Den direkta buckomvandlaren är ofta en attraktiv lösning, men det finns inte särskilt många färdiga styrenheter på marknaden. Janusz Bicki från Future Electronics (EMEA), visar här hur man i stället kan modifiera en vanlig flybackomvandlare.

Med låg strömförbrukning som ett kritiskt krav i dagens design har effektiva ”flyback”-omvandlare fått fäste på marknaden för offline-strömförsörjning i lågeffektenheter.
För vissa slutprodukter är emellertid den här topologin inte det rätta valet. Det gäller när lasten faller under 5 W och isolering inte krävs (eller när det är möjligt att isolera systemet på annat sätt än med transformatorn). För dessa tillämpningar – typiska exempel omfattar förbrukningsmätare, styrenheter för uppvärmningssystem, automatiska bevattningssystem och industristyrenheter – tycks den direkta buckomvandlaren vara en attraktiv lösning.

Företag kan dock vara skeptiska till den här lösningen, eftersom direkta buckomvandlarstyrenheter, som är den uppenbara komponenten i dessa konstruktioner, bara går att få från ett mycket litet antal leverantörer. Användare av dessa enheter är därför utsatta för risker i leveranskedjan och har ett begränsat antal delar att välja mellan.
Den här artikeln föreslår dock ett nytt sätt att implementera en direkt buckomvandlare genom att på ett enkelt och kostnadseffektivt sätt modifiera en vanlig flybackomvandlare. Flybackomvandlarstyrenheten är en vanlig enhetstyp, och dessa delar är lätta att få tag på från tillverkare såsom Fairchild Semiconductor, ON Semiconductor, NXP Semiconductors och Vishay.

I den här artikeln får därför läsaren ta del av en ny designteknik för implementering av offline-strömförsörjning för lågeffektenheter som ger OEM -konstruktörer ett mycket bredare urval av komponentleverantörer.

Varför offline-buckomvandlartopologin är populär
I tabell 1 jämförs egenskaperna hos buck- och flyback-omvandlartopologierna. Buckomvandlarens fördelar som omfattar lägre kostnad, mindre storlek och enklare design gör den mer attraktiv än flyback-omvandlartopologin i offline-tillämpningar med låg effekt som inte kräver isolering.

Tabell 1. Jämförelse av egenskaper hos direkt buck- och flyback-omvandlartopologier

Genom att i detalj utforska hur flyback- respektive direkta buckomvandlare fungerar är det möjligt att se varför en styrenhet som ursprungligen har utformats för flyback-omvandling kan användas i en direkt buckkrets.

Fig 1. Förenklat schema över flyback-omvandlartopologin

I det förenklade schemat över flyback-omvandlaren i fig 1 representerar Q1 huvudomkopplarelementet som styrs av en regulator. (I de flesta lågeffektskonfigurationer är denna MOSFET integrerad i styrenheten vilket förenklar konstruktionen och minskar antalet komponenter.)

Lp och Ls är primära och sekundära induktorer i omvandlarens transformator. Diod D1 korrigerar spänningen från induktorn och kondensator C1 glättar utspänningen.

Fig 2 visar de normala strömvågformerna som karaktäriserar den här topologin.

Fig 2. Vågformer i flyback-omvandlarkretsen

När Q1 är förande appliceras en spänning över Lp som gör att strömmen flödar genom den. På så sätt laddas den primära induktansen. I det här läget flödar ingen ström genom den sekundära induktansen.

Vid slutet av t_ON kopplas Q1 från. Eftersom transformatorlindningarna är kopplade flödar strömmen som är lagrad i kärnan nu genom den sekundära lindningen, L_s. I det här läget är strömmen i den primära lindningen noll och all lagrad ström (i proportion till N_p/N_s – dvs. antalet varv på de primära och sekundära lindningarna) flödar genom likriktardioden på den säkra, sekundära sidan.

Det är värt att notera att i flyback-omvandlaren fungerar transformatorn som ett par kopplade induktorer: strömmen flödar bara genom en lindning åt gången.

