** Message generated by: ** FSG WinFBB Message Editor v2.0b (c)2000 FSG's JO1HDV -------------------------------------------------------- [ TST HOST 1.43c, UTC diff:5, Local time: Fri Sep 19 22:04:11 2008 ] ͻ FUENTES DE ALIMENTACION CONMUTADAS Por Osvaldo LW1DSE ͼ Hasta ahora, hemos conocido los distintos tipos de fuentes conmutadas aisladas, sin aislar, como se las controla, y como se hace el pasaje de las seales de control cuando las mismas son aisladas. Pero, en todas ellas nos referimos sistemticamente a esquemas tericos y genricos, tanto en lo re- ferente a circuitos y a formas de onda. Empero, vamos a meternos un poco ms adentro del circuito, y para ello, nos hemos de basar un poco en la fuente fly back, y en el captulo donde analizamos al MOSFET por dentro. Remito al lector a dichos captulos para que los relea antes de afrontar esta entrega. No obstante, importar desde aquel captulo el circuito y las formas de onda tpicas, y entonces, partir de este dibujo para avanzar en el anlisis. oĿ Ĵ>Ŀ D1 L1 L2 n1 n2 + + C Rc Ei oĴ<Ŀ Eo - PWM Ĵ - oĴ o GND1 GND 2 Ŀ Ŀ Ŀ Ŀ Ŀ <---- MF1 on Gate MF1 ------------------------------------------------------------ Ŀ Ŀ Ŀ Ŀ -Ŀ-----Ŀ---- Ŀ-----Ŀ-----Ŀ-------- Ei Drain de MF1 = Volts * segundo iguales. Ŀ Ŀ Ŀ Ŀ Anodo de D1 -Ŀ-----Ŀ---- Ŀ-----Ŀ-----Ŀ-------- 0V Figura 1: Esquemtico y formas de onda tericas de una fuente Fly Back. El esquema de la figura 1, en la realidad, se compone de un montn de componentes extras que no se dibujaron en aquel entonces para no complicar demasiado el dibujo. Pero ahora que sabemos que el MOSFET es algo mas que un simple semiconductor y que contiene capacidades parsitas y dems elementos en su interior, vamos a redibujar la misma figura con dichos componentes. Tampoco el inductor es tan inocente como parece, ni los capacitores. Todos esos componentes tienen elementos parsitos, y vamos a exponerlos para ver como actan. Inicialamente, se los considera perjudiciales a muchas de estas componentes, pero veremos despus que es posible hacer a algunos de ellos, jugar a favor nuestro. Cjd R1 Ld1 Ld2 ---- | | oıĿ Ĵ>o | | D | R R L1 L2 Cd2 EQ EQ Cd1 | | | Figura 2: Elementos L ------------- L parsitos tpicos en EQ | C12 EQ una fuente conmutada CMr - tipo Fly Back. | R2 | Ci oĴ<Ŀ Co PWM Ĵ | oĴ | o- o Cds GND1 Lx1 Lx2 GND 2 En la figura 2 estn representados algunos de los ms importantes ele- mentos parsitos que intervienen en una fuente conmutada tpica. Vamos a des- cribirlos sintticamente a continuacin: R1 = es el equivalente de todas las prdidas del circuito de entrada; R2 = es el equivalente de todas las prdidas del circuito de salida; Req = es la resistencia serie equivalente (ESR) de cada capacitor; Leq = es la inductancia serie equivalente (ESL) de los mismos; Ld1 = es la inductancia de dispersin del devanado N1; Ld2 = es la inductancia de dispersin del devanado N2; Lx1 = es la inductancia del conexionado del lado de entrada; Lx2 = es la inductancia del conexionado del lado de salida; Cjd = es la capacidad de juntura del diodo, y si se halla montado sobre sobre un discipador, la capacidad del nodo al mismo; Cds = es la capacidad Drain-Source del MOSFET, a la que se suma la generada por montar al mismo en un discipador conectado a GND1; CMr = es la capacidad Miller del MOSFET; Cd1 = es la capacidad entre las espiras del devanado de L1; Cd2 = es la capacidad entre las espiras del devanado de L2; C12 = la capacidad entre devanados de los inductores acoplados; L1 = inductancia del circuito de entrada perfectamente acoplada con L2 y sin elemeto parsito alguno (ideal desde el punto de vista