Интегральный асимметричный ШИМ-контроллер FSFA2100 с мягкой коммутацией

Продолжением моей работы по практическому изучению современных источников питания стало изделие по названием FSFA2100. Это оттуда же. От Fairchild Semiconductor. В отличие от резонансного источника питания — это ШИМ. Немного своеобразный, так называемый Asymmetric PWM Half-Bridge Converter. Силовой каскад которого работает в режиме «мягкой» коммутации. Или ZVS – по ихнему. Представляет из себя интегральную сборку all-in-one, с небольшим количеством внешних элементов.

Вот она, FSFA2100. Для сравнения, снизу моя боевая линейка, а сверху LM317 в ТО220 корпусе.
По виду не скажешь, что вот этот маленький кусок пластика способен работать в блоке питания с мощностью до 400Вт. Как-то мелко и неказисто он выглядит...
Но в современном мире уже пора перестать чему либо удивляться. Надо попробовать и пощупать, что это такое в реальной работе. Согласно даташиту — схема проста, обилие фишек и плюшек приятно удивляет. В наличии все защиты, режим burst mode для работы с дежуркой, ZVS по умолчанию. Есть application note. Называется AN-4153. В нем рассказано в деталях, с расчетами, как изготовить трансформатор, и не только.

Надо нарисовать схему и подумать, куда мне ее приспособить, чтоб не просто погреть воздух нагрузками, а еще и применить в деле. А если при этом сравнить с уже имеющимся?

Ничего мощного под рукой не нашлось, а делать «просто так» - не интересно. В качестве «лабораторного мыша» были предложены несколько кандидатур. Например пара ЦАП. Или предусилитель? До вытягивания спичек дело не дошло, решил начать с преда.


Вот этот прелестный набор деталей и пойдет по нож. Точнее его БП на TL494.
Он на фото с левой стороны. Его топология и плата — полностью аналогична тем, что я применял в своих последних моделях ЦАП, где разделено питание цифры и аналога. Только тут вместо питания цифры — питание для всех реле.

Короче, однополярное 16В для коммутации и 2*16-17В для аналога. Там дальше стоят стабилизаторы на LM317/337. Им меньше никак нельзя.
Стабилизацию самого БП можно завести на шину коммутации.

Вот так:

Отрисовал схему. Удивился. Что-то мало деталей. Чем заполнять пустые места на плате?

Ну а теперь детали.
FSFA2100 – интегральная сборка.
Внутри ШИМ, набор защит, и интегрированы выходные ключи.
Поэтому ног всего 10, из которых задействовано 9.

1 нога — сток верхнего ключа.
Туда подается силовое питание +310В после моста.

2 нога — выход для подключения оптопары системы регулирования выходного напряжения.
Одновременно является местом мониторинга защиты OLP и перехода в burst-mode.
Короче работает оно в коридоре от 1,5В до 6В.
Внутри есть источник тока, нагруженный на транзистор оптопары. Когда потребление минимально — напряжение на выходе растет выше заданного системой стабилизации на TL431. При этом растет напряжение на светодиоде оптопары, вызывая открытие фототранзистора в этой оптопаре.
Напряжение на 2й ноге падает ниже 1,5В и ШИМ начинает работать с перерывами. Подробнее, с графиком, есть в даташите.

Когда напряжение на выходе, по причине перегрузки или гаечного ключа на выходных клеммах, падает ниже предельно допустимого, светодиод оптопары не светит, фототранзистор закрывается, вызывая рост напряжения на 2й ноге.
Как только оно становится выше 6В — срабатывает OLP (Over Load Protection) и генератор отключается.
Все защиты триггерные. То есть сбросить их можно, только обесточив контроллер и включив снова.

3 нога — регулировка частоты генератора и софт-старт.
Принцип прост — чем ниже сопротивление в цепи 3й ноги на массу — тем выше частота.

