Hyötysuhteen kannalta kodinkoneiden pienitehoisia ohjausosia ei kannata syöttää samasta teholähteestä kuin varsinaisia teho-osia. Avuksi kannattaa ottaa pieni erillinen lisäteholähde, joka tarjoaa energiatehokkaan toiminnan myös laitteen ollessa valmiustilassa. Korkean integraatioasteen hakkuripiiri on valinta, joka säästää myös piirilevyalaa ja materiaalikuluja.

Tarve parantaa energiatehokkuutta vaikuttaa nykyään kaikkiin automaation osa-alueisiin. Niihin kuuluvat myös kodinkoneet, jotka on suunniteltu siihen aikaan, kun kotiautomaatiolla oli aivan eri merkitys kuin nykyään. Energiankäytön taloudellisuus ja ympäristökysymykset olivat kuluttajille paljon vähemmän tärkeitä kuin laitteiden käyttömukavuus muutama vuosikymmen sitten, kun ihmiset tulivat niistä riippuvaisiksi. Viime aikoina tämä epätasapaino on muuttunut ja nyt suuntaa halutaan korjata.

Kovista ponnisteluista huolimatta monilla kodinkoneilla on edelleen suuri energiantarve moninaisten toimintojensa vuoksi. Niihin voi sisältyä erilaisina yhdistelminä veden ja ilman kuumennusta (vedenkeitin, uuni, suihku, pesukone), ilman ja nesteiden jäähdytystä (jääkaappi), lämmönsiirtoa (leivänpaahdin, uuni) sekä mekaanista liikettä (pesukoneiden, kuivausrumpujen ja pölynimurien sähkömoottorit). Kuluttajien käytössä nämä laitteet vaativat energiaa kilowattien tehotasolla ja muodostavat yhdessä kotitalouksien suurimmat sähkökustannukset.

Lisäksi yhä useammat kuluttajalaitteet tarjoavat nykyään entistä kehittyneempiä ohjaustoimintoja ja käyttöliittymiä. Lisätoiminnot ovat yleensä tehonkulutukseltaan kuitenkin melko pieniä: antureita, näyttöjä ja kosketuspaneeleja. Käyttötehon tarjoaminen näille lisäominaisuuksille hyödyntämällä samoja isoja teholähteitä, jotka on suunniteltu syöttämään itse laitteelle suuria tehotasoja, on hyötysuhteen näkökulmasta hyvin tehotonta. Varsinkin jos kyseessä ovat toiminnot, joiden tulee olla käytettävissä silloin, kun paljon tehoa vaativat päätoiminnot eivät ole käytössä. Tämä on lisännyt kysyntää erillisille lisäteholähteille, jotka voivat syöttää suhteellisen pieniä, tyypillisesti alle 40 watin DC-tehotasoja vaihtovirtalähteestä.

Tärkein tavoite on tarjota tehonsyöttö, joka on mahdollisimman energiatehokas myös laitteiden ollessa valmiustilassa. Tämän päämäärän saavuttamiseksi lisäteholähteet on toteutettava mahdollisimman kustannus- ja energiatehokkaasti pieneen kokoon.

Suunnittelijoiden on otettava huomioon myös kodinkoneiden turvallisuusvaatimukset. Teholähteiden tapauksessa turvavaatimukset sanelevat usein täysin eristetyn ratkaisun. Joissakin tapauksissa spesifikaatioissa vaadittu sähköeristyksen taso voidaan kuitenkin saavuttaa myös laitteen fyysisen suunnittelun kautta. Tästä syystä sekä eristetyille että eristämättömille pienitehoisille SMPS-ratkaisuille (Switch Mode Power Supply) on kasvava kysyntä, joka kohdentuu erillisten pienten lisäteholähteiden sovellusalueelle.