matemtico); L2 = inductancia del circuito de salida perfectamente acoplada con L1 y sin elemeto parsito alguno (ideal desde el punto de vista matemtico). A esta lista debe agregarse la resistencia de los conductores (trazos del circuito impreso, alambres de los bobinados y cables de entrada y salida) y la RDSon del MOSFET, resistencias de sensado de corrientes, conductancias de prdidas del sistema, sometidos a diferencias de potencial, prdidas por histresis, Foucault y proximidad en los elementos magnticos, prdidas por irradiacin en los trazos vivos para RF, etc. Evidentemente, un intento por numerarlos a todos, siempre va a ser un fracaso. De todos ellos, los mas perjudiciales son los elementos reactivos, capacitivos o inductivos, pues los resistivos slo contribuyen a prdidas que se transforman en calor en los respectivos elementos, excepto las ESR de los capacitores que generan algunas dificultades a la hora de calcular la compen- sacin de la fuente; dado que intervienen en la respuesta de alta frecuencia del sistema, y que como sufren alteraciones con la temperatura y el envejeci- miento, son un poco difciles de predecir. La resistencia serie, adems pro- voca una cada de potencial alterno de ripple entre sus extremos, lo cual se traduce a la salida de la misma como residuo de la frecuencia de conmutacin, que puede ser atenuada por una segunda celda LC como ya hemos visto oportuna- mente. Las inductancias internas de los capacitores (ESL), son problemticas, porque generan con la capacidad del propio capacitor, circuitos resonantes capaces de ser exitados por alguna de las armnicas de la misma onda rectan- gular e irradiar dicha frecuencia. Y, por encima de esa frecuencia de resonan- cia pasan de comportarse capacitivamente a ser inductivos, dejando de ser tiles ya para la funcin que deben desempear en nuestra fuente. Para contra- restar ese efecto, es que se ponen distintos tipos de capacitores en paralelo, y de distintos valores usualmente. Por ejemplo, un capacitor de 2200F puede dejar de ser capacitivo a 8 o 10 KHz, mientras que uno de 1F es resonante a unos 100 Khz. Entonces, si se ponen ambas unidades en paralelo, a las frecuen- cias en que el de 2200F ya no es capacitivo, el de 1f todava lo es, y mas all de los 100 KHz, habr uno de .22 prestando servicio hasta la zona del Mhz, y as sucesivamente, se van compensando. De manera que es relativamente sencillo deshacerse de los inconvenientes provocados por estos elementos indeseables. Los efectos derivados del uso de un circuito impreso, pueden tambin ser minimizados con un correcto diseo del mismo y por el uso de blindajes o jaulas de Faraday correspondientes. La inductancia de los trazos de circuito impreso se minimiza haciendo trazas anchas y cortas y disponiendo de sectores circulares en su interior en los cuales no hay cobre. De esta manera, se fa- brican mltiples inductancias en paralelo, que como sabemos, tienen una in- ductancia total menor que la menor de cada una de ellas por separado. Los retornos de masas y de positivo en general se hacen anchos, pues deben llevar la corriente contnua de servicio, pero poseen bajos potenciales y corrientes de RF, de modo que no son tan crticos. Queda por ltimo, mencionar a los residuales parasitarios ms com- plicados desde el punto de vista del diseo. Se trata de los ya estudiados internos al MOSFET, y al transformador o inductor (simple o acoplado), pues de ellos no se puede prescindir. Los MOSFET ms utilizados vienen encapsulados en formato TO220 o TO247 (TO3P) con aleta metlica expuesta para montaje mecnico al discipador, o los mas viejos TO3 