4 нога — сенсор перегрузки силовых ключей. В простонародье — токовая защита.
Мониторит падение напряжения на измерительных резисторах и при даже кратковременно превышении его выше 0,6В — срубает генератор. Является источником геморроя при наладке, но при этом не дает убить полевики.

5 нога — масса конторллера.

6 нога — исток нижнего полевика. (обычно соединяется с 5й ногой прямо на плате — чтоб не мучиться.)

7 нога — питание всех систем контроллера. Работает диапазоне от 14,5В до 23В.
Ниже 14В ломается как красна девица и не запускается.
Выше 23В слетает в защиту — чтоб не помереть от перенапряжения (OVP Over Voltage Protection). Также является источником головняка при наладке, но только при использовании «самопитания».

8 нога — не пригодилась...

9 нога — питание драйвера верхнего плеча. Те, кто работал с IR2153, знают что это и как его питать.
Здесь то же самое. Имеет свой компаратор готовности, по аналогии с компаратором основного питания.

10 нога — точка соединения истока верхнего и стока нижнего полевика. Она же выход на трансформатор.

Питание контроллера от отдельной обмотки трансформатора. Запуск от стабилизатора на транзисторе.
В общем почти ничего сложного. Добавить 3 детали и вперед.

Пора делать плату. Собирать.

И начинать думать над трансформатором.
В апноте, мало того, что с перепугу разжеван на несколько страниц синхронный выпрямитель, так еще и расчет проведен под напряжение питания 400В, что подразумевает либо работу от трехфазной сети, либо применение PFC. Мы же ребята простые, нам надо всего 310В, и то по праздникам.
У меня в старом БП стоит транс EI35, с прямоугольным керном. Зато его сечение идеально подходит под расчетное. В апноте расчет под 107мм2 а у меня квадрат 10*10мм.
Да и витков многовато? Целых 50. В первичку.
Да, тяжко им там с PFC.
Но еще неизвестно, как оно у меня без него будет работать!

К сожалению, в процессе намотки трансформатора я про фотоаппарат просто забыл. Вспомнил уже когда готовый транс лежал на столе.

Но в принципе сама намотка не сложная. Секционирование не требуется, только нужен литц, частота то уже не маленькая.
Моя палка для изготовления литца на коленке, описанная в предыдущей статье, позволила изготовить один непрерывный кусок провода, которого хватило ровно на 44 витка. Ну чтож, пусть будет 44. Тем более в оригинале у китайцев на этом трансе как раз было 20+20 на первичку.

Вторичку прикинул на глаз, исходя из 44 витков. Сверху самопитание — намотал 6 витков. В процессе можно будет отмотать или домотать.

В общем данные транса получились такими:
Первичка — 44 витка литцем 0,1*35.
Мотается в ряд, с прокладками между слоями.
Получилось 4 слоя.
Вторичка на коммутацию — 6+6 витков (мотал бифилярно — так проще распаивать потом концы.). Провод литц -0,1*40. (40 проводков по 0,1мм каждый)
Вторичка на аналоговые цепи — 6+6 втиков тем же проводом.
Самопитание — 6 многожильным монтажным, наподобие МГТФ.

Теперь «настройка» трансформатора.
В апноте рекомендуют индуктивность первички — 600мкГн, индуктивность рассеяния - 20мкГн.
А у намотанного трансформатора индуктивность первички оказалась просто «конская». Даже ранее намотанные резонансные трансы нервно закурили в стороне, обливаясь слезами от зависти. Короче около 4мГн. Пришлось проложить три слоя бумаги, чтоб получить требуемые 600мкГн.
Мне аж жалко его стало...

Следующий этап — включение. Обвешав датчиками нужные точки — включаю через лампочку. Шипение, треск и тишина. Что за...?
Но что интересно, лампочки, использованные в качестве нагрузок — зажглись. То есть процесс пошел, но как то не так... Пробую подкрутить потенциометр регулировки напряжения.

