ЛИНЕЙКА МОДУЛЕЙ ПИТАНИЯ ROHM ОТ 0,5 ДО 12 ВТ

При проектировании источника питания разработчик сталкивается с различными требованиями и ограничениями: минимальный размер, наименьшее количество компонентов при максимально достижимой надежности и эффективности, простота, энергосбережение и т.д. Несмотря на широкое разнообразие на рынке готовых модульных источников питания, в ряде случаев возникает необходимость в разработке AC/DC-преобразователей под конкретную задачу. Перечисленным требованиям в полной мере отвечают модули питания японской компании Rohm. Номенклатура модулей достаточно широка, она позволяет строить бестрансформаторные сетевые источники питания мощностью от 0,5 до 4,8 Вт или изолированные источники питания мощностью 10 или 12 Вт. Основные параметры модулей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры AC/DC-преобразователей Rohm для импульсных источников питания

Наименование	Uвх, В пост. тока	Pвых, Вт	Uвых, В	Iвых, мА	Размеры корпуса, мм	Тип корпуса
Бестрансформаторные AC/DC-модули мощностью 0,5...4,8 Вт
Преобразователи с одним выходом
BP5041A5	226...358	0,5	+5	100	33х19х11	SIP10
BP5041A		1,2	+12	100	33х19х11	SIP10
BP5048		3,6		300	35х20х9	SIP12
BP5041A15		1,2	+15	80	33х19х11	SIP10
BP5048-15		3		200	35х20х9	SIP12
BP5047A24		3,6	+24	150	35х20х9	SIP12
BP5048-24		4,8		200	35х20х9	SIP12
BP5045A5	-(113...390)	1	-5	200	28х18х10	SIP10
BP5045A		2,4	-12	200	28х18х10	SIP10
Преобразователи с двумя  выходами
BP5085-15	226...358		+5	350	49х22х14	SIP16
			+15	80
Изолированные AC/DC-модули мощностью 10 и 12 Вт
BP5722А12	217...405	12	+12	1000	33х22х9,5	SIP11
BP5723-33	113...405	10	+3,3	3000	39х22х11	SIP11

Надо заметить, что AC/DC-преобразователи Rohm не содержат выпрямитель. Поэтому на их вход необходимо подавать 226...358 В постоянного тока, которое легко получить из сетевого напряжения 220 В / 50 Гц. Основная особенность модулей Rohm серии BP50xx - отсутствие трансформатора, что позволяет в несколько раз уменьшить размер конечного изделия по сравнению с линейными источниками питания той же мощности на основе трансформатора.

Внимание! Следует помнить, что преобразователи Rohm серии BP50xx не имеют гальванической развязки от напряжения сети, и при их эксплуатации требуется соблюдать общеизвестные правила техники безопасности!

Модуль из этой серии представляет собой гибридную микросборку, включающую силовой ключ, цепи управления и обратной связи. Основные преимущества модулей перед конкурирующей продукцией:

• меньшее количество навесных компонентов;
• меньшая площадь источника питания на печатной плате;
• проще процесс проектирования;
• проще процесс изготовления: меньшее количество компонетов, операций и материалов.

В результате получается простой, дешевый, достаточно экономичный импульсный источник питания со стабилизированным выходным напряжением.

МОДУЛЬ ПИТАНИЯ BP5041A

Модуль BP5041A представляет собой AC/DC-преобразователь без гальванической развязки «вход-выход» со встроенной катушкой индуктивности. Структурная схема микросборки BP5041А показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема модуля BP5041А

Выпрямленное внешним диодом высоковольтное напряжение поступает на управляемый ключ на входе микросборки. Он управляется импульсами частотой несколько десятков килогерц, сформированными задающим генератором в схеме управления. Управляемый этими импульсами ключ с той же частотой подключает/отключает высокое входное напряжение к нагрузке. Выходное напряжение ключа имеет форму импульсов величиной 282 В (точка А структурной схемы).

Ток потребления контролируется встроенным блоком детектора тока. Выходное напряжение, снимаемое с выходного вывода микросборки, постоянно контролируется встроенным блоком детектора напряжения. Сигналы с выходов блоков контроля напряжения и тока поступают на схему управления, которая отслеживает изменения выходного напряжения и потребляемого тока и регулирует частоту следования импульсов задающего генератора, осуществляя, таким образом, стабилизацию выходного напряжения. 

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ12 В/0,1 А И ЕГО ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ 

Модуль питания BP5041A является основным компонентом простого и недорого бестрансформаторного источника питания с выходным напряжением 12 В и выходным током 0,1 А. Схема источника питания на базе модуля BP5041A приведена на рис. 2.