ntegramente metlicos. Si fueran atornillados directamente a los discipadores, toda la masa metlica quedara sometida a un elevado potencial tanto de DC como de RF, por lo que son aisla- dos de los mismos mediante mica o goma siliconada, y un niple de PVC para aislar el tornillo, y en definitiva toda esa estructura metlica se conecta a tierra, o a un punto de bajo potencial de RF como es algn negativo de entrada o de salida. De esta manera se genera una capacidad desde el Drain del MOSFET al Source que se adiciona a la interna del mismo. La capacidad del impreso no se toma en cuenta demasiado, por ser normalmente muy baja, por las mismas razones de la inductancia arriba enunciadas. Queda entonces hacernos cargo de los elementos mas complicados, que son la capacidad Miller, y las parsitas internas de (los) bobinado(s). Estas ltimas conforman con las inductancias, otros circuitos resonantes, capaces de almacenar energa de RF extradas de las mismas ondas rectangulares, y que se liberan cuando pasaron los transito- rios de conmutacin. Como hemos visto en el captulo dedicado a analizar el MOSFET porden- tro, y sus efectos capacitivos, vimos que la capacidad equivalente del mismo se poda asumir como una capacidad fija (la de gate a source) y una variable con la ganacia, (la de drain a gate). Como que la ganacia del FET vara con distintas tensiones de gate y drain respecto al source comn, tenemos que su comportamiento es diferente cuando est abierto, y cuando est cerrado. Ergo, su capacidad efectiva tambin. Esto significa que parte de las capacidades del sistema no son constantes en el tiempo. Es por ello, que las oscilaciones pa- rsitas que se establecen en tales elementos, tampoco lo son. Vamos a ver entonces, como se manifiestan en la realidad. Para ello, haremos un zoom (amplicin del oscilograma de la figura 1 para ver con ms detalle como se manifiestan tales oscilaciones (RINGING en ingls). Ŀ -Ŀ-----Ŀ-- Drain de MF1 . . . . . . f2 . . . . . . . . . MOSFET OFF . . . . . . DIODO OFF . . . . . . . . . . . .Ŀ . . . . . . ------------- .P . . . . .  . . . f3 . . . | . . . . . | . . . . . DIODO ON | . . . . . . | . . . . . . Nivel de Ei | . . . . . . ---------------------------------------------.---.---.---.---.---.-- | . . . . . . | . . . . . . | . . . . . . . . . . . Ep . . . . . . . . . . | . . . . MOSFET ON | . . . | . . | . . | . . | . . | ------ . |  Q . . . . | . . . . . . | Ev Figura 3: . . . . . . . .   "zoom" del oscilograma . . . . . . . ------------------- de la forma de onda en . . . . . . Nivel de 0 Volt el drain del MOSFET. . . . . . (NO A ESCALA) . . . Ep: tensin de pico, . . f1 Ev: " de valle. . En la figura 3 vemos las oscilaciones parsitas (RINGING) que se gene- ran en una fuente conmutada tpica fly back. Por lo general se producen luego de un cambio brusco de estado, porque en esos momentos es cuando hay libera- cin de energa, y parte de ella exita las susodichas oscilaciones. La entrada en conduccin del MOSFET inicia una serie de oscilaciones mostradas en la figura 3, con una frecuencia f1. Responden a la forma de una oscilacin sinusoidal amortiguada exponencialmente. Dado que la resistencia de conduccin del FET (RDSon) es muy baja, dicha oscilacin es rpidamente amortiguada, pues dicha RDSon carga severamente al circuito resonante. La fre- cuencia de resonancia es relativamente elevada, y en ella participan todos los elementos reactivos mostrados en la figura 2, excepto L1 y L2 dado que se los considera IDEALES, por lo tanto TODA la energa en ellos acumulada, se trans- fiere de un circuito a otro. Es de poca amplitud y de corta duracin, escasa