Anahtarlamalı güç kaynağı tasarımı, analog ve sayısal devreler, güç elemanlarının karakteristikleri, manyetik devreler, sıcaklık, güvenlik ihtiyaçları, kontrol döngüsünün kararlılığı gibi elektrik mühendisliğinin bir çok konusunu içermektedir. Dolayısıyla bir tasarımda dikkat edilmesi gereken çok sayıda kriter mevcuttur. Entegre devrelerin geliştirilmesiyle sağlanan entegrasyon ile tasarım değişkenlerinin sayısı önemli ölçüde azalmış ve döngü kararlılığı artmıştır. Günümüzde MOSFET güç elemanı ile kontrol devresi aynı kılıf içinde bulunan birçok entegre devre üretilmektedir. Örnek olarak TOPSwitch entegresinin kullanıldığı bir FB güç kaynağının devre şeması şekilde gösterilmiştir. Bu kısımda bir FB güç kaynağı tasarımının adım adım nasıl yapılacağı anlatılacaktır.
Şekil. Örnek bir FB güç kaynağı devresi
Temel Parametrelerin ( VACMIN, VACMAX, fL, fS, VO, PO, ηηηη ve Z’nin ) Belirlenmesi
Öncelikle VACMIN, VACMAX, VMIN, VOR, VCLO ve CIN değerleri tespit edilir. Verim % 80 kabul edilebilir. Çıkış diyodundaki gerilim düşümü nedeniyle verim, çıkış gerilimi düşük olan kaynaklarda % 75, yüksek olanlarda ise % 85 civarındadır.
Çıkış gücü PO ve verim η olan bir güç kaynağında, sistemde kaybolan PO x ( 1- η ) / η kayıp gücü, sekonder ve primer devresinde kaybolur. Sekonder ve primerdeki kayıp güç dağılımını bilmek gerekir. Transformatör tasarımı hem çıkış gücü hem de sekonder güç kaybı dikkate alınarak yapılır. Primerdeki kırpma devresinde harcanan güç de sekonder kaybı olarak kabul edilir. Çünkü bu güç, kırpma devresine gelmeden önce transformatörden geçer. Sekonder kaybı ile toplam kayıp arasındaki oran, Z kayıp faktörü olarak bilinir ve deneysel olarak Z=0.5 alınabilir.
AC şebeke gerilimi köprü doğrultucu ile doğrultularak CIN kapasitesi ile filtre edildiğinde elde edilen bara gerilimi (V+)’nın değişimi şekilde gösterilmiştir. Şebeke geriliminin en küçük değeri olan VACMIN gerilimi, VMIN gerilimini oluşturur ve tasarımda önemli bir parametredir.
CIN kondansatörü en ekonomik olarak Watt başına, 110/115 V AC giriş gerilimi (VMIN = 90 VDC) için 2-3 µF ve 235 V AC giriş gerilimi (VMIN = 240 VDC) için 1 µF seçilir. CIN
kondansatörünün yüksek seçilmesi ile VMIN geriliminin artması ve gerilim dalgalanmasının azalması kondansatörün fiyatına ödenen bedeli karşılamaz. Kondansatör düşük seçilirse VMIN
gerilimi azalır ve akım yükseldiği için kullanılan entegrenin fiyatı artar. Ayrıca giriş gerilim dalgalanmasındaki artış kontrol ve regülasyon sınırlarını aşabilir.
Belirli bir CIN kondansatörü için VMIN geriliminin çözümü zaman alıcıdır. Aşağıda verilmiş olan yaklaşık çözüm kullanılarak yeterli doğruluk sağlanabilir. Eşitlikteki tC süresi 3 ms civarındadır ve deneysel olarak ölçülebilir.
MOSFET kesimde iken üzerinde oluşan gerilim, BVDSS devrilme gerilimini aşmamalıdır. Bu gerilim maksimum DC giriş gerilimi VMAX = 2VACMAX, sekonderden yansıyan VOR gerilimi ve primer sargısının kaçak endüktansı nedeniyle oluşan gerilimin toplamıdır. RC bastırma devresi yerine zenerli bir kırpıcının kullanılması daha uygundur. Çünkü ilk çalışma anındaki geçici rejimde kaçak enerjinin kırpılma garantisinin RC devresi ile sağlanması zordur.