Täysin integroidut ratkaisut

Yleinen kehitys kohti korkeampaa integraatiotasoa ja puolijohdesirujen vakaampia tuotantoprosesseja on antanut laitteiden valmistajille mahdollisuuden kehittää yhteen piisiruun perustuvia erillisratkaisuja verkkosähkön muuntamiseen ja käsittelyyn. Integroimalla MOSFET-kytkin ja ohjauspiirit samalle piisirulle on entistä helpompaa suunnitella hakkuriperiaatteella toimivia teholähteitä, joiden tehotiheys on hyvin suuri. Näin on mahdollista toteuttaa lisäteholähteitä, joita voidaan sijoittaa monenlaisiin valkoisen linjan kodinkoneisiin. Ne voidaan optimoida tehotasoille, joita laitteiden aiemmin mainitut lisätoiminnot vaativat.

Lisäteholähteeltä vaadittava tehotaso vaihtelee sovelluksesta ja laitteen toiminnasta riippuen alle watista jopa 70 wattiin. Tehopuolijohteisiin erikoistuneella ON Semiconductor -yhtiöllä on pitkä historia ratkaisujen kehittämisessä tälle sovellusalueelle laajan, alati kasvavan piirivalikoimansa avulla.

Hyvin pienitehoisten lisäteholähteiden kysynnän kasvaessa ON Semiconductor on tuonut markkinoille NCP1067x-perheen suurjännitekytkimet, jotka on kehitetty pienille erillisille hakkuriteholähteille, jotka voivat olla joko eristämättömiä (kuva 1) tai eristettyjä (kuva 2). Piirit tarjoavat täysin integroidun ohjaimen ja teho-MOSFETin SOIC7-kotelossa, joka on hyvin pienikokoinen.

Kuva 1. Tyypillinen eristämätön hakkurisovellus (Buck-muunnin).

Kuva 2. Tyypillinen eristetty hakkurisovellus (Flyback-muunnin).

Kun NCP1067X toimii kiinteän taajuuden tilassa, se siirtyy tehonkulutuksen vähentämiseksi automaattisesti valmiustilaan kuormituksen alentuessa jättämällä osan jaksoista väliin. Piirissä on mukana myös itsesyöttötoiminto, jonka ansiosta muuntajan lisäkäämiä ei tarvita. Mutta jos lisäkäämi on saatavilla, sitä voidaan käyttää ylijännitesuojauksessa automaattiseen palautumiseen. Automaattinen palautuminen lähdön oikosulkusuojauksesta on toteutettu aikaperusteisen tunnistuksen avulla.

ON Semiconductorin soveltaman VHV-teknologian (Very High Voltage) ansiosta NCP1067X-piiriin on voitu integroida 700 voltin teho-MOSFET, jonka R_DS(on)-lukema on niinkin alhainen kuin 12 Ω. Sähköverkkoon kytketyn koteloimattoman rakenteen muodossa kehittäjät voivat toteuttaa teholähteen, joka pystyy syöttämään 15,5 watin tehon.

Sähkömagneettisten häiriöominaisuuksien (EMI) parantamiseksi piiri hyödyntää taajuustason värinää, joka antaa ± 6 % vaihtelun nimelliseen kytkentätaajuuteen. Piiri tuottaa värinän synnyttämiseen tarvittavan saha-aaltopyyhkäisyn sisäisesti. Eristämättömissä kohteissa hyödynnetään takaisinkytkentänastaa, joka syöttää pienen osan lähtöjännitteestä sisäiselle transkonduktanssi-vahvistimelle.

Korkeaa läpilyöntiarvoa halutaan

Toinen keskeinen suuntaus lisäteholähteiden suunnittelussa on teho-MOSFETin entistä korkeamman läpilyöntijännitteen kasvava kysyntä. Yleensä tämä BV_DS-lukema liittyy MOSFET-transistorin fyysisiin mittoihin, eli korkeampi läpilyöntijännite vaatii suurikokoisemman transistorin. Monissa tapauksissa tämä kuitenkin johtaisi siihen, että koko ratkaisusta tulisi liian isokokoinen ja kallis useimpiin sovelluskohteisiin.

Suurimmalle osalle integroituun MOSFET-kytkimeen perustuvista SMPS-hakkureista soveltuu parhaiten planaarinen piiritekniikka. Markkinoiden asettamien kustannus- ja kokorajoitusten vuoksi tämä on johtanut piireihin, joiden BV_DS-lukema on 700 volttia.

