Aislamiento en la fuente de alimentación digital: por qué y cómo

Con el crecimiento agresivo de Internet y la infraestructura de comunicación, las técnicas de control digital se están volviendo cada vez más populares en los sistemas de energía de telecomunicaciones, redes y computadoras porque pueden ofrecer ventajas atractivas, que incluyen flexibilidad, reducción del número de componentes, algoritmo de control avanzado, comunicación del sistema, baja sensibilidad a ruidos externos y variación de parámetros. Las fuentes de alimentación digitales se emplean ampliamente en servidores de gama alta, almacenamiento, módulos de telecomunicaciones, etc. Para estas aplicaciones, a menudo se requiere aislamiento.

El desafío del aislamiento en una fuente de alimentación digital es enviar señales digitales o analógicas a través de la barrera de aislamiento con alta velocidad, precisión y tamaño compacto.1 Sin embargo, la solución de optoacoplador tradicional tiene un ancho de banda y una relación de transferencia de corriente (CTR) bajos, lo que provoca una amplia variación con la temperatura y problemas de degradación con el tiempo. La solución del transformador también tiene problemas de tamaño a granel, saturación magnética, etc. Estos problemas limitan el uso de optoacopladores o transformadores en algunas aplicaciones de alta confiabilidad, tamaño compacto y larga vida útil. Este artículo analiza las técnicas de aislamiento digital para abordar estos problemas con Analog Devices. iAcoplador® productos en diseño de fuente de alimentación digital.

Por qué necesita aislamiento

Al diseñar una fuente de alimentación, es esencial cumplir con los estándares de seguridad para proteger a los operadores y al resto del personal de descargas eléctricas y energía peligrosa. El aislamiento es un método importante para cumplir con los estándares de seguridad. El requisito de aislamiento especifica diferentes niveles de voltaje de entrada y salida, tanto de estado estable como transitorio, por muchas agencias en todo el mundo como VDE e IEC en Europa y UL en los Estados Unidos. Por ejemplo, hay cinco categorías de aislamiento introducidas en UL60950:

  • Aislamiento funcional: Aislamiento que sólo es necesario para el correcto funcionamiento del equipo.
  • Aislamiento básico: Aislamiento para proporcionar protección básica contra descargas eléctricas.
  • Aislamiento Suplementario: Aislamiento independiente aplicado además del aislamiento básico, para reducir el riesgo de descarga eléctrica en caso de falla del aislamiento básico.
  • Aislamiento doble: Aislamiento que comprende tanto el aislamiento básico como el aislamiento suplementario.
  • Aislamiento Reforzado: Un sistema de aislamiento único que proporciona un grado de protección contra descargas eléctricas y es equivalente al doble aislamiento en las condiciones especificadas en esta norma.

Comparación de control lateral primario y control lateral secundario

Según la posición del controlador, los métodos de control de potencia aislada se dividen en dos tipos: control del lado primario y control del lado secundario. La Tabla 1 muestra la comparación de funciones entre el control del lado primario y el control del lado secundario. UVP y OVP significan protección contra bajo voltaje y protección contra sobrevoltaje, respectivamente, en la siguiente tabla.

Tabla 1. Comparación de funciones entre el control lateral primario y el control lateral secundario
FunciónControl lateral primario Control lateral secundario
EncenderSe requiere una fuente de alimentación regulada de CC directa o simple para alimentar el controladorSe requiere alimentación auxiliar aislada para alimentar el controlador
Unidad de puertaLos controladores de puerta de los interruptores laterales primarios no necesitan aislamiento; Los controladores de compuerta rectificadora síncrona necesitan aislamientoEl controlador de puerta de un rectificador síncrono no necesita aislamiento; Los controladores de puerta de los interruptores del lado primario necesitan aislamiento
Entrada UVP/OVPNo se requiere aislamientoSe requiere aislamiento
Salida UVP/OVPSe requiere aislamiento No se requiere aislamiento
Bucle de control Se requiere un bucle de control aislado para regular el voltaje de salidaNo se requiere bucle de control aislado
Comunicación del sistemaSe requiere aislamiento No se requiere aislamiento
Encendido/apagado remoto No se requiere aislamientoSe requiere aislamiento
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Control lateral secundario

