регуляторы серии CoolSET Infineon · Квази-резонанс – это просто! ... FB Направление ... Продуктовое портфолио

Квази-резонанс – это просто! ШИМ-регуляторы серии CoolSET от Infineon

Докладчик: Подколзин Антон

Инженер по применению Power Management

Дата вебинара 27.09.18

План вебинара

Обратноходовой преобразователь в режиме квази-резонанса

ШИМ-регуляторы серии CoolSET QR. Основные преимущества

Обзор портфолио CoolSET QR поколение 2 и 5

1

2

3

2

Новая линейка MOSFET транзисторов серии P7 950 В 4

Практическое сравнение демо-плат с микросхемами ICE2QR1080 и TOP266VG

5

Сравнение микросхем ICE2QR1080 / ICE5QR1680 / TOP266 6

Полезные материалы в помощь разработчику 7

2





1

2

3

3



5



3

Что такое резонанс в электротехнике?

Определение резонанса – резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний системы при совпадении частоты собственных колебаний с частотой колебаний вынуждающей силы.

Формула резонансной частоты (в электротехнике):

Схема последовательного резонанса (резонанс напряжений):

Комплексное сопротивление контура:

𝑍 = 𝑅 + 𝑗𝜔𝐿 −𝑗

𝜔𝐶

4

|𝑍| = 𝑅2 + (𝜔𝐿 −1

𝜔𝐶)2

Преимущества резонансных схем

Плюсы резонансных схем: • Уменьшение потерь на переключение силовых

полупроводников; • Более высокий КПД; • Возможен более компактный размер устройства

благодаря снижению требований к системе охлаждения или увеличению частоты коммутации;

• Снижение уровня электромагнитных помех устройства;

Минусы резонансных схем: • Сложность расчета магнитной системы, требующая

высокой компетенции разработчика; • Сложность в проектировании преобразователя.

Требуется учитывать влияние паразитных параметров схемы.

• Трудность в регулировании выходных параметров в широком диапазоне входных напряжений и нагрузок;

• Разброс частот коммутации в зависимости от нагрузки (чем меньше нагрузка, тем выше частота);

5

Основной принцип работы квазирезонансных схем

Cin Vin

LP

Cds

+ Vds

-

Vout

Quasi resonant Flyback (QR)

Транзистор включается при минимальном напряжении: это

резко уменьшает выброс тока

Fixed frequency Flyback (FF)

Транзистор включается при любых напряжениях: это создаѐт бросок тока

при включении (создает доп. шумы, ЭМП, потери мощности)

6

Vds

ID1 IQ1

D1

Q1

Vds

IQ1 ID1

Осциллограммы работы квази-резонансного преобразователя

Схема типового квази-резонансного преобразователя

Осцилляция 2:

Частота колебаний осцилляции 2

Начальная амплитуда колебаний осцилляции 2

Отраженное напряжение

7







8







9





1

2

3

10



5



10

Регуляторы AC-DC серии CoolSET Типовая схема включения

Infineon CoolMOS™

(P7 для Gen 5) ШИМ - контроллер

Типовая схема квази-резонансного преобразователя серии CoolSET

11

Алгоритм управления счѐтчиком резонансных колебаний (Generation 2)

Напряжение ОС - VFB Направление счѐта

VFB < Thr1 Счѐт вверх (n+1) до значения 7

Thr1 < VFB < Thr2 Счѐт останавливается, значение счетчика без изменений

Thr2 < VFB < Thr3 Счѐт вниз (n-1) до значения 1

VFB > Thr3 Принудительно устанавливает значение счѐтчика в 1

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Thr3

Thr2

Thr1

Главная проблема квази-резонансных AC-DC регуляторов серии CoolSET Generation 2

Основное ограничение в применении квази-резонансных преобразователей серии CoolSET Generation 2

• Максимальное число резонансных колебаний – 7.

o Чем выше текущее значение счетчика резонансных колебаний, тем ниже будет частота коммутации преобразователя при уменьшении нагрузки;

o Из этого следует снижение потерь на переключение и повышение КПД на низкой нагрузке;

• Одинаковый алгоритм счетчика как для высокого, так и для низкого входного напряжения.

o Большой разброс в частотах работы между High/Low line;

o Хуже показатели ЭМС;