Flyback-omvandlarens funktion kan nu jämföras med funktionen hos en typisk buckomvandlartopologi (se Fig 3).

Fig 3. Förenklat schema över buckomvandlartopologin

Detta visar ett förenklat schema över en buckomvandlare. Q2 utför en liknande funktion som Q1 i flyback-omvandlaren. Diod D2 är en likriktare. L_p1 och C₂ fungerar som lågpassfilter.

Fig 4 visar den karaktäristiska vågformen för den här kretsen.

Fig 4. Buckomvandlarkretsens vågformer

Under ton när Q2 är sluten flödar ström genom den och laddar induktorn L_p1. D2 är polariserad i motsatt riktning i det här läget och leder inte ström. När styrenheten kopplar från Q2 släpper induktorn L_p1 från sig sin energi. All lagrad ström flödar genom D2 tills styrenheten kopplar till Q2 igen.

I en flybackomvandlare är MOSFET jordad. Det beror på att den normalt är en N-kanalenhet, och de är enklare att sätta på och stänga av när källan är jordad. Buck-omvandlare har däremot oftast en flytande transistor. Om det bara finns en strömförsörjning i systemet spelar det ingen roll om den positiva eller negativa polen är stabiliserad.

Det medger en modifiering i kretsen enligt fig 3. När en omkopplare och likriktardiod byter plats (se fig 5) byter induktorn plats från den positiva till den negativa grenen vilket leder till reducerad EMI.

Fig 5. Buckomvandlartopologin efter positionsbyte mellan MOSFET och diod

Nu är källan till Q3 jordad som i flybacktopologin enligt fig 1. Så i den här buckomvandlarkretsen fungerar styrenheten (som integrerar Q3 MOSFET) på samma sätt som i flyback-omvandlaren. Den enda skillnaden är att den är kopplad till en diod, D3, och den enda induktorn L_p2 som är externa komponenter.

Men hur kan återkopplingsanordningen till en flybackstyrenhet fungera i den här buckomvandlarkretsen? Återkopplingssignalen (se nedan) bestämmer frekvens och pulsbredd hos omkopplaren vilket i sin tur påverkar utspänningen. Från styrenheten sett spelar det ingen roll om strömmen som frisläpps av omkopplaren är lagrad i en transformator eller i en enkel induktor. Den behöver bara hålla strömmen inom tillåtet intervall som grovt kan beräknas med följande formel:

där
i_L = induktorström,
V_in, V_out = in-, utspänning
L = induktansvärde
f_osc = brytfrekvens
I_load = belastningsström

Den här styrfunktionen är idag normalt sett implementerad i offline-buckomvandlare med en specialiserad buckomvandlarstyrenhet. Men beskrivningen ovan antyder att en flyback-omvandlarstyrenhet i teorin skulle kunna användas i buckomvandlarkretsen för att styra omkopplingen av MOSFET. Vilken typ av återkopplingskrets krävs då för att möjliggöra detta?

Återkopplingskretsdesign
Huvudfunktionen hos strömförsörjningen är att ge en stabil utspänning, oavsett variationer i last eller inspänning. För att möjliggöra detta kräver kretsen en återkopplingssignal via en stabil referensspänningskälla.

Faktum är att det finns ett antal tekniker för styrning av utspänningen, t.ex. spänningsstyrning, strömstyrning och COT (constant on-time). I illustrativt syfte beskriver den här artikeln funktionen hos en krets som använder en felförstärkare som stöd för en spänningsstyrd implementering. Samma principer som styr dess funktion gäller även alla andra metoder för styrning av utspänningen.

Fig 6. Typisk återkopplingskrets för buckomvandlare

Enligt vad som visas i fig 6 har en typisk återkopplingskrets för en buckomvandlare sin ingång och utgång vid samma referenspunkt, normalt jord. Det är då enkelt att använda en referensspänning som kan jämföras med en felförstärkare (Error Amplifier, EA), som normalt sett integreras i styrenheten (visas med streckad linje i fig 6).