Deneysel sonuçlara göre nominal zener kırpma gerilimi (VCLO=Zener clamp voltage), sekonderden yansıyan VOR geriliminin % 50’sinden fazla olması gerekir. Böylece zener sadece kaçak enerjiyi kırpar ve akımın primerden sekondere geçişine engel olmaz. Deneysel sonuçlar sekonder akımının kaçak endüktansta hızlı bir şekilde oluşması için bu gerilim toleransının gerekli olduğunu göstermektedir.
Düşük kırpma gerilimi kullanılırsa nüvede depo edilen enerji Zener diyoda aktarılır ve diyodun güç kaybı artar. VCLO nominal zener kırpma gerilimi olup oda sıcaklığında tanımlanır. Yüksek gerilimli zenerlerin pozitif sıcaklık katsayısı çok yüksek olup dirence benzer ve sıcaklık arttıkça VCLM gerilimi artar. Deneysel veriler VCLM’nin VCLO’dan % 40 yüksek olacağını göstermektedir. Bu durum zener seçerken göz önünde bulundurulmalıdır.
VCLM = 1.4 x VCLO
Ayrıca zeneri bloke etmek için kullanılan seri diyodun ileri yönde toparlanma süresinden dolayı 20 V’luk bir gerilim darbesi oluşabilir. Bu faktörler dikkate alınırsa MOSFET’in maksimum vDS gerilimi aşağıdaki gibi elde edilir.
VDS = VMAX + (1.4 x 1.5 x VOR) + 20 V
Güç kaynağının maliyetini düşürmek için, VOR geriliminin olabildiğince yüksek seçilmesi gerekir. VOR geriliminin yüksek olması durumunda DMAX değeri azalır ve MOSFET’in çalışma akımı aynı güç için düşer. DMAX değeri izin verilen maksimum değerine (%64) geldiğinde VOR gerilimi arttırılamaz.
115 V AC giriş geriliminin % 15 fazla olması 132 V AC demektir. VMAX= 2x132=187V olur. 350 V’luk bir MOSFET kullanıldığında, standart zener kırpma gerilimi 90 V ve VOR
gerilimi 60 V seçilirse 17 V’luk bir tolerans kalır. 230 VAC girişte VACMAX = 265 V ve VMAX
= 375 V’tur. 700 V’luk bir MOSFET kullanıldığında, 200 V’luk zener, VOR gerilimi 135 V ve tolerans 25 V olur. Bu tolerans en kötü duruma göre bırakıldığından az değildir. Ayrıca MOSFET ısındıkça devrilme gerilimi de artar.
AC Giriş Gerilimi En Düşük İken VOR ve VMIN Kullanılarak DMAX’ın Elde Edilmesi
) V V
( V D V
DC MIN OR
MAX = + OR −
MOSFET’in iletim gerilim düşümünün ortalaması VDS’dir. VDS sıfır alınırsa DMAX’ın değeri sabit giriş gerilimi uygulamasında % 36 ile % 40 arasında ve universal giriş gerilimi uygulamasında % 60 olur. Pratikte VDS = 10 V seçilirse DMAX değeri biraz artar. VMIN
geriliminin yüksek olması MOSFET’in çıkış gücü kapasitesini arttırır. VMAX’ın düşük olması VOR geriliminin ve DMAX’ın daha büyük olmasını ve çıkış gücünün artmasını sağlar.
Dolayısıyla giriş gerilimi aralığının dar olması, daha yüksek çıkış gücü veya güç kaynağının fiyatının düşmesi demektir.
100/115 VAC (230 VAC) giriş için DMAX Üniversal (85V-265VAC) giriş için DMAX
Primer Akımının Belirlenmesi
Kesintisiz mod Kesintili mod
KRP = 0.4 ! 110/115 VAC veya üniversal giriş için tavsiye edilen değer.
KRP = 0.6 ! 230 VAC giriş için tavsiye edilen değer. Gerilim yüksek olduğunda drain kapasitesinin deşarj olması ile oluşan, yükselen kenardaki geniş ve uzun akım pikine uyum sağlamak için 0.4’ten büyük seçilmiştir.
KRP yukarıdaki gibi seçilirse düşük giriş geriliminde kesintisiz modda çalışma sağlanır. Belirli bir çıkış gücü için primer akımının tepe değeri minimum olur ve MOSFET’in akımı azalır.
