Use CIs de chaveamento avançados para implementar fontes CA/CC eficientes de muitos recursos e baixa potência

As fontes CA/CC de baixa potência de aproximadamente 10 W ou menos são amplamente usadas em dimmers domésticos, interruptores, sensores, aparelhos, Internet das Coisas (IoT) e controles industriais. Seu ciclo de trabalho é relativamente baixo, com a carga em modo de espera por longos períodos, mas a fonte precisa "despertar" rapidamente quando o dispositivo é ativado.

Projetar essas fontes é conceitualmente fácil: comece com alguns diodos para retificação de linha, adicione um CI controlador, coloque capacitores de filtro na saída, insira um transformador, e isolação se for necessária, e a tarefa estará concluída. No entanto, apesar da aparente simplicidade, a realidade da criação dessas fontes é muito diferente.

Elas devem oferecer a função básica de fornecer uma trilha de saída CC estável e atender a vários mandatos regulamentares rigorosos de segurança do usuário, eficiência sob carga e eficiência em espera. Além disso, há questões de layout físico, componentes de suporte, confiabilidade, avaliação de desempenho, certificação e empacotamento que os projetistas devem considerar, pois também trabalham para minimizar a área ocupada/pegada e o custo e, ao mesmo tempo, cumprir ciclos curtos de colocação no mercado.

Este artigo apresenta uma família de CIs controladores de chaveamento, fora da linha de energia, altamente integrados da Power Integrations e mostra como ela pode ser usada para enfrentar esses desafios.

MOSFET integrado e CI controlador

A família LinkSwitch-TNZ de oito distintos CIs controladores de chaveamento fora da linha da Power Integrations combina um comutador MOSFET de potência de 725 V com um controlador de fonte de alimentação em um único dispositivo alojado em um invólucro SO-8C. Cada CI monolítico oferece excelente capacidade de resistência a surtos, um oscilador, uma fonte de corrente chaveada de alta tensão para auto-polarização, jitter de frequência, um limite de corrente rápido (ciclo a ciclo), desligamento térmico de histerese e circuito de proteção contra sobretensão de entrada e saída.

Os dispositivos podem formar o núcleo de um arranjo não isolado, como o projeto do conversor buck (Figura 1), usando o LNK3306D-TL com uma corrente de saída de 225 mA ou 360 mA, dependendo do modo de condução selecionado. Eles também podem ser configurados como fontes de alimentação buck-boost não isoladas, fornecendo até 575 mA de corrente de saída.

Figura 1: Esse projeto típico de conversor buck não isolado usando um membro da família LinkSwitch é apenas uma das muitas topologias possíveis que podem ser implementadas usando esses dispositivos. (Fonte da imagem: Power Integrations)

Embora as cargas com isolamento duplo ou protegidas de outra forma contra falhas na fiação da linha CA não precisem de isolamento galvânico, alguns dispositivos precisam. Usar os dispositivos LinkSwitch-TNZ em um projeto de flyback isolado de entrada universal é a melhor opção em tal situação. Os dispositivos oferecem até 12 W de potência de saída nessa topologia.

Os CIs da família LinkSwitch-TNZ oferecem diferentes correntes de saída e capacidades de potência, dependendo da topologia (Tabela 1).

Tabela 1: A família LinkSwitch-TNZ oferece suporte a várias configurações, topologias e modos de operação. Cada arranjo tem uma corrente de saída máxima ou um limite de potência diferente. (Fonte da imagem: Power Integrations)

Do conceito à implementação

A alta integração e a flexibilidade da família LinkSwitch-TNZ simplificam a tarefa do projetista. Entre os muitos desafios do desenvolvimento de um projeto de fonte de alimentação certificada e com capacidade de ser transportada estão:

1. Requisitos obrigatórios rigorosos associados à eficiência e à segurança. Isso é dificultado pela necessidade de fornecer energia em um modo de espera e, ao mesmo tempo, atender às rigorosas normas de eficiência de energia em espera. Os CIs LinkSwitch-TNZ oferecem a melhor eficiência de carga leve da categoria, permitindo que mais recursos do sistema sejam alimentados e, ao mesmo tempo, atendam às normas de espera que incluem:
   • O padrão da Comissão Europeia (EC) para eletrodomésticos (1275), que exige que o equipamento não consuma mais do que 0,5 W no modo de espera ou desligado
   • Energy Star versão 1.1 para Smart Home Energy Management Systems (SHEMS), que limita o consumo em espera de dispositivos para controle de iluminação inteligente a 0,5 W
   • GB24849 da China, que limita o consumo de potência no modo desligado em fornos de micro-ondas a 0,5 W