Рис. 2. Источник питания 12 В/0,1 А на основе модуля BP5041A

Входным напряжением модуля BP5041А является постоянное напряжение, которое получено из переменного напряжения на входе источника питания 220 В/50 Гц. Диапазон входного напряжения модуля составляет 226...390 В постоянного тока, источник питания может работать в условиях нестабильного сетевого напряжения, допустимый диапазон переменного напряжения лежит в пределах 160...276 В.

На выходе источника питания присутствует стабилизированное постоянное напряжение 12 В.

Основные параметры рассматриваемого источника питания:

• диапазон выходного тока: 0...100 мА;
• возможность работы без нагрузки;
• нестабильность выходного напряжения 20...150 мВ (0,17...1,25%) при изменении входного напряжения Uвх (на выводе 10) от 226 до 390 В и выходном токе 50 мА;
• нестабильность выходного напряжения 50-150 мВ (0,4...1,25%) при изменении нагрузки Iвых от 0 до 50 мА;
• размах пульсаций выходного напряжения: 50...150 мВ от пика до пика;
• диапазон рабочих температур: -25...80°С;
• диапазон температур хранения: -25...105°С;
• электростатическая прочность изоляции в соответствии с IEC61000-4-2: 2кВ.

Для построения источника питания к модулю требуется подключить всего 7 внешних компонентов.

Варистор VAR1, установленный во входной цепи, предназначен для защиты преобразователя от импульсных помех и статического электричества. Диод D1 выпрямляет переменное сетевое напряжение. Конденсаторы С1 и С3 сглаживают пульсации входного и выходного напряжений соответственно. Дополнительная цепочка R1C2 предназначена для уменьшения уровня шумов. Кроме того, предлагается использовать предохранитель F1 для защиты в случае аварийных ситуаций.

Производитель дает следующие рекомендации по выбору номиналов элементов внешних цепей подключаемых к модулю.

Предохранитель должен быть рассчитан на ток 0,5 А. Резистор R1 мощностью 0,25 Вт подбирается экспериментально, его номинал обычно составляет 10...22 Ом. Конденсатор С2 емкостью 0,1...0,22 мкФ может быть пленочным или керамическим, с рабочим напряжением не менее 400 В. Выпрямительный диод D1 должен иметь обратное пиковое напряжение не менее 800 В и средний выпрямленный ток более 0,5 А. Сглаживающий конденсатор C1 может иметь емкость от 3,3 до 22 мкФ и должен быть рассчитан на напряжение не менее 400 В. Выходной сглаживающий конденсатор C3 должен иметь емкость 100...470 мкФ и как можно более низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Помимо схемы с однотактным выпрямлением, как в приведенной схеме, возможно включение модуля в схему с двухтактным выпрямлением с помощью диодного моста.

Перечень компонентов, отвечающих этим требованиям, приведен в таблице 2.

Таблица 2. Перечень элементов источника питания 1,2 Вт на модуле BP5041A  

Поз. обозн.	Описание компонента	Обозначение	Произво-дитель	Наименование для заказа
				Префикс	Наименование
R1	Резистор, 10 Ом, SMD 1206	RC1206JR-0710R	YAG	5%	RES 1206 10R
VAR1	Варистор, 390 В	FNR-10K391	FNR		FNR-10K391
D1	Диод, SMA	S1J	NXP		S1J PBF
F1	Предохранитель 0,5 А, 250 В с выводами				FUSE 0.5A 250V 5X20 FP
C1	Конденсатор электролитический 4,7 мкФ, 450 В, 105°С	RD2W475M10016BB	SAMWHA	RD	ECAP 4.7/450V 1016 105C PBF
C2	Конденсатор пленочный 0,1 мкФ, 400 В	CL11-104K-2G-D		10%	CAP/FILM 0.1/400V CL11
C3	Конденсатор электролитический 100 мкФ, 35 В, 105°С	RD1V107M6L011	SAMWHA	RD	ECAP 100/35V 0611 105C PBF
IC1	Модуль питания	BP5041A	ROHM		BP5041A PBF

КПД преобразования модуля составляет не менее 50%, а типовое значение - 62%. Максимальное же значение определяется выходным током модуля. Это связано с изменением частоты переключения микросборки при отслеживании встроенным детектором выходного тока, что необходимо для стабилизации выходного напряжения. При этом чем меньше выходной ток, тем меньше эффективность преобразования. Эта зависимость приведена на рисунке 3. Для получения высокого КПД можно рекомендовать работу с нагрузкой от 60 до100 мА.