KRP = 1 ise kesintili çalışma moduna karşılık gelir. Kesintili modda kontrol döngüsünün kararlılığını sağlamak daha kolaydır.
Primer Akımının IAVG, IP, IR Ve IRMS Parametrelerinin Elde Edilmesi
Şebeke gerilimi minimum olduğunda giriş akımının ortalaması IAVG aşağıdaki gibi elde edilir.
MIN AVG O
V x I P
=η
KRP ve DMAX daha önce tespit edildiğinden, akımın şekli bilinmektedir. Akımın şekli ve IAVG kullanılarak tepe akımı IP, dalgalanma (ripple) akımı IR ve RMS akımı IRMS elde edilir.
RP MAX P AVG
xD 2 ) 1 K ( I I
−
=
RP P R I xK I =
) 1 3 K
(K x D x I
I RP
2 MAX RP P
RMS = − +
MOSFET’in akım limiti gözönünde bulundurulmalıdır. Katalogda ILIMIT oda sıcaklığı için verilmiştir. Sıcaklık arttığında bu değer % 10 azalır. ILIMIT ile IP arasındaki ilişki aşağıda verilmiştir. En ekonomik seçim ILIMIT değerinin üstünde olan elemanın seçilmesidir.
0.9 / I ILIMIT ≥ P
Güç ve Sıcaklık Sınırının İncelenmesi
Giriş gerilimi en düşük iken MOSFET’in iletim güç kaybı aşağıdaki şekilde hesaplanır.
C) (100 xR
I
PIR = 2RMS DS(ON) !
Anahtarlama kayıpları ise giriş gerilimi ed yüksek iken hesaplanır. CXT MOSFET’in D-S uçlarındaki toplam kaçak kapasitedir.
S 2 OR MAX XT
CXT xC x( V V ) xf 2
P ≅ 1 +
Jonksiyon sıcaklığı TJ toplam kayıp ve termik direnç θJA kullanılarak hesaplanır.
JA CXT IR
J 25 C ( P P )x
T = ! + + θ
Hesaplanan sıcaklık değeri C100! ’nin üzerinde çıkarsa daha büyük bir MOSFET seçilir.
Düşük giriş geriliminde kesintisiz modda çalışma, akımın tepe değerini belirli bir güç için azaltır ve daha küçük MOSFET kullanılmasını sağlar. Eğer nüve boyutunun küçültülmesi hedefleniyorsa KRP arttırılır ve daha büyük MOSFET kullanılır. KRP büyük seçilirse IP akımı artar ve daha küçük endüktans yeterli olur. KRP’nin büyük seçilmesi IRMS ve iletim kayıplarını arttırır. KRP’nin orta değerler alması hacim, ağırlık ve verim açısından optimum çözümü sağlar.
Primer Endüktansının Belirlenmesi
Her bir alternansta primerden sekondere aktarılan enerji P 2p Lp(IP IR)2 2
I 1 2L
1 − − olarak
verilir. LP primer endüktansı IP, KRP, fS, PO, η ve Z’nin fonksiyonu olarak aşağıdaki gibi elde edilir.
η η + η
−
= Zx(1- )
x f x 2 ) 1 K ( x K x I
P x L 10
RP S 2 RP
P
6 O P
Z sekonder kayıplarının toplam kayba oranıdır. Kayıpların hepsi sekonderde ise Z=1, primerde ise Z=0 olur. Elde bir veri yoksa Z=0.5 alınabilir.
Çıkış Gücüne Göre Nüve ve Bobin Seçilerek Ae, Le, AL ve BW ’Nin Belirlenmesi Sekonder sarım sayısı NS ve primer kademe sayısı L belirlenir.
Primer sarım sayısı NP ve bias sarım sayısı NB belirlenir.
BM, CMA ve Lg kontrol edilir. Gerekirse iterasyon ile L, NS, nüve ve bobin değiştirilir.
Nüve ve bobin seçimine ek olarak, transformatörün yapılması için aşağıdaki 9 parametre belirlenir.
1. Primer endüktansı LP
2. Nüvenin hava boşluğu Lg
3. Primer sarım sayısı NP
4. Sekonder sarım sayısı NS
5. Bias sarım sayısı NB
6. Primer telinin dış çapı OD 7. Sekonder telinin dış çapı ODS
8. Çıplak primer telinin dış çapı DIA
9. Çıplak sekonder telinin dış çapı DIAS
Bias sargısının akımı 10 mA civarında olduğu için telin yarıçapı problem oluşturmaz.
