Fuente de alimentación de 5 V / 1 A de salida, utili-

zando el IC U7L, con alimentación de red de 95Vac a

265Vac.

En las aplicaciones de consumo como televisores LCD, reproductores de

DVD, y otros dispositivos, es deseable poder para encender o apagar la apli-

cación directamente desde el mando a distancia . Por tanto, es necesario

suministrar el receptor del mando a distancia, incluso cuando el equipo no

está en uso ( modo de espera) . En este modo de espera, es necesario una

mínima carga (en el rango de unas pocas decenas de un mW ) en la salida

de la fuente de alimentación . Por la carga constante de la red eléctrica du-

rante las 24 horas al día, surge la necesidad de reducir el consumo de la

fuente de alimentación tan bajo como sea posible. La fuente de alimenta-

ción presenta un consumo de energía de 30 mW en condiciones de carga.

En esta apartado se analiza, el consumo de energía en un convertidor aislado, así co-

mo la forma en que el IC U7L funciona para conseguirlo.

En las condiciones de carga o sin carga , la mayoría de las pérdidas son de conmuta-

ción y casi proporcional a la frecuencia de conmutación . Debe tenerse en cuenta que

incluso si no hay carga externa está conectada la fuente de alimentación , una cierta

energía necesita ser procesada con el fin de mantener el funcionamiento de la U7L y

la circuitería en el lado del secundario del transformador, que detecta la tensión de sa-

lida y cierra el bucle de control. El funcionamiento del modo de ráfaga del U7L reduce

significativamente la frecuencia de conmutación del convertidor, cuando hay carga o

completamente cargada. Básicamente , cuando el convertidor cambia a la función en

modo de ráfaga , cuanto menor es la carga , más baja es la frecuencia media de con-

mutación . Así , con el fin de reducir la frecuencia media de conmutación a un modo

tan bajo como sea posible , el bucle de control esta diseñado para reducir al mínimo

la potencia requerida, a fin de mantener el funcionamiento de los circuitos que cierran

el bucle de control en el lado secundario del transformador.

Reducción del consumo en el modo de espera

Funcionamiento en modo de ráfaga

A medida que la carga disminuye, el voltaje en el pin FB de la U7 disminuye también. Cuando cae por debajo del umbral del modo de ráfaga (valor típico es de 450mV), el convertidor se detiene, ningún tensión de entrada, puede ser procesado o se entrega a la salida del convertidor. El devanado auxiliar no su-ministra ninguna energía al U7, que ahora es alimentado por la energía alma-cenada en el condensador (C4) conectado entre el pin VDD y GND. Con el fin de reducir la descarga de este condensador durante el funcionamiento en mo-do ráfaga, cuando el dispositivo no está funcionando, la lógica de control del dispositivo reduce su consumo apagando todos los bloques internos no utili-zados o innecesarios. El circuito conectado a la salida del convertidor es ali-mentado por la energía almacenada en los condensadores de salida, los cua-les son descargados, por la cargas de salida que del bucle de realimentación. La tensión en el pin de retroalimentación comienza a subir de nuevo. Cuando el voltaje de pin realimentación supera el umbral del modo de ráfaga, mayor de los 450mV + 50mV, típicos, se reinicia el proceso de conmutación y tanto el condensador de salida y como el condensador conectado en el pin VDD se recargan. El resultado es una operación intermitente donde la potencia media entregada a la carga es extrictamente lo que es necesario, y la frecuencia me-dia de conmutación se reduce significativamente. Funcionamiento en modo de ráfaga no es una idea nueva, pero el diseño del convertidor se puede opti-mizar para tener el mayor provecho de ella como sea posible.

Cuando el dispositivo funciona en modo de ráfaga, la frecuencia media de conmutación es proporcional a la carga total que el convertidor debe suminis-trar. En la carga total se incluyen también las corrientes de polarización de los componentes en el lado secundario, que se utiliza para cerrar el circuito de re-troalimentación. Si se tiene en cuenta que durante el funcionamiento del mo-do de ráfaga la corriente de pico de drenaje es casi constante, esto significa que la frecuencia media de conmutación es proporcional (véase la Ecuación 1) para la potencia entregada al secundario y al devanado auxiliar. De esta consi-deración se plantea la necesidad de reducir, tanto como sea posible, el consu-mo de energía de la lógica de control del U7, así como la circuitería adicional necesaria para cerrar el bucle de realimentación o realizar otras funciones. De esta manera, la carga total del convertidor, la frecuencia media de conmuta-ción y las pérdidas de conmutación se reducen al mínimo.