Gen 2 CoolSET

High Line

Low Line

52 kHz

13

Инновационный алгоритм управления у серии CoolSET Generation 5

85 150 185 265

Load

AC Input

• Используя ножку VIN, регулятор может различать 2 уровня входного напряжения -

High/Low для корректировки алгоритма управления VVIN_REF ;

• Для уровня входного напряжения low line, значение счетчика колебаний лежит в диапазоне 1~8;

• Для уровня входного напряжения high line, значение счетчика колебаний лежит в диапазоне 3~10;

• Гистерезис настраивается с помощью резисторов Rl1 и Rl2;

• В режиме Active Burst Mode (малой нагрузки) счетчик устанавливается на максимум;

Burst

Mode

Normal Mode

Low Line Hysteresis High Line

1 3

. Depends on the .

. last state . 8 10

8 Hysteresis 10

14

High line Low line

Алгоритм управления счѐтчиком резонансных колебаний (Generation 5)

Переход между «High line» и «Low line» настраивается с помощью 2-х резисторов.

15

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Thr3

Thr2

Thr1

Gen 5 CoolSET

4 kHz

Low Line

High Line

Full load

fs Low Line High Line HL - LL

5Q 67 kHz 71 kHz 4 kHz

2Q 64 kHz 116 kHz 52 kHz

Алгоритм управления счѐтчиком Сравнение Gen 2 и Gen 5

Gen 2 CoolSET

52 kHz

High Line

Low Line

Для QR Gen 2 разброс в частотах работы в режимах high line и low line составляет 52 кГц

Для QR Gen 5 разброс в частотах работы в режимах high line и low line составляет всего 4 кГц

16

Сравнение по КПД между Gen 2 и Gen 5

Тестирование проводилось на базе демонстрационной платы мощностью 15,4 Вт в бескорпусном исполнении и при комнатной температуре на базе микросхем ICE5QR4780AZ и ICE2QR4780Z.

КПД (%)

Gen5 ~1%

improvement

17

Таблица сравнения Gen 2 и Gen 5

650 V @ Tj=110oC

800 V @ Tj=25oC

700 V @ Tj=25oC

800 V @ Tj=25oC

Распиновка

Схема плавного запуска

Встроенный MOSFET

Инновационный

алгоритм работы

Да

Автоматический

перезапуск (Auto-restart) «Защѐлка» (Latch)

Такие же корпуса, но

отличается распиновка

Каскодное включение

Типы защит:

• OVP по выходу

• OVP по входу

• Brown IN/OUT

• Кор.замыкание CS

• Кор.замыкание Vcc

• OTP с гистерезисом

Настраиваемый режим

Active Burst Mode

Поколение 2 QR Поколение 5 QR Параметр

18





1

2

3

19



5



19

Наименование Краткое описание Корпус Оценочная

максимальная мощность*

ICE5QSAG ШИМ-контроллер

с внешним MOSFET PG-DSO8 60 Вт**

ICE5QR4770AG Встроенный MOSFET 4.7 Ом, 700 В PG-DSO12 15 Вт

ICE5QR4770AZ Встроенный MOSFET 4.7 Ом, 700 В PG-DIP7 15 Вт








* Расчѐтная максимальная мощность в диапазоне входных напряжений 85-265 В, в бескорпусном исполнении при температуре окружающей среды +50°С и температуре на корпусе +125°С. ** Мощность ограничивается встроенным транзистором каскодного включения.

Обзор портфолио CoolSET QR Gen 5

20

Обзор портфолио CoolSET QR Gen 2

Наименование Краткое описание Корпус Оценочная

максимальная мощность*

ICE2QS02G ШИМ-контроллер

с внешним MOSFET PG-DSO8 150 Вт**

ICE2QR4765 Встроенный MOSFET 4.7 Ом, 650 В PG-DSO12,

PG-DIP7, PG-DIP8 17-19 Вт


PG-DIP7 22 Вт





ICE2QR1080 Встроенный MOSFET 1.0 Ом, 800 В PG-DSO12 45 Вт



ICE2QR0680 Встроенный MOSFET 0.6 Ом, 800 В PG-DIP7 57 Вт

* Расчѐтная максимальная мощность в диапазоне входных напряжений 85-265 В, в бескорпусном исполнении при температуре окружающей среды +50°С и температуре на корпусе +125°С. ** Мощность ограничивается рекомендуемой выходной мощностью для обратноходовых преобразователей.

21





1

2

3

22



5



22

Новые 950 В транзисторы серии CoolMOSTM P7 для маломощных источников питания

Отлично подходит для PFC & f l yback топологий

Pow

er

[W]

200

75

Primary side (ACDC)

1st stage 2nd stage

Flyback controller

Flyback controller

PFC controller

Dual stage flyback

Single stage flyback

Snubberlessflyback

23

950 В CoolMOSTM P7 SJ MOSFETs

HBM Class

RDS(on) [mΩ]

TO-220 FullPAK

TO-251 IPAK LL TO-252 DPAK SOT-223

1C

(>

1kV

)

3700 IPU95R3K7P7 IPN95R3K7P7

2

(>

2kV

)

2000 IPU95R2K0P7 IPD95R2K0P7 IPN95R2K0P7

1200 IPA95R1K2P7 IPU95R1K2P7 IPD95R1K2P7 IPN95R1K2P7

750 IPA95R750P7 IPU95R750P7 IPD95R750P7

450 IPA95R450P7 IPU95R450P7 IPD95R450P7

Продуктовое портфолио 950 В CoolMOSTM P7

24

Применение 950 В CoolMOS P7 в источнике питания для счѐтчиков

Key statements

› Увеличение КПД на 2-3% › Снижение температуры на 12°C

Тестирование ИП 12 Вт для «умного» счѐтчика

Параметр Значение

Входное напряжение 185-460 VAC

Выходное напряжение 12 VDC

Выходной ток До 1.0 A

Выходная мощность 12 Вт

КПД источника >80 %

Размеры решения 60x30x25 [мм]

Тепловое поведение [°C]

Нагрузка: 100%

IPD95R1K2P7 78

IPD90R1K2C3 94.6

Конкурирующее решение 89.8

DUT

Tепловое поведение при 230VAC

71

73

75

77

79

81

83

2 4 6 8 10 12

Eff

icie

ncy [

%]

POUT [Вт]

КПД при действующем значении UIN = 230 В

IPD90R1K2C3

Competitor

IPD95R1K2P7

∆2%

∆3%

∆~12°C

25





1

2

3

26



5



26

Демонстрационная плата DEMO-2QR1080G (Infineon)

Верхняя сторона платы Нижняя сторона платы


Применяемая микросхема ICE2QR1080G

Диапазон входных напряжений 85 – 265 В, 50 Гц

Выходное напряжение 12 В

Номинальная выходная мощность 28 Вт

Допустимая выходная мощность при входном напряжении 220 В 39 Вт

Изменение напряжения в переходном режиме (10% - 100% нагрузки) Не более 3%

КПД при входном напряжении 220 Вольт и 100% нагрузке ~ 88,5 %

КПД при входном напряжении 220 Вольт и 10% нагрузке ~ 85,5 %

Габаритные размеры платы (ДхШхВ) 120 х 52 х 26 мм

27

Демонстрационная плата RDK-242 (Power Integrations)

Верхняя сторона платы Нижняя сторона платы


Применяемая микросхема TOP266VG

Диапазон входных напряжений 85 – 265 В, 50 Гц

Выходное напряжение 12 В

Номинальная выходная мощность 30 Вт

Допустимая выходная мощность при входном напряжении 220 В 55 Вт

Изменение напряжения в переходном режиме (10% - 100% нагрузки) Не более 3%

КПД при входном напряжении 220 Вольт и 100% нагрузке ~ 86 %

КПД при входном напряжении 220 Вольт и 10% нагрузке ~ 82 %

Габаритные размеры платы (ДхШхВ) 122 х 51 х 25 мм

TOP266VG

28

Осциллограммы демо-платы RDK-242

Ток нагрузки 2.5А Режим непрерывного тока

(CCM)

Напряжение сток-исток встроенного транзистора (Vds):

Ток нагрузки 1.25А Режим прерывистого тока

(DCM)

В обратноходовом преобразователе с фиксированной частотой коммутации включение встроенного транзистора происходит после завершения текущего периода. Напряжение Vds во время включения может быть любым в диапазоне от (Vin_dc + Vrefl) до (Vin_dc - Vrefl).