LP’nin dışında yukarıdaki parametrelerin tümü birbirine bağlıdır. En iyi başlama noktası sekonder sarım sayısının seçilmesidir. 110/115 VAC gerilim için 1 sarım/volt ve 230 VAC gerilim için 0.6 sarım/volt kullanmak iyi bir kabuldür.
Başlangıç olarak 115 VAC giriş, 15 V çıkış ve 0.7 V doğrultucu diyot gerilim düşümü için sekonder sarım sayısı 16 alınır. NP sekonder sarım sayısı NS, VOR ve VO+VD’ye bağlıdır.
D O S OR
P V V
x V N
N = +
Bias sarım sarım sayısı NB benzer şekilde hesaplanır. VB bias gerilimi ve VDB bias doğrultucu diyodunun gerilimidir.
D O
DB S B
B V V
V x V
N
N +
= +
Nüve/bobin boyutundan primer ve sekonder telinin dış çapları ve primer kat sayısı boşluklu olarak hesaplanır.
P E
N OD= BW
BWE etkin bobin genişliği fiziksel genişlik BW, boşluk ( M = Margin (mm) ) ve kat sayısı L dikkate alınarak hesaplanır.
[
BW (2xM)]
Lx
BWE = −
OD çapına en yakın tel seçilir. İletken kesitinin maksimum RMS akıma uygun olup olmadığına bakılır. Bobin telinin akım kapasitesi CMA (Circular mils Per Amp) olarak tanımlanır. CMA akım yoğunluğunun tersidir. DIA çap olarak gösterilmiştir.
2 RMS
2
25.4) (1000 I x
x4 DIA x 27 . 1 CMA
π
=
CMA 200’den küçük ise, çapı daha büyük bir tel gerekir. Bu durumda tek bir kat varsa ikinci bir kat kullanılabilir. CMA 500’den büyük ise, nüve daha küçük veya sarım sayısı NP daha yüksek yapılabilir. DIA’ya göre pratik tel ölçü birimi AWG (American Wire Gauge) tablo kullanılarak bulunabilir. CMA daha sonra AWG’den hesaplanır.
Dikkat edilmesi gereken diğer bir kritik parametre nüvedeki maksimum akı yoğunluğu BM’dir.
E P
P M P
A x N
L x I x B =100
Burada AE nüvenin eşdeğer kesitidir.
BM 300 Gauss’tan büyük ise nüvenin kesiti(boyutu) AE artırılmalıdır. Veya NP artırılarak BM
2000-3000 Gauss arasına getirilmelidir. BM 2000 Gauss’tan küçük ise daha küçük bir bobin veya primer sarım sayısı kullanılabilir. Ayrıca NP sarım sayısı ile LP endüktansını üretmek için gereken hava aralığı Lg kontrol edilmelidir.
− π
=
L P 2 e P
g A
1 L x 1000 x N A x x 40 L
Lg’nin hesaplanması için nüvenin kataloğunda verilen Ae kesiti ve hava aralıksız AL
endüktansının etkin değeri kullanılır. Hava aralığı genellikle nüvenin ortasında yer alır ve üretim açısından Lg en az 51 µm (2 mil) olmalıdır. Eğer Lg 51 µm’den küçük ise bobin boyutu veya NP artırılmalıdır.
Transformatör üreticisi tarafından sağlanan hava aralıklı endüktans değeri ALG, NP değeri sabit tutularak belirlenebilir.
2P LG P
N x L 1000
A =
Görüldüğü gibi transformatör tasarımı çok sayıda iterasyon yapmayı gerektiren bir işlemdir.
NP değiştiği zaman NS ve NB daha önce elde edilen oranlar ile değişir. Nüve boyutundaki bir değişiklik CMA, BM ve LG değerlerinin tekrar hesaplanarak kontrol edilmesini gerektirir.
Sekonder ISP, ISRMS, IRIPPLE, DIAS, ODS Parametrelerinin Elde Edilmesi Sekonder pik akımı aşağıdaki gibi elde edilir.
S P P
SP N
xN I I =
Primer akımı (1-D) süresince sekondere yansıdığından, sekonder akımının KRP değeri primerdeki ile aynıdır. Sekonder RMS akımı ISRMS, primer akımına benzer şekilde elde edilir.