Ecuación 1

Consumo del IC U7

El consumo de corriente es U7es de 1,8mA como máximo. Cuando el dispositivo no

se activa y el voltaje de pin FB va por debajo de los umbrales del modo de ráfaga, el

consumo de corriente se reduce a 900 μA. Es evidente que la reducción del consumo

de dispositivo contribuye a la reducción del consumo total de energía, pero también

presenta otras ventajas. El bucle de control detecta la tensión de salida y modula la

potencia de procesador, de acuerdo con la carga en la salida, con el fin de mantener la

tensión de salida constante. La tensión que suministra el U7 no está regulada, pero

debe seguir la tensión de salida en función de los bobinados secundarios.

El acoplamiento de bobinado nunca es perfecta en un transformador real. Incluso si la

tensión de salida está bien regulada , la tensión auxiliar cambia de acuerdo a la rela-

ción de la carga entre la salida y la tensión auxiliar. El problema de regulación inheren-

te en los convertidores flyback es bien conocido en la literatura electrónica de poten-

cia. Es importante recordar que la tensión auxiliar utilizado para los aumentos de su-

ministro de dispositivos U7, así como la relación entre la producción y aumenta la co-

rriente auxiliares , y disminuye a medida que disminuye esta relación . Incluso si no hay

carga externa, los circuitos utilizados para detectar la tensión de salida y cerrar el lazo

de control se hunde parte de la corriente . En un convertidor optimizado , para un

consumo muy bajo de espera esta corriente es muy bajo . Entonces es posible que la

tensión auxiliar ( voltaje en el pin VDD ) caiga por debajo del umbral de VDD_OFF de la

U7 ( máximo 8,5 V ) que conduce a la parada del dispositivo . En este caso, el disposi-

tivo comienza a funcionar en el modo del hipo (desconexión continua y puesta en

marcha ) y ya no se garantiza la regulación de voltaje de salida. Mantener el consumo

de corriente del U7 baja , por lo menos cuando se opera en el modo de ráfaga , signi-

fica aumentar dicha relación entre la corriente de salida y la corriente auxiliar. Esto ayu-

da a mantener la tensión auxiliar por encima del umbral VDD_OFF del dispositivo .

El Transformador

Para el propósito de reducir las pérdidas de conmutación , ciertas consideraciones debe darse a la capacitancia parásita primaria transformador. Esta es la capacitancia medida en el lado primario con los otros devanados del transformador abiertos . La frecuencia de medición, debe establecerse mayor de 1 MHz . Las causas de perdidas de las capacitancias parásitas, es la conmutación, que cada vez que el MOSFET está conduciendo y la energía de la corriente de carga que se disipa dentro de la propia MOSFET. La reducción de esta capacitancia para que sea tan baja como sea posible , minimizaremos este tipo de pérdidas. Con referencia a la Ecuación 1 , está claro que una reducción adicional de la frecuencia de conmutación se puede conseguir me-diante el aumento , tanto como sea posible , la inductancia del primario del trans-formador ( LP ) , (de acuerdo también, con otras consideraciones de diseño ) . De hecho , si se supone que la potencia del convertidor debe procesar para sostener una cierta carga es constante , el aumento de la inductancia primaria aumenta la energía procesada durante cada ciclo de conmutación ( para la misma corriente de pico de drenaje ) y el número de ciclos de conmutación por unidad de tiempo , lo que significa que la frecuencia media de conmutación disminuye .

Esquema de la Fuente

Protección de la sobrecarga

El U7 tiene varias funciones de protección, uno de ellos protege contra la sobrecarga o cortocircuito de la salida. Si la carga de demanda de potencia aumenta, entonces la tensión de salida disminuye y el bucle de realimentación reacciona mediante el au-mento de la tensión de la retroalimentación. El aumento de tensión del terminal de retroalimentación aumenta el punto de ajuste actual de PWM, aumentando la po-tencia suministrada a la salida hasta que esta potencia es igual a la potencia de car-ga.

Si la demanda de potencia de carga supera la capacidad de potencia del convertidor (que se puede ajustar usando el RLIM), el voltaje en el pin de realimentación sigue aumentando, pero la potencia suministrada se mantiene estable. Cuando el voltaje de pin realimentación supera el VFB_lin (3,3 V típico), el U7 interpreta esto, como una advertencia de un evento de sobrecarga. Antes de apagar el sistema, el dispositi-vo espera un tiempo fijado por el condensador de realimentación. De hecho, si el voltaje en el pin de realimentación supera el VFB_lin, entonces el pull-up interno se desconecta y se inicia el abastecimiento a 3 μA de corriente que carga el condensa-dor conectado a la misma. Como el voltaje en el pin de retroalimentación alcanza el umbral VFB_olp (4,8 V típ.). El U1 detiene la conmutación y no permite cambiarlo de nuevo hasta que la tensión VDD cae por debajo de la VDD_RESTART (4,5 V típ.) Y se eleva de nuevo a la VDD_ON (14 V tip.).

