Simplifique o projeto da fonte de alimentação usando uma matriz fácil de usar para fonte de alimentação de chaveada (SMPS)

Os projetistas de produtos ou dispositivos eletrônicos precisarão inevitavelmente de uma fonte de alimentação adequada. Com dispositivos de potência que variam de dezenas de watts a vários quilowatts (kW), pode ser um desafio encontrar os componentes certos. Com milhares de opções de equivalências de retificadores, controladores de potência, comutadores e acionadores de porta, o problema pode retardar o processo de projeto, aumentando o custo e comprometendo os prazos.

Uma maneira de simplificar as coisas é começar com a linha de dispositivos de energia inteligente de um fornecedor confiável e usar suas ferramentas on-line para ajudar a fazer as melhores escolhas. Por exemplo, uma matriz para componentes de fonte de alimentação de chaveada (SMPS) organizada por aplicação, topologia, dispositivos e características críticas pode acelerar o processo de seleção e projeto.

Este artigo discute brevemente o projeto da SMPS. Em seguida, apresenta uma matriz de componentes SMPS da onsemi que vincula retificadores em ponte, controladores, acionadores de porta e comutadores de energia compatíveis com cada nível de alimentação da aplicação. Ele explica as definições críticas do produto e fornece exemplos de como usar a matriz para simplificar a seleção de componentes.

Projeto de SMPS

Considere os principais elementos de uma SMPS básica alimentada por linha CA destinada a uma aplicação USB de Fornecimento de Energia (PD) com um nível de potência de 100 W (Figura 1). A linha ou o lado primário da fonte normalmente precisa de um retificador, um controlador de correção do fator de potência (PFC), um controlador de potência, um optoacoplador, acionadores de porta e comutadores de potência. O lado secundário normalmente precisa de um controlador de retificador síncrono (SRC), comutadores de retificador síncrono (SR), um controlador USB PD e um optoacoplador.

Figura 1: São mostrados os principais componentes de uma SMPS típica de 100 W. (Fonte da imagem: onsemi, modificada pelo autor)

Os componentes para esse projeto correspondem ao nível de potência. Os projetistas devem escolher as topologias do lado primário para PFC e controle de potência, e as topologias do retificador e do regulador do lado secundário. Com base nessas decisões, eles podem então selecionar os componentes individuais.

É nesse ponto que a Matriz SMPS da onsemi ajuda a selecionar os componentes da fonte de alimentação (Figura 2).

Figura 2: É mostrada a Matriz SMPS interativa que ajuda os projetistas a selecionar componentes ativos com base na classe de potência das fontes de alimentação e nas topologias preferidas. (Fonte da imagem: onsemi)

A Matriz SMPS baseia as escolhas de projeto no nível de potência e na densidade, que aparecem nas duas primeiras colunas à esquerda. Os níveis de potência mais altos estão na parte superior, diminuindo em direção à linha inferior. Estão incluídos níveis de potência desde 5 W a mais de 3 kW. Como a densidade de potência é uma medida da potência por unidade de volume, a densidade de potência ultra-alta produz uma fonte de alimentação menor do que um pacote de alta densidade. Uma alternativa a essas duas opções de empacotamento é o pacote de perfil baixo. A Matriz define o nível de tensão da fonte de alimentação de acordo com o nível de potência.

Cada entrada de nível de potência na Matriz tem de uma a três linhas de componentes recomendados que correspondem às opções de densidade de potência, fornecendo componentes selecionados para as topologias dos lados primário e secundário. As entradas marcadas com N/A indicam que a entrada não se aplica a esse nível de potência e densidade específicos.

A coluna do retificador lista os componentes da ponte retificadora, sugeridos para o nível de potência equivalente. Em alguns casos, a entrada é sem ponte. Isso ocorre quando uma ponte retificadora não é necessária porque outro componente, como um PFC totem pole, substituiu sua função. As entradas "fast-leg" e "slow-leg" nos campos de PFC identificam rapidamente os PFCs de totem pole. Esses PFCs slow-leg têm ramificações lentas de comutadores, que operam na frequência da linha, enquanto o fast-leg, ou ramificações rápidas, de comutadores operam em uma frequência de chaveamento mais alta e mais típica.

A Matriz sugere uma topologia primária com base no nível de potência desejado. Ela recomenda dispositivos controladores com qualquer uma das quatro topologias comuns: flyback (switcher), flyback de grampeamento ativo (ACF), flyback quase ressonante (QR) ou indutor-indutor-capacitor (LLC).

O conversor flyback é uma topologia de fonte de alimentação isolada, sem conexão elétrica direta entre os lados primário e secundário. Quando o dispositivo do comutador de potência é desligado, o indutor acoplado transfere energia do primário para o secundário. O controle de tensão do conversor é mantido usando o chaveamento de modulação por largura de pulso (PWM) em uma frequência fixa.

O projeto do ACF usa o conceito de flyback de um indutor acoplado para transferir energia do primário para o secundário. Além disso, ele usa um dispositivo ativo para descarregar ou limitar a indutância de fuga do indutor acoplado em um capacitor para minimizar o estresse na comutação de energia do MOSFET.

A topologia de flyback QR usa a indutância e a capacitância parasitas do circuito para obter uma resposta quase ressonante e ligar o comutador de energia com um mínimo de tensão de dreno. Esse "chaveamento suave" reduz as perdas de comutação do conversor.A frequência de chaveamento resultante não é fixa e varia de acordo com a carga.