) 1 3 K
(K x ) D 1 ( x I
I RP
2 MAX RP SP
SRMS = − − +
Çıkış kapasitesinin RMS dalgalanması IRIPPLE akım korunumu kullanılarak aşağıdaki gibi hesaplanır.
2 O 2
SRMS
RIPPLE I I
I = −
Çıkış akımı aşağıdaki gibi hesaplanır.
O O O
V I = P
ISRMS akımı bulunduktan sonra DIAS hesaplanır.
1000 x 25.4 x
27 . 1
I x CMA x
DIA 4 RMS
= π
AWGS deneysel olarak CMA ve ISRMS kullanılarak bulunabilir. DIAS daha sonra AWGS’ten elde edilir.
Sekonder telinin çağı 26 AWG’den büyük ise, 100kHz’de deri kalınlığının 2 katı olduğundan, sargılar paralel bağlanabilir. Mesela tel 23 AWG ise, iki tane 26 AWG paralel bağlanabilir.
Sekonderde üçlü izolasyonlu tel kullanılırsa telin çapı gerçek DIAS’ten büyük olur. İzin verilen ODS değeri aşağıdaki gibi elde edilir.
S
S N
) xM 2 (
OD = BW− (mm)
AWG Wire Size
Metric Size (mm) Turns/cm Turns/Inch CIR-MIL cm210-3
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44
1.00 0.900 0.800 0.750 0.700 0.600 0.550 0.450 0.400 0.350 0.320 0.280 0.250 0.220 0.200 0.180 0.160 0.140 0.130 0.110 0.100 0.090 0.080 0.070 0.060
9.13 10.19 11.37 12.75 14.25 15.82 17.63 19.80 22.12 24.44 27.32 30.27 33.93 37.48 41.45 46.33 52.48 58.77 65.62 71.57 80.35 91.57 103.6 115.7 131.2 145.8 157.4
23.2 25.9 28.9 32.4 36.2 40.2 44.8 50.3 56.2 62.1 69.4 76.9 86.2 95.2 105.3 117.7 133.3 149.3 166.7 181.8 204.1 232.6 263.2 294.1 333.3 370.4 400.0
1624 1289 1024 812.3 640.1 510.8 404.0 320.4 252.8 201.6 158.8 127.7 100.0 79.21 64.00 50.41 39.69 31.36 25.00 20.25 16.00 12.25 9.61 7.84 6.25 4.84 4.00
8.228 6.531 5.188 4.116 3.243 2.588 2.047 1.623 1.280 1.021 0.8046 0.6470 0.5067 0.4013 0.3242 0.2554 0.2011 0.1589 0.1266 0.1026 0.08107 0.06207 0.04869 0.03972 0.03166 0.02452 0.0202
Çıkış Diyotlarının Seçimi
Çıkış diyodlarının maruz kaldığı ters PIVS ve PIVB gerilimleri aşağıdaki gibi hesaplanır.
N ) x N (V V PIV
P MAX S O
S= +
N ) x N (V V PIV
P MAX B B
B = +
Çıkış diyotlarının VR gerilimi, 1.25 x PIV geriliminden büyük seçilir. Diyot akımının nominal değeri maksimum DC çıkış akımının 3 katı seçilir. VR gerilimi 45 V’tan küçük ise yani çıkış gerilimi 5V veya 3.3 V ise Schottky diyot tavsiye edilir. VR gerilimi 45 V’tan büyük ise ultra fast recovery diyot tavsiye edilir. Tabloda diyot listesi verilmiştir.
Köprü Doğrultucunun Seçimi
Köprü doğrultucunun maksimum akımı
PF x V
x I P
ACMIN ACRMS = η O
olarak hesaplanır. PF güç kaynağının güç faktörü olup 0.5 – 0.7 arasındadır. Köprü doğrultucunun RMS akımı ID ve ters dayanma gerilimi VR aşağıdaki şekilde hesaplanır.
ID > 2 x IACRMS
VR > 1.25 x 1.414 x VACMAX
Çıkış Kondansatörünün ESR Değeri’nin Seçimi
ESR değeri küçük bir kondansatör seçilmelidir. 35 V’un altında ESR kondansatörün boyutları ile orantılıdır. Çıkıştaki dalgalanma fazla ise bir LC filtre kullanılabilir.