 Рис. 3. Зависимости КПД преобразования от выходного тока BP5041A

В любом импульсном источнике питания важно обеспечить правильный температурный режим. Максимальная величина выходного тока источника питания зависит от температуры окружающей среды. При температуре воздуха до 60°С максимальный выходной ток составляет 100 мА. При дальнейшем нагреве наблюдается спад тока нагрузки (рисунок 4а). Величина выходного тока, в свою очередь, влияет на нагрев модуля. При увеличении тока нагрузки температура на поверхности микросборки Tпов также возрастает. На рис. 5 показаны зоны максимального нагрева на поверхности модуля.

На рис. 4б приведен график изменения температуры модуля ΔT=T_окр-Т_пов, где T_окр - температура окружающего воздуха.

Рис. 4. Области безопасной работы модуля BP5041A: а) зависимость выходного тока Iвых от температуры окружающей среды Токр, б) зависимость изменения температуры модуля ΔT от выходного тока

 

 

Рис. 5. Области максимального нагрева модуля BP5041A

 

 

Рис. 6. Внутренняя структура модуля BP5041A

 

 

Рис. 7. Габаритные и установочные размеры модуля BP5041A, мм

Например, при токе 100 мА температура поверхности микросборки на 20°С превышает температуру окружающей среды. На основе графиков рис. 4 можно определить предпочтительные значения выходного тока исходя их температурного режима: при достаточно высокой температуре воздуха чрезмерный нагрев модуля относительно окружающей среды приведет к выходу преобразователя из строя. За пределами рабочей области (см. рис 4б), при превышении выходным током значения 110...115 мА и превышение DT более 28-30°С, в частности, изменяется значение U_вых.

КОНСТРУКЦИЯ МОДУЛЯ BP5041A

Модуль BP5041A представляет собой гибридную микросборку, выполненную в виде печатной платы с выводами и установленными на ней элементами (см. рисунок 6). Микросборка залита негорючим компаундом в соответствии с UL94V-0. Габаритные и установочные размеры и назначение выводов приведены на рис. 7.

Для устранения возможной индуктивной связи между витками встроенной катушки индуктивности и распределенной индуктивностью печатного проводника рекомендуется специальная конфигурация печатного монтажа, показанная на рис. 8. Входной и выходной конденсаторы должны располагаться как можно ближе к выводам модуля. Производитель категорически не рекомендует использовать активный флюс при монтаже изделия.

 

Рис. 8. Рекомендуемая область разводки печатной платы

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

AC/DC-преобразователи Rohm предназначены в первую очередь для использования в бытовой технике для питания микропроцессоров, управляющих конечными устройствами (двигателями, лампами, нагревателями и т.п.). Как правило, микропроцессору для работы требуется стабильное напряжение 5 В, причем ток потребления процессора редко превышает несколько десятков миллиампер. В таких случаях экономически нецелесообразно предусматривать в схеме дополнительный трансформаторный источник питания, да и увеличение массогабаритных показателей готового устройства крайне нежелательно. Также нет смысла в использовании трансформатора при питании схемы электросчетчика. Кроме того, использование модулей в бытовой аппаратуре позволит соблюдать массогабаритные требования, а также требования экономии места, низкой стоимости и экономного энергопотребления.

В общем случае область применения AC/DC-преобразователей Rohm включает в себя стиральные машины, холодильники, кондиционеры, посудомоечные машины, светотехническое оборудование, увлажнители, влагопоглотители, пылесосы и множество другой техники.

Варианты применения источника питания на базе AC/DC-модуля Rohm представлены на рис. 9, 10.

 

Рис. 9. Обобщенная схема устройства с источником питания на модуле BP5041A

 

Рис. 10. Пример применения преобразователя BP5041A в схеме питания лампы дневного света

Еще раз напомним, что рассмотренная микросборка BP5041A не имеет гальванической развязки от напряжения сети, поэтому при ее эксплуатации требуется соблюдать общеизвестные правила техники безопасности!

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение хочется еще раз подчеркнуть достоинства миниатюрных модулей Rohm: это низкое собственное энергопотребление, отсутствие трансформатора, компактность, малая масса, простота создания источника питания. На сегодняшний день электропитание, основанное на бестрансформаторных импульсных источниках, используется производителями бытовой техники во всем мире. Благодаря сочетанию хороших технических характеристик модули Rohm являются достойным решением для отечественных разработчиков простых и недорогих источников питания.