Запуск — вроде с шипением заработало, на выходе силовой части полный хаос и сразу задымили резисторы в снабберах вторичных обмоток.
Они там не планировались, просто разводка платы делалась по шаблону старого БП, и они оттуда переехали вместе с выпрямителями. Откусываю их прямо сверху.
Включаю — четкий старт! Регулировка есть. Ничего не дымит. Но при увеличении напряжения вылетает в OVP. Вот интересно. То, что в обычном БП оберегает нас от коммутационных потерь и выбросов, здесь оказалось не просто не нужным, а лишним в схеме!

Но уже лучше, а раз OVP, надо отмотать для начала 1 виток от самопитания.
Причем грань настолько тонкая, что слет в OVP может произойти при кратковременном повышении напряжения сети.

Но так как время было к вечеру, остальное насилие запланировал на другой день.

По дороге домой посетила меня мысль — как себя поведет БП при изменении сетевого напряжения? Ведь в отличие от резонансника, здесь не меняется амплитуда напряжения на вторичках. Только ширина импульса. В самопитании применен обычный мост. По сути мы выпрямляем прямоугольник максимального размаха. А размах зависит от числа витков и пропорционален напряжению в розетке. И если оно повысится — то будет OVP, а если понизится, то часть нагрузки ляжет на пусковой стабилизатор, который просто не сможет долго держать БП в работе.
Перегреется и сгорит, потянув за собой весь БП.

Косяк однако... А что если? Как в даташите? Попробовать отдельное питание от дежурки компа?
На следующий день провел ревизию коробки с донорами комповых БП. Вариантов было много, но два блока меня заинтересовали. В них были «дежурки» на микросхеме FSDM0265RN. Подняв даташит, удивился. Неплоха по всем параметрам! Осталось проверить что там на выходах? 5В мне не надо, а вот 15 получить бы было неплохо...

Аккуратно срисовал схему — чистой воды даташит. Перерисовал плату, сделал один вариант на куске текстолита. Дежурка выдала мне два напряжения — 5В и 23В.
Попытка снизить напряжение на шине, где было 23В, до 15-18В средствами регулировки самой микрухи ни к чему не привели. На 20В она уходила в циклическую защиту. Зато вверх была просто дикая регулировка. Но разбирать транс не хотелось, боялся сломать — хорошо пропитан.
К счастью, обмотка на 5В намотана в два провода. Оказалось просто перекоммутировать две обмотки в одну, соединив их последовательно и не разбирая при этом сам трансформатор.
Теперь можно регулировать напряжение от 11 до 24В.

Прежде чем ломать условно рабочую версию БП, подключу питание навесиком, удалив диод из цепи запуска на транзисторе и отключив обмотку самопитания.

Четкий запуск, регулировка напряжения — все в норме.

Голубой - форма сигнала на выходе полумоста. Желтый - на точке контроля тока. (вход CS)

Это уже на выходах вторички транса относительно средней точки до диодов выпрямителя.

Погоняв блок весь день, выяснил:
1. Температура FSFA2100 без радиатора около 30 градусов.
2. Трансформатор не греется. Ни обмотки, ни сердечник.
3. Дроссели после диодов (а они при ШИМ регулировании — основная составляющая выпрямителя) должны быть достаточно большого номинала.
Я напихал что нашлось в комповых БП — около 80мкГн.
При попытки ткнуть туда то, что ставил в старые БП (8-10мкГн) — перегруз на старте, защита, а если и запуск, то нет регулирования, писк и треск транса...
Ну ладно, найдем если надо, и что-то с большей индуктивностью...

Корректирую схему и ввожу туда дежурку.

Переразвожу и переделываю саму плату с учетом всех доработок.
Собираю.

Так как я ограничен в высоту из-за тонкого корпуса, пришлось откопать в завалах кондер для сетевого выпрямителя на 150мкф 450В, вместо пары последовательных 330мкф 250В, что ставил всегда.