Si no se elimina el cortocircuito, el sistema cambia al modo de re arranque automáti-co. Cuando un corto-circuito se aplica de forma permanente en la salida, el compor-tamiento que se muestra es un período más corto conmutación MOSFET, el converti-dor intenta entregar tanta energía como sea posible a la salida y un período más lar-go cuando el dispositivo no se enciende y ningún poder se procesa . el ciclo de traba-jo de la entrega de potencia es muy baja (en torno al 1,5%) y la producción de poten-cia media también es muy bajo.

Protección del devanado secundario en cortocircuito

El U7 está equipado con un primer nivel ajustable de limitación de sobre corriente en el primario que desconecta el MOSFET de potencia si se supera este nivel . Esta limita-ción actúa ciclo a ciclo y su principal objetivo es limitar la potencia de salida máxima entregable . Un segundo nivel de protección de sobre corriente no ajustable, también está presente , fijado en 600mA ( valor típico ) . Si la corriente de fuga supera este se-gundo umbral de OCP (protección contra sobre corriente segundario ) , el dispositivo entra en un estado de alerta . En el siguiente ciclo , el MOSFET está conectado y si el segundo nivel de protección de sobre corriente se supera de nuevo , el dispositivo asu-me que se ha producido un devanado cortocircuito secundario o un disco de satura-ción del transformador , por lo que el MOSFET ya no se le permite encender y el dis-positivo deja de funcionar . A fin de que el MOSFET se pueda conectar de nuevo , el voltaje VDD debe ser reciclado . Es decir, VDD debe bajar a VDD_RESTART , entonces se levantan a VDD_ON . Cuando el U7L se conecta de nuevo (VDD es igual VDD_ON ) , la conmutación MOSFET puede reiniciarse . Si no se elimina la causa de la segunda activación de la protección de sobre corriente , el dispositivo cambia al mo-do. En la prueba de protección, el arrollamiento del secundario del transformador fue cortocircuitado en diferentes condiciones de funcionamiento . Las figuras muestran el comportamiento del sistema durante las pruebas .

En la figura se muestra, que mientras que la fuente está trabajando a plena carga

con un voltaje de red, el bobinado secundario se pone en cortocircuito. El corto en

los cables de devanado secundario a corriente muy alta de drenaje, activa la segun-

da protección OCP. Sin esta protección el convertidor funcionaria continuamente

hasta la activación de la protección de sobrecarga, lo que requiere unas pocas de-

cenas de milisegundos, con corrientes muy altas en la parte de potencia de la U7L

y en el transformador

Protección de sobretensión

La protección contra sobretensiones se lleva a cabo mediante el control de la tensión en el bobinado auxiliar, en el MOSFET a través del diodo D2 y los divisores de resisten-cia R3 y R14 (ver esquema de la figura ), que están conectados en el pin de la CONT U7L. Si el voltaje en el pin CONT supera los umbrales VOVP (3 V típico), Un evento de sobretensión se asume y el dispositivo ya no se le permite cambiar. Para volver a habi-litar la operación, el voltaje VDD se debe reciclar. Con el fin de proporcionar una alta inmunidad al ruido y evitar los picos erróneamente de disparo de la protección, un fil-tro digital se implementa de manera que el pin CONT tiene para detectar una tensión superior a la VOVP durante cuatro ciclos consecutivos antes de parar la operación.

El valor de la tensión de salida cuando se activa la protección, se puede ajustar a través

de la selección adecuada de los divisores de resistencia R3 y R14. Mientras que R3 se

selecciona con consideración a la potencia máxima que el convertidor tiene que mane-

jar, R14 se selecciona de acuerdo con la siguiente fórmula.

La protección se prueba mediante la desconexión del opto-acoplador de la clavija de

realimentación y la carga del convertidor. De esta manera, el convertidor opera en bu-

cle abierto y proporciona la mayor potencia posible. El exceso de potencia sobre la

carga en la capacitancia de salida, el aumento de la tensión de salida, ya que el OVP

se ha disparado y el convertidor deja de funcionar. En figura Ase puede observar que

la tensión de salida (CH1, forma de onda de color amarillo) y aumenta a medida que

alcanza el valor de 6,6 V, el convertidor de conmutación se detiene. En la misma figu-

ra se muestran la tensión pin CONT (CH3, forma de onda magenta) y la corriente de

drenaje (CH4, forma de onda verde). El valor de cresta de la tensión del pin CONT un

seguimiento de la tensión de salida. En Figura B, muestra en detalle, los últimos ciclos

de conmutación antes de activar la protección.

Pruebas EMC

Mediciones EMC, realizadas para la conformidad con la norma europea EN55022 (Clase B).