29

Температура демо-платы RDK-242

Условия испытания: Входное напряжение – 220 В, 50 Гц Ток нагрузки – 2.5А Выходная мощность – 29.7 Вт Время испытания – 30 минут

Температура TOP266VG после 30-минутного испытания – ~ 81,6°C

30

Осциллограммы демо-платы DEMO-2QR1080G

Режим прерывистого тока (DCM) Включение при минимуме 1-й

пульсации



пульсации

31



пульсации



пульсации

В обратноходовом преобразователе с квази-резонансным режимом управления включение встроенного транзистора происходит всегда при минимальном напряжении текущей пульсации во время колебательного процесса (образованного контуром Lp и Coss).

32


Сопротивление токового шунта – 0,55 Ом

Пиковое значение тока – 1,18 А

Напряжение на токовом шунте (Vcs):

Благодаря включению транзистора при низком напряжении сток-исток (Vds), бросок тока при включении минимален. Потери включения встроенного транзистора резко снижаются.

33

Температура демо-платы DEMO-2QR1080G

Условия испытания: Входное напряжение – 220 В, 50 Гц Ток нагрузки – 2.5А Выходная мощность – 30.2 Вт Время испытания – 30 минут

Температура ICE2QR1080G после 30-минутного испытания – ~ 51-54 °C

34





1

2

3

35



5



35

Сравнение ШИМ-регуляторов от INFIN и Power Integrations

Параметр ICE2QR1080G ICE5QR1680AG TOP266VG

Напряжение встроенного MOSFET, Vds

800 В 800 В 725 В

Сопротивление встроенного MOSFET, Rds(on) @ 25°C

1,0 Ом 1,53 Ом 2,8 Ом

Выходная ѐмкость встроенного MOSFET, Coss @ Vds = 500В

24 пФ < 4 пФ 10,4 пФ

Максимальная мощность в бескорпусном исполнении при Uin = 230В±15%, Tamb = 50°C

77 Вт 50 Вт 39 Вт (60 Вт)

Наличие радиатора Нет Нет Нет (Да)

Тип корпуса PG-DSO-12 PG-DSO-12 eDIP-12B

Рисунок корпуса

Максимальный воздушный изоляционный промежуток

(Clearance Distance) 3,5 мм 3,5 мм 3,05 мм

Относительная цена 0.86 0.75 1.0

36





1

2

3

37



5



37

Полные руководства по разработке (Design Guide) квази-резонансных обратноходовых преобразователей представлено на сайте производителя https://www.infineon.com. Материалы от производителя Infineon: Ссылки на скачивание руководств по разработке: Design Guide CoolSET Gen 2 ICE2QRx Design Guide CoolSET Gen 5 ICE5QRx Excel-файл автоматического расчета трансформатора обратноходового преобразователя в режиме квази-резонанса: Материалы от компании КОМПЭЛ: 1) Описание алгоритмов работы квази-резонансных обратноходовых преобразователей

на русском языке (статья планируется к выпуску в журнале Новости Электроники 9 (2018));

2) Пример подробного расчѐта квази-резонансного преобразователя вместе с трансформатором на русском языке (статья планируется к выпуску в журнале Новости Электроники 10 (2018));

3) Обзор всех линеек ШИМ-регуляторов серии CoolSET поколения 5 (статья планируется к выпуску в журнале Новости Электроники 12 (2018));

Материалы в помощь для разработки квази-резонансных преобразователей

38

https://www.infineon.com/







https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Design_guide_CoolSET_QR_ICE2QRxx65-80x-AN-v01_01-EN.pdf?fileId=db3a30432ee77f32012eeb24b0a33941




https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-DesignGuide_Quasi_Resonant_CoolSET_Generation5-ATI-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d4625a888733015ab8066f756868




Спасибо за внимание!

Подколзин Антон

Инженер по применению Power Management

Тел.: 8 (495) 995-0901, доб. 2031

E-mail: [email protected]

Documents

регуляторы серии CoolSET Infineon · Квази-резонанс – это просто! ... FB Направление ... Продуктовое портфолио