Микруху на радиатор. Не потому, что она греется, а потому что не уверен, что смогу обеспечить ей рекомендованный даташитом ambient в 50 градусов при закрытом корпусе. Скажем так, просто для повышения надежности.

Естественно, с внешним питанием все заработало как часы. Теперь я буду спокоен за БП при изменении напряжения в розетке.

Ну и самое интересное — пора его вживить в «лабораторного мыша» и посмотреть, для чего были все эти свистопляски.

Плата встала как родная, одеваю разъемы, включаю! Все отлично. Работает. Теперь прогон в корпусе. Сразу скажу. В сравнении с 494й — всему устройству сильно полегчало по части нагрева. В работе иногда верхняя панель корпуса была неприлично горячая, а что происходило внутри, можно увидеть на фото:

Транс пропитан лаком НЦ. Изоленту на сердечнике повело, местами лак стал коричневым. Результат работы обычного ШИМ на частоте 80кГц. Хотя пока оно на столе — все вроде в пределах нормы.

Ну а в новой схеме транс холодный — это ощущается и сразу, и после 2-3 часов работы. И никаких снабберов! Пока блок работал, решил поближе рассмотреть процессы, происходящие на выходе полумоста.

Голубой — нога Vctr. Желтый — CS. И вот «поближе»

Природу выброса на CS при спаде я не могу объяснить — она меняет размах от выходного напряжения. При увеличении — совсем пропадает. Но тогда разность напряжения между входом и выходом стабов сильно растет, увеличивая тепловые потери. Мне оно не надо.

Интересно, что отсутствует «полка» определяемая dead time. Поэтому с непривычки может показаться что что-то не так...
А вот регулировка ширины импульса не совсем привычная для полумоста. Это именно Asymmetric PWM. При максимальной нагрузке мы имеем по 50% заполнения обоих полупериодов импульсов, а при минимальной или половинной, уменьшается длительность только одного полупериода.

Тоже довольно непривычное для меня решение. И я сначала подумал, что у меня что-то не так работает. Но прочитав раздел application note, все встало на свои места.

↑ А теперь то, ради чего это затевалось

Помимо облегчения теплового режима, я надеялся улучшить и шумовую часть конструкции.
Раскопал старые измерения. И сделал новые. Результат, как говорится, на лице.

Это измерено еще в первый раз, когда я дорвался до Creative, как измерителя. Просто тупо мерил все что под руку попадет.
А вот свежий результат с новым БП. Больше в схеме ничего не менялось, даже провода внутри лежат также, и пыль не вытерта...

Такое ощущение, что самому Креативу стало легче рядом с обновленным предом. Самое интересное — уровень шума. Незначительный — но результат.
А если еще все по уму сделать? Разводку там, корпус потяжелее?

В общем интересная микросхема, интересный результат. Единственный минус — организация внешнего питания. Можно конечно поставить параметрический стабилизатор из двух-трех мощных резисторов и стабилитрона, можно запитаться от переменки через кондер и снова стабилитрон.
Но это не сильно надежно, да и избавившись от тепловыделения с одной стороны, мы его добавим с другой.

Еще можно задрать самопитание до 25-30В и лишнее срезать интегральным стабом, как я делал на FAN7621. В общем можно решать этот вопрос на свой вкус. Я думаю все же поискать готовые малогабаритные решения DC\DC преобразователей.

Ну а пока на этом закончу. Далее планирую замучить FSFR2100, она справа на фото выше, но это тема для отдельного обзора.

↑ Файлы

Платы и схемы тут: 🎁fsfa2100.zip  81.74 Kb ⇣ 144

Даташиты:
🎁FSFA2100.pdf  888.08 Kb ⇣ 111
🎁FSFR2100.pdf  1.12 Mb ⇣ 143

Application note: 🎁AN-4153.pdf  896.65 Kb ⇣ 141

С уважением, Алексей

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации