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
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
3
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
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
Осциллограммы работы квази-резонансного преобразователя
Схема типового квази-резонансного преобразователя
Осцилляция 2:
Частота колебаний осцилляции 2
Начальная амплитуда колебаний осцилляции 2
Отраженное напряжение
8
Осциллограммы работы квази-резонансного преобразователя
Схема типового квази-резонансного преобразователя
Осцилляция 2:
Частота колебаний осцилляции 2
Начальная амплитуда колебаний осцилляции 2
Отраженное напряжение
9
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
10
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
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
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
19
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
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
ICE5QR4780AZ Встроенный MOSFET 4.7 Ом, 800 В PG-DIP7 15 Вт
ICE5QR2270AZ Встроенный MOSFET 2.2 Ом, 700 В PG-DIP7 22 Вт
ICE5QR2280AZ Встроенный MOSFET 2.2 Ом, 800 В PG-DIP7 22 Вт
ICE5QR1680AG Встроенный MOSFET 1.6 Ом, 800 В PG-DSO12 27 Вт
ICE5QR1070AZ Встроенный MOSFET 1.0 Ом, 700 В PG-DIP7 32 Вт
ICE5QR0680AZ Встроенный MOSFET 0.6 Ом, 800 В PG-DIP7 41 Вт
ICE5QR0680AG Встроенный MOSFET 0.6 Ом, 800 В PG-DSO12 42 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
ICE2QR4780 Встроенный MOSFET 4.7 Ом, 800 В PG-DSO12,
PG-DIP7 22 Вт
ICE2QR2280 Встроенный MOSFET 2.2 Ом, 800 В PG-DSO12,
PG-DIP7, PG-DIP8 30-31 Вт
ICE2QR1765 Встроенный MOSFET 1.7 Ом, 650 В PG-DSO12,
PG-DIP7, PG-DIP8 45-50 Вт
ICE2QR1080 Встроенный MOSFET 1.0 Ом, 800 В PG-DSO12 45 Вт
ICE2QR0665 Встроенный MOSFET 0.6 Ом, 650 В PG-DSO12,
PG-DIP7, PG-DIP8 45-50 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
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
22
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
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
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
26
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
26
Демонстрационная плата DEMO-2QR1080G (Infineon)
Верхняя сторона платы Нижняя сторона платы
Параметр Значение
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
Параметр Значение
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
Напряжение сток-исток встроенного транзистора (Vds):
Режим прерывистого тока (DCM) Включение при минимуме 2-й
пульсации
31
Осциллограммы демо-платы DEMO-2QR1080G
Режим прерывистого тока (DCM) Включение при минимуме 4-й
пульсации
Напряжение сток-исток встроенного транзистора (Vds):
Режим прерывистого тока (DCM) Включение при минимуме 7-й
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
Осциллограммы демо-платы DEMO-2QR1080G
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
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
35
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
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
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
37
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
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
Спасибо за внимание!
Подколзин Антон
Инженер по применению Power Management
Тел.: 8 (495) 995-0901, доб. 2031
E-mail: [email protected]
Top Related