Korkeampi läpilyöntiarvo antaisi kuitenkin paremman suojan ylijännitteitä ja jännitepiikkejä vastaan, mikä parantaisi lopputuotteen kestävyyttä. Tästä syystä on syntynyt kasvava tarve entistä korkeampiin BV_DS-lukemiin yltäville mutta kohtuuhintaisille hakkuripiireille, jotka pystyvät tarjoamaan ratkaisuja alhaisin materiaalikuluin (BoM).

Vastauksena tähän kysyntään ON Semiconductor on kehittänyt hakkurimoduulin, joka integroi SMPS-ohjaimen ja MOSFET-tehokytkimen, joka perustuu SUPERFET 2 Super Junction -teknologiaan. Näin on saatu aikaan moduuli, joka tarjoaa 800 voltin BV_DS-arvon pakattuna muoviseen DIL-koteloon. Tämä vallankumouksellinen tuoteperhe on ensimmäinen, joka tarjoaa tämän alueen laitevalmistajille toteuttamiskelpoisen ratkaisun tuotteiden suorituskyvyn parantamiseen ja vastaa samalla markkinoiden kaupallisiin vaatimuksiin.

Virtamuodossa toimiva hakkuripiiriperhe FSL5x8 puolestaan on saatavissa PDIP-7-koteloituna. Piiri sisältää PWM-ohjaimen (Pulse Width Modulation) ja SUPERFET 2 -rakenteisen tehomosfetin. Normaalisti 800 voltin läpilyöntijännitteen saavuttaminen edellyttäisi ohjaimen ja erillisen MOSFET-kytkimen käyttöä, mutta ON Semiconductorin kehittämän SUPERFET 2 -teknologian ansiosta kumpikin osa on voitu integroida samaan pieneen koteloon.

Tämä antaa suunnittelijoille mahdollisuuden keskittyä pienitehoisten lisäteholähteiden suunnittelussa tehoalueen yläpäähän - 40 watin paikkeille - käyttäen vain yhtä piiriä, jota voidaan hyödyntää sekä eristetyissä (kuva 3) että eristämättömissä (kuva 4) hakkuriratkaisuissa.

Kuva 3. Eristetty hakkuriratkaisu, joka hyödyntää takaisinkytkennässä optokytkintä (linjantunnistus käytössä).

Kuva 4. Eristämätön hakkuriratkaisu, joka hyödyntää suoraa takaisinkytkentää (linjantunnistus ei käytössä).

Komparaattorina toimivan transkonduktanssi-vahvistimen lisääminen sekä NCP1067x- että FSL5x8-piireihin tarjoaa suunnittelijoille helpomman tien kehittää eristämätön flyback-tyyppinen hakkuriteholähde ja optimoida näin käytettävissä oleva piirilevytila sekä alentaa BoM-kustannuksia

Koska valtaosa pienistä erillisteholähteistä toimii flyback-periaatteella, nämä kaksi uutta lisäystä ON Semiconductorin teholähderatkaisuihin tuovat uusia etuja entistä paremman suorituskyvyn ja luotettavuuden sekä korkeamman integraatioasteen muodossa. Näin sovelluskohteessa päästään entistä suurempaan tehotiheyteen ja alhaisempiin materiaalikuluihin.

Kaikilla eristämättömillä teholähteillä on rajallinen syöttöteho. Edellä kuvattu kehitys kuitenkin osoittaa, että on mahdollista suunnitella hakkuriteholähde, jota voidaan hyödyntää pienitehoisten erillisteholähteiden sovellusalueella sekä tehoalueen ala- että yläpäässä. Ja koska eristämättömät flyback-muuntimet ovat yleensä hyötysuhteeltaan parempia kuin eristetyt versiot, myös käyttökustannukset jäävät aiempaa alhaisemmalle tasolle.

Erillisten lisäteholähteiden käytön päätavoitteena on vähentää lopputuotteen valmiustilan tehonkulutusta. Kehittäjät voivat nyt saavuttaa tämän päämäärän valitsemalla kohdesovellukseen optimoidun korkean integraatiotason teholähdepiirin, joka vähentää tarvittavaa piirilevyalaa ja alentaa BoM-kustannuksia.