Ao mesmo tempo em que atendem a esses requisitos, os CIs LinkSwitch-TNZ também reduzem o número de componentes em 40% ou mais em comparação com os projetos discretos. Esses CIs de fonte de alimentação chaveada permitem uma regulagem de ±3% na linha e na carga, têm um consumo de potência sem carga inferior a 30 mW com polarização externa e têm uma corrente de espera do CI inferior a 100 µA.

2. Suporta com segurança conexões de linha CA de dois fios sem um fio neutro e conexões de três fios. Muitas cargas, como dimmers, interruptores e sensores, não têm esse terceiro fio, portanto, há o risco de corrente de fuga excessiva e potencialmente perigosa. A norma define a corrente de fuga máxima em várias circunstâncias, e a fuga do LinkSwitch-TNZ abaixo de 150 µA em projetos de dois fios sem neutro está abaixo desse máximo.
3. Não excede os limites de emissões de interferência eletromagnética (EMI). Para atingir esse objetivo, o oscilador LinkSwitch-TNZ usa uma técnica de espectro espalhado que introduz uma pequena quantidade de jitter de frequência de 4 quilohertz (kHz) em torno da frequência nominal de chaveamento de 66 kHz (Figura 2). A taxa de modulação do jitter de frequência é definida como 1 kHz para otimizar a redução de EMI para emissões médias e quase-pico.

Figura 2: Para manter as emissões de EMI abaixo do limite regulamentar, o oscilador do LinkSwitch-TNZ usa uma técnica de espalhamento de espectro com um espalhamento de 4 kHz em torno da frequência nominal de chaveamento de 66 kHz. (Fonte da imagem: Power Integrations)

4. Detecção de passagens por zero em linha CA com o mínimo de componentes adicionais ou consumo de potência. Essa detecção é necessária para interruptores de luz, dimmers, sensores e plugues, que conectam e desconectam a linha CA periodicamente usando um relé ou triac.

O sinal de passagem por zero é usado por produtos e aparelhos inteligentes de automação residencial e predial (HBA) para controlar o chaveamento, a fim de minimizar o estresse do chaveamento e a corrente de irrupção do sistema.

Da mesma forma, os aparelhos geralmente usam um circuito discreto de detecção da passagem por zero para controlar a temporização do motor e da unidade de microcontrolador (MCU). Essas aplicações também exigem uma fonte de alimentação auxiliar para conectividade sem fio, acionadores de porta, sensores e displays.

Para conseguir isso, geralmente é implementado um circuito discreto para detectar a passagem por zero da linha CA para controlar a transição de ativação do dispositivo de alimentação primária e, ao mesmo tempo, reduzir as perdas de chaveamento e a corrente de irrupção. Essa abordagem requer muitos componentes e tem muitas perdas, às vezes consumindo quase metade do balanço de energia em espera.

Em vez disso, os CIs LinkSwitch-TNZ fornecem um sinal preciso que indica que a linha CA senoidal está em zero volts. A detecção do ponto de passagem por zero do LinkSwitch-TNZ consome menos de 5 mW, permitindo que os sistemas reduzam as perdas de potência em espera em comparação com abordagens alternativas que exigem dez ou mais componentes discretos e dissipam de 50 a 100 mW de potência contínua.

Depois, há o capacitor X

Os filtros EMI de linha incluem capacitores de Classe X e Classe Y para minimizar a geração de EMI/RFI. Eles são conectados diretamente à entrada de energia CA na linha CA e no neutro CA (Figura 3).