El ADP1051 es un controlador de potencia digital avanzado de Analog Devices con un PMBus interfaz, que apunta a aplicaciones de alta densidad de potencia y alta eficiencia como convertidores de bus intermedio.2 los ADP1051 se basa en una arquitectura de máquina de estado flexible y ofrece muchas características atractivas, como protección de corriente inversa, arranque prepolarizado, modo de corriente constante, velocidad de respuesta de voltaje de salida ajustable, control de tiempo muerto adaptativo y balance de voltios por segundo dentro del chip, lo que reduce muchos componentes externos en comparación con la solución analógica. En general, el ADP1051 se usa más a menudo como control lateral secundario, ya que es fácil hacer que se comunique con el sistema. Por lo tanto, señales como las señales PWM de rectificadores síncronos y VAFUERA la detección no necesita cruzar el límite de aislamiento para comunicarse con el sistema. Sin embargo, en este caso, se requiere una fuente de alimentación auxiliar para proporcionar la alimentación inicial al controlador del lado secundario ADP1051 en la etapa de arranque desde el lado primario. Además, las señales PWM, que son de ADP1051, deben cruzar el límite de aislamiento. Se analizan tres enfoques, que son el transformador de accionamiento de puerta, el aislador digital y el controlador de puerta aislado.

Transformador de accionamiento de puerta

La Figura 1 muestra el diagrama de bloques de una fuente de alimentación digital con la solución de transformador de accionamiento de compuerta. En este enfoque, el controlador secundario ADP1051 envía señales PWM al ADP3654, que es un controlador MOSFET de 4 A de dos canales. El ADP3654 luego impulsa un transformador de accionamiento de compuerta. La función del transformador de accionamiento de compuerta es transferir las señales de accionamiento del lado secundario al lado primario y conducir los MOSFET del lado primario. Una fuente de alimentación auxiliar aislada proporciona energía al ADP1051 en la etapa de arranque.

Figura 1. Transformador de accionamiento de compuerta impulsado por la solución ADP3654.

Las ventajas de la solución del transformador de accionamiento de compuerta incluyen un retraso de tiempo menor y un costo más bajo. Sin embargo, ADP3654 requiere un diseño más cuidadoso del transformador de accionamiento de compuerta, ya que el transformador debe reiniciarse después de un período de tiempo; de lo contrario, se saturará. En términos de diseño de transformador de accionamiento de compuerta para una topología de medio puente, a menudo se emplea un transformador de dos extremos, que se muestra en la Figura 2.

Figura 2. Transformador de accionamiento de compuerta de dos extremos.

La figura 2 muestra el circuito de un transformador de accionamiento de compuerta accionado por el ADP3654. El ADP3654s VOA y Vtransmisión exterior las salidas se conectan a un transformador de accionamiento de puerta a través de un condensador de bloqueo de CC Ccorriente continua. Teniendo en cuenta los segundos de voltios máximos necesarios en todas las condiciones de funcionamiento, se selecciona un ciclo de trabajo máximo del 50 % para medio puente. Una vez seleccionado el núcleo, el número de devanados primarios NPAGS se puede calcular usando la Ecuación 1:

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Ecuación 1

Donde VDD es el voltaje a través del devanado primario, fs es la frecuencia de conmutación, ∆B es el cambio de densidad de flujo pico a pico durante la mitad del período de conmutación, y Ami es el área equivalente de la sección transversal del núcleo. cuando vOA conduce alto y Vtransmisión exterior baja, Q1 se enciende y Q2 se apaga. cuando vtransmisión exterior conduce alto y VOA baja, Q2 está encendido y Q1 está apagado. Tenga en cuenta que este transformador de accionamiento de compuerta es adecuado para medio puente simétrico, pero no para medio puente asimétrico u otra topología de abrazadera activa.

aislador digital

La Figura 3 muestra un diagrama de bloques de una fuente de alimentación digital, que implementa una solución de aislador digital. El aislador digital de doble canal ADuM3210 se utiliza como aislamiento digital para transferir las señales PWM desde el controlador del lado secundario ADP1051 al controlador de medio puente del lado primario.

Figura 3. Solución de aislador digital.

En comparación con el complejo diseño del transformador de accionamiento de compuerta, la solución de aislador digital es más pequeña, más confiable y más fácil de usar. No hay limitación para el ciclo de trabajo y esta solución no tiene el problema de saturación. Debido a que ahorra más del 50 % del espacio de la placa de circuito impreso, esta solución puede lograr un diseño de alta densidad de potencia.

Controlador de puerta aislado

Para simplificar aún más el diseño, el aislamiento eléctrico integrado y la fuerte capacidad de accionamiento de puerta, el El controlador de compuerta de medio puente aislado ADuM7223, 4 A, puede proporcionar salidas de lado alto y lado bajo independientes y aisladas. La solución del controlador de puerta aislado se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Solución de controlador de puerta aislada.