O conversor LLC usa uma resposta totalmente ressonante para garantir um chaveamento de tensão realmente zero no dreno. Ele reduz as perdas de chaveamento mesmo em condições sem carga e é adequado para níveis de potência mais altos.

Os controladores recomendados são agrupados em torno de faixas de potência específicas, usando o switcher para os níveis de potência mais baixos, o QR e o ACF para fontes de alimentação de médio porte e os conversores LLC para níveis de potência mais altos.

A Matriz inclui diagramas de blocos SMPS detalhados, ilustrando as conexões entre os componentes para onze projetos específicos, abrangendo cinco níveis diferentes de potência e densidades disponíveis em guias rotuladas (Figura 3).

Figura 3: A Matriz inclui diagramas de blocos SMPS detalhados para onze projetos específicos, abrangendo cinco níveis de potência e densidades diferentes, disponíveis em guias rotuladas. (Fonte da imagem: onsemi)

Depois que o nível de potência e a densidade são selecionados, os componentes podem ser escolhidos nas linhas de nível de potência apropriadas e nas colunas específicas de topologia da Matriz. Clicar nos números de componentes com hiperlink abre uma visualização expandida da Matriz, na qual os números destacados estão vinculados aos números de peça da DigiKey (Figura 4).

Figura 4: Clicar em qualquer número de peça com hiperlink na matriz original abre uma matriz secundária expandida com links para entradas de peças da DigiKey. (Fonte da imagem: onsemi)

Qualquer um dos componentes listados na linha e na topologia selecionadas é compatível.

Usando a Matriz

Um excelente exemplo de um nível de potência intermediário para fins ilustrativos é uma SMPS de 100 W para USB PD, semelhante à unidade mostrada anteriormente no diagrama de blocos da Figura 1. Observando a Matriz, a linha de nível de potência de 70 W a 200 W cobre a fonte de 100 W necessária. A seleção de "High" na coluna Power Density Rating exibe a Matriz expandida com links para os componentes necessários (Figura 5).

Figura 5: Os retângulos verdes contornam as seleções de componentes para uma SMPS de alta densidade de 100 W na Matriz expandida. Os números de peça azuis estão vinculados a uma página de filtro de produto DigiKey associada. (Fonte da imagem: onsemi)

As normas internacionais, especialmente na União Europeia, exigem o uso de PFC em níveis de potência de 75 W ou mais. O controlador PFC recomendado aqui é o NCP1623 da onsemi. O NCP1623 é um controlador PFC de reforço com fator de forma pequeno que suporta até 300 W para adaptadores de energia de carga rápida e fontes de alimentação modulares para computadores em que a economia, a confiabilidade, o alto fator de potência e a eficiência são requisitos essenciais. Ele requer uma ponte retificadora externa, e recomenda-se o GBU6M ou o GBU6K da onsemi. O comutador de energia PFC compatível é o NTP125N60S5H da onsemi, um MOSFET rápido dimensionado com uma tensão dreno-fonte máxima (V_DSS) de 600 V, uma corrente de dreno máxima (I_D) de 22 amperes (A) e uma resistência de condução entre dreno-fonte (R_DS(ON)) de 125 miliohms (mΩ).

O controlador do lado primário recomendado é o controlador flyback QR de alta frequência NCP1343 da onsemi. É um controlador ideal para adaptadores CA/CC e fontes de alimentação de estrutura aberta, pois incorpora todos os componentes necessários nos projetos modernos de SMPS. Ele é combinado com o comutador de energia NVD260N65S3 dimensionado em 650 V_DSS, 12 A de I_D e uma R_DS(ON) de 260 mΩ.

O NPC4307 da onsemi é um acionador de retificação síncrona no lado secundário da fonte de alimentação. Ele garante uma retificação síncrona eficiente quando usado com o comutador MOSFET onsemi NTMFSC010N08M7 dimensionado em 80 V_DSS, 61 A de I_D e uma R_DS(ON) de 10 mΩ.

O último estágio importante do projeto é selecionar o controlador USB PD que pode gerenciar o optoacoplador no lado secundário de um adaptador CA/CC ou de um regulador de energia de porta CC/CC. A Matriz sugere o controlador de protocolo PD3.0 FUSB15101 da onsemi (com suporte à fonte de alimentação programável (PPS) USB) na saída da fonte de alimentação, usando um MOSFET de canal N NTTFS4C02NTAG da onsemi, dimensionado em 30 V_DSS e 164 A de I_D. Sua R_DS(ON) é de 2,25 mΩ a 10 V e 3,1 mΩ a 4,5 V.

A fonte de alimentação resultante, disponível como placa de teste NCP1343PD100WGEVB da onsemi (Figura 6), tem uma faixa de tensão de saída de 3,1 V a 21 V. Sua eficiência média é de 92% em entradas de 115 V ou 230 V_CA. Cabe em um gabinete de 60 x 60 x 19 mm e tem uma densidade de potência de 1,46 W por centímetro cúbico (W/cm³).

Figura 6: São mostradas as vistas superior (esquerda) e inferior (direita) do projeto da fonte de alimentação de referência USB PD de 100 W com base nos componentes selecionados usando a Matriz SMPS. (Fonte da imagem: onsemi)

Conclusão

A Matriz SMPS da onsemi oferece um caminho fácil de usar para a seleção de componentes de fonte de alimentação, garantindo que a seleção de componentes críticos compatíveis corresponda ao nível de potência do projeto. Ela reduz o tempo necessário para encontrar peças e fornece links instantâneos para fichas técnicas e cotações de preços.