hal fabrycznych.

Otwarta pozostaje oczywiście kwestia tego czy multipleksowanie energii przyjmie się na rynku, wypierając przetwornice DC-DC z niektórych aplikacji. Takiemu zjawisku będzie sprzyjał fakt, że cena oferowana za zestaw tych dwóch driverów jest o wiele mniejsza, niż sumaryczna cena drivera, osobnych przetwornic DC/DC i dodatkowych elementów magnetycznych. Przyzwyczajenie jest jednak drugą naturą inżyniera i prawdopodobnie upłynie jeszcze sporo czasu, zanim nowe rozwiązanie z Power Integrations upowszechni się na tyle, żeby rozważać jego użycie w każdym kolejnym projektowanym zasilaczu.

Więcej informacji znajdą Państwo na stronie producenta, pod adresem ac-dc.power.com/products/innoswitch-family/innoswitch3-mx oraz ac-dc.power.com/products/innomux-family/innomux

Oprócz standardowych materiałów (dokumentacje, noty aplikacyjne, przykładowe projekty), jest tam także link do obszernego artykułu oraz do webminaru. Wszelkie obliczenia dla zasilaczy opartych na elementach firmy Power Integrations, wspierane są przez darmowe oprogramowanie narzędziowe PIExpert: led-driver.power.com/design-support/pi-expert

W razie wszelkich pytań, zachęcamy Państwa do kontaktu z naszym inżynierem, pod adresem michal.stelmach@gamma.pl