Figura 3: A filtragem de EMI requer capacitores de filtragem de Classe X e Classe Y na linha CA, mas o capacitor de Classe X deve ser gerenciado após a desconexão da linha para garantir a segurança do usuário. (Fonte da imagem: www.topdiode.com)

As normas de segurança exigem que o capacitor X nos filtros EMC seja descarregado quando a linha CA for desconectada para garantir que a tensão e a energia armazenadas não permaneçam no cabo da linha por um período prolongado após o corte. O tempo máximo permitido de descarga é regido pelos padrões do setor, como IEC60950 e IEC60065.

A abordagem tradicional para garantir que a descarga necessária ocorra é adicionar resistores de descarga em paralelo ao capacitor X. No entanto, essa abordagem vem com uma penalidade de energia. Uma solução melhor é incluir uma função de descarga do capacitor X com uma constante de tempo configurável pelo usuário. CIs como o LNK3312D-TL adotam essa abordagem. Isso resulta em menor espaço na placa de circuito impresso, menor lista de materiais (BOM) e maior confiabilidade.

As fontes de alimentação e os conversores precisam de vários recursos de proteção. Todos os dispositivos da família de CIs LinkSwitch-TNZ incorporam:

• Partida suave para limitar o estresse dos componentes do sistema
• Reinício automático para falhas de curto-circuito e de circuito aberto
• Proteção contra sobretensão na saída
• Proteção contra sobretensão de entrada na linha
• Proteção contra temperatura excessiva com histerese

Do CI ao projeto completo

Um CI sozinho, por melhor que seja ou repleto de recursos, não pode ser um conversor CA/CC completo e pronto para uso, pois muitos componentes não podem ou não devem ser integrados a esse dispositivo. Isso inclui grandes capacitores de filtragem, capacitores de desvio, indutores, transformadores e componentes de proteção. A necessidade de componentes externos é demonstrada na fonte de alimentação de tensão constante de 6 V e 80 mA com entrada universal não isolada, e um detector de passagem por zero baseado em um dispositivo LNK3302D-TL (Figura 4).

Figura 4: São mostrados os componentes externos necessários para uma fonte de alimentação de tensão constante de 6 V, 80 mA, de entrada universal não isolada, completa e segura, com detector de passagem por zero baseado em um CI LNK3302D-TL. (Fonte da imagem: Power Integrations)

Há também dimensões mínimas relacionadas à segurança para atributos como distâncias de fuga e folga. A questão então se torna a dificuldade de desenvolver um projeto completo. A família de CIs LinkSwitch-TNZ facilita a tarefa. Por exemplo, ao usar uma frequência de chaveamento de 66 kHz, os componentes magnéticos necessários são itens padrão, prontos para uso, de vários fornecedores. Além disso, a Power Integrations fornece projetos de referência.

Para aqueles que precisam de uma fonte isolada, o projeto de referência RDK-877 (Figura 5) é uma fonte de alimentação flyback isolada de 6 W com detecção de passagem por zero baseada no LNK3306D-TL.

Figura 5: O projeto de referência do RDK-877 de 6 W fornece isolamento em uma topologia flyback e é baseado no LNK3306D-TL. (Fonte da imagem: Power Integrations)

A fonte tem uma faixa de entrada de 90 V_CA a 305 V_CA, uma saída de 12 V a 500 mA e um consumo de potência sem carga inferior a 30 mW em toda a faixa de linha CA. Mais de 350 mW de potência estão disponíveis no modo de espera, enquanto a eficiência do modo ativo atende aos requisitos do DOE6 e do EC CoC (v5) com mais de 80% de eficiência em plena carga de valores nominais. O projeto também atende aos requisitos EN550022 e CISPR-22 Classe B para EMI conduzida.

Conclusão

O projeto e a implementação de uma fonte CA/CC de baixa potência podem parecer triviais. Ainda assim, a realidade de atender aos objetivos de desempenho e eficiência, às exigências de segurança e regulamentares, bem como às demandas de custo, pegada e tempo de colocação no mercado, torna essa tarefa desafiadora. Os CIs de chaveamento, como os da família LinkSwitch-TNZ da Power Integrations, que combinam controlador e MOSFET, facilitam muito a tarefa. Esses CIs suportam diferentes níveis de potência e podem ser usados com várias topologias de fonte, ao mesmo tempo em que incorporam recursos essenciais, como detecção de passagem por zero e descarga do capacitor X.