Den logik som implementeras i styrenheten använder den här felsignalen för att reglera pulsbredden och/eller frekvensen för omkopplaren Q2.
I en flybackomvandlare, som av naturen är isolerad, finns inte den här gemensamma referenspunkten. Därför måste referensspänningen hållas på den säkra, sekundära sidan av omvandlaren, och felförstärkaren måste då skicka sin signal till den primära sidan (se fig 7). För att erhålla en kombination av referensspänningsskälla och felförstärkare är ett populärt komponenttypsval en shuntregulator, t.ex. SPX431 från Exar. Felsignalen måste bibehålla isoleringen genom att passera genom en optokopplare, t ex. VO61xA från Vishay eller FODM121 från Fairchild Semiconductor. R2, C8 och C7 säkerställer frekvensstabilitet.

Fig 7. Typisk återkopplingskrets för flybackomvandlare

I nuläget är det inte någon större fördel att implementera kretsen i fig 7 jämfört med den dedicerade buckomvandlarstyrkretsen i fig 6. Även om flyback-styrenheten nu styr en krets utan transformator kräver den fortfarande en optokopplare, vilket är en relativt dyr komponent. Även i den alternativa design för en flyback-styrenhet som visas i fig 8, där en enklare zenerdiod ersätter shuntregulatorn, är kravet på en optokopplare fortfarande en nackdel för den här implementeringen.

Fig 8. Alternativ design för en flyback-styrenhetskrets som eliminerar behovet av en shuntregulator

Med en ytterligare modifiering kan emellertid implementering av en direkt buckomvandlare styrd av en flyback-styrenhet användas. Det beror på att styrenheten faktiskt inte alls behöver vara jordad: strömelementet kan flyta som i en traditionell buckomvandlare (se fig 9).

Fig 9. Direkt buckomvandlare styrd av flytande flyback-omvandlarstyrenhet

Den interna logiken i styrenheten refererar fortfarande till källan för omkopplare Q7. För referensspänningen pendlar källan för Q7 mellan spänningsfallet över likriktardioden D2 och inspänningen, och därför krävs ytterligare komponenter som skickar utspänningen till felförstärkaren. I den här kretsen upprepas utspänningen över C2 av D1 och R1.

När brytaren är öppen är spänningsfallet över likriktardioden nära 0 V. Strömmen över C2 flödar genom D1 och laddar kondensatorn tills den når utspänningen. När brytaren är stängd är spänningspotentialen på källan till Q7 högre än på katoden till D1, vilken nu polariseras i motsatt riktning och ingen ström flödar genom C2. Spänningen över C2 bibehåller därför en konstant offset som är proportionell till utspänningen.

Dioden D_ref bestämmer därför värdet på spänningen som måste bibehållas i utgången genom att skicka en signal direkt till felförstärkaren inuti styrenheten.

Slutsats
Ovanstående beskrivning visar hur en direkt buckomvandlarkrets, som är en attraktiv topologi för offline-strömförsörjning på <5 W som inte kräver isolering, kan styras av en flyback-omvandlarstyrenhet. Kretsen kan implementeras i princip på samma sätt som en krets som använder en dedicerad direkt buckomvandlarstyrenhet och behöver inte ytterligare komponenter såsom en optokopplare. Eftersom flyback-omvandlarstyrenheter är tillgängliga från många leverantörer, däribland ON Semiconductor, Fairchild, NXP och Vishay, kan den design som presenteras här minimera risker i leveranskedjan och ge större valmöjlighet eftersom den möjliggör val av en enhet som är nära anpassad till kraven i tillämpningen.

Konstruktörer som närmare vill utforska det koncept som beskrivs i den här artikeln hittar mer information i Design Note DN06053 från ON Semiconductor.

Janusz Bicki, Central Applications Manager, Future Electronics (EMEA)

Filed under: Effekthalvledare