En la Figura 5, el controlador de puerta aislado ADuM7223 está configurado como un controlador de puerta de arranque para controlar un medio puente. DBST es un diodo de arranque externo y CBST es un condensador de arranque externo. Durante cada ciclo, cuando se enciende el MOSFET Q2 del lado bajo, VDD carga el condensador de arranque a través del diodo de arranque. Para minimizar la disipación de potencia, se requiere una baja caída de tensión directa y un rápido tiempo de recuperación inversa, se requiere un diodo ultrarrápido.

Figura 5. Controlador de compuerta aislado configurado como un controlador de compuerta de arranque.

Control lateral primario

Debido a que el control del lado primario no necesita una fuente de alimentación aislada auxiliar y tiene una arquitectura de control simple, utilizar el control del lado primario es más popular en algunas aplicaciones de bajo costo. De acuerdo con la ruta de control de aislamiento, se analizan tres enfoques: optoacoplador lineal, optoacoplador general con amplificador estándar y amplificador aislado.

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Optoacoplador lineal

Aislar el voltaje de salida en una fuente de alimentación digital generalmente requiere una retroalimentación de aislamiento rápida y precisa. Los optoacopladores a menudo se usan para enviar señales analógicas desde el lado secundario al lado primario, pero el CTR del optoacoplador varía en un rango muy amplio con la temperatura y se degrada con el tiempo. La Figura 6 muestra el CTR normalizado frente a la característica de temperatura ambiente de TCET1100. A partir de esta cifra, la variación de CTR superará el 30% de –25°C a +75°C.

Figura 6. CTR normalizado frente a temperatura de TECT1100.

Es muy difícil garantizar la precisión del voltaje de salida con un optoacoplador general usado directamente en el circuito de retroalimentación para transferir el voltaje de salida. Se utiliza un optoacoplador general con un amplificador de error para transferir la señal de compensación en lugar del voltaje de salida. El ADP1051 ya tiene la compensación de bucle digital implementada dentro del chip, por lo que ya no necesita la señal de compensación. Una forma de evitar esto es usar una solución de optoacoplador lineal para transferir el voltaje de salida de forma lineal, como se muestra en la Figura 7. El costo de un optoacoplador lineal es alto, lo que significa que el usuario tiene que pagar una prima.

Figura 7. Solución de optoacoplador lineal.

Optoacoplador general con amplificador estándar

Se puede aplicar otro circuito para realizar el control del lado primario utilizando un optoacoplador general y un amplificador estándar, que se muestra en la Figura 8. En este caso, se logra una alta precisión de voltaje de salida sin sufrir el amplio rango de CTR del optoacoplador debido a los cambios de temperatura. . Los resultados de la medición muestran que la variación del voltaje de salida está en el rango de ±1 %, con un rango de CTR de 100 % a 200 %.

Figura 8. Solución de optoacoplador con amplificador.

La fórmula de CTR es

ecuación 2

Cuando el CTR cambia con la temperatura, la salida del amplificador compensará los cambios para mantener una alta precisión en el voltaje de salida. Tenga en cuenta que el punto de operación estable y el rango de oscilación del amplificador deben estar bien diseñados para satisfacer la variación de CTR con el requisito de temperatura, en caso de que la salida del amplificador se sature.

amplificador aislado

El tercer método es el amplificador aislado, como el ADuM3190, que se muestra en la Figura 9. El ADuM3190 es un amplificador aislado que es ideal para fuentes de alimentación de retroalimentación lineal con controladores del lado primario, debido a su gran ancho de banda y alta precisión en comparación con un optoacoplador. Esto permite mejoras en la respuesta transitoria, la densidad de potencia y la estabilidad, en comparación con las soluciones de optoacopladores y reguladores de derivación de uso común. Con el diseño adecuado, el ADuM3190 puede lograr una precisión de tensión de salida de ±1 %.

Figura 9. Solución de amplificador aislado.

Conclusión

Debido a la creciente necesidad de seguridad, alta confiabilidad, alta densidad de potencia y gestión inteligente en el sistema de energía actual en telecomunicaciones, redes e informática, las técnicas de aislamiento desempeñarán un papel cada vez más importante. En comparación con las soluciones tradicionales de transformadores y optoacopladores, Analog Devices iLos acopladores ADuM3210, ADuM7223 y ADuM3190 con el controlador de potencia digital ADP1051 brindan una solución de alta confiabilidad, alto ancho de banda y alta densidad de potencia.

Referencias

1 Baoxing Chen.“Beneficios del aislamiento del microtransformador Control digital.” Tecnología de electrónica de potenciaoctubre de 2008.

2 Hoja de datos de ADP1051, Analog Devices, Inc., 2023.

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