importancia. La salida de servicio del MOSFET debera coincidir con la entrada del diodo de salida. Pero no es as en la realidad. El diodo se halla polarizado fuertemente en inversa durante la conduccin del FET, y debe pasar a conducir l, pero no puede hacerlo de inmediato, pues primero se deben alterar los estados de cargas de la capacidad de juntura del diodo Cjd, luego la tensin de salida del inductor debe poder vencer la barrera de potencial del diodo adicionada a la tensin de salida, y recin despus entrar en conduccin. En todo ese tiempo, el inductor se halla completamente cargado de energa en forma de campo magntico en el gap de su ncleo, de manera que se exitan osci- laciones de una duracin y amplitud mayores que en f1, y de una frecuencia f2 tambin bastante elevada, puesto que el diodo es incapaz de reaccionar a esa frecuencia, y rectificarla. Aqu interviene una capacidad Miller del MOSFET ms alta, porque tiene una mayor diferencia de potencial entre sus extremos, y por lo tanto un ganancia de pequea seal mayor, por lo tanto la frecuencia de esta oscilacin f2 es menor que f1. Tambin suele ser de pequea amplitud, un poco mas elevada y de mayor duracin que f1. Pero la realmente preocupante y generadora de grandes problemas es f3. Ac, el diodo ha dejado de conducir porque la energa en el inductor remanente no alcanza para mantener al diodo en conduccin, y al MOSFET todava le falta un rato para entrar a conducir, por lo tanto no hay quien amortige dichas oscilaciones. Ahora se suma la capacidad de juntura del diodo ya bloqueado, por lo tanto es la de ms baja frecuencia de las 3, y hay en juego una gran cantidad de energa remanente en el inductor, y al ser de menor frecuencia, las prdidas naturales del circuito son menos importantes para ella. Es en- tonces, la de mayor amplitud y duracin, y la de menor frecuencia de las tres. La tensin en el valle de la oscilacin Ev se acerca a cero, pero no llega; pues en el tiempo que dura este primer cuarto de ciclo del ringing, ya se perdi parte de la energa del inductor en calor (punto Q). En el tercer cuarto de ciclo se alcanza la tensin ms elevada de la oscilacin, llegando a una tensin menor que la del secundario reflejado al primario, porque an ms energa del inductor se discip. Ese pico se manifiesta en la figura 3 como Ep (punto P). Resulta evidente que hay determinados puntos de la oscilacin que son ideales para realizar un nuevo encendido del MOSFET, particularmente el primer valle de tensin, Q. Aqu naturalmente se halla un mnimo de tensin, lo cual implica una condicin casi ptima. Esa propiedad es utilizada en un tipo de fuentes denominadas Quasirresonantes o ZVS (Zero Voltage Switch). Tambin hay puntos totalmente indeseables para encender el FET, estos son los picos de tensin, punto P. Obviamente, dependiendo del estado de carga y tensin de entrada, el control de PWM encender el MOSFET en un punto dictaminado por estas dos variables enunciadas, independientemente de cual punto conviene para minimizar prdidas por conmutacin. Pero, en los ZVS, existe un criterio lige- ramente distinto para el encendido del MOSFET, haciendo uso de estas propie- dades, pero con un drstico cambio en el modo de funcionamiento y en la efi- ciencia general del conversor. Fin captulo # 25 Osvaldo F. Zappacosta. Barrio Garay (GF05tg) Alte. Brown, Bs As, Argentina. Mother UMC PC:AMD486@120MHz 32MbRAM HD SCSI 4.1Gb MSDOS 7.10 TSTHOST1.43C Batera 12V 70AH. 6 paneles solares 10W. oszappa@yahoo.com ; oszappa@gmail.com LW8DJW BBS 145070 mhz BUENOS AIRES ARGENTINA GF05TH OPERADOR: JORGE M LOPEZ Mail jorgelopez07@hotmail.com