Schemat zasilacza impulsowego półmostek 230V/24V 4A na IR21531

Pytanie

schemat zasilacza impulsowego opartego na ir 21531

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Poniżej przedstawiam przykładowy, kompletny schemat ideowy zasilacza impulsowego (offline-SMPS) w topologii półmostka (half-bridge) oparty na układzie IR21531 (wersja IR21531S).
• Schemat jest zwymiarowany dla wejścia 230 VAC/50 Hz i wyjścia 24 V DC / 4 A (≈ 100 W).
• Wartości elementów dobrano wg typowych danych aplikacyjnych producenta oraz bieżących not aplikacyjnych Infineon.

Szczegółowa analiza problemu

1. Schemat ideowy (blokowy i szczegółowy)

            ┌───────────────────── Wejście 230 VAC ──────────────────────┐
            |  F1  NTC  L1  Cx   CY1 CY2   │     │                       |
            |  |   |    |   |     |   |    │     │                       |
      L ────┴──┴───┴────┴───┴─────┴───┴────┴─────┴───┐                   |
                                                     ▼                   |
                     Mostek prostowniczy BR1 (1 kV/4 A)                  |
                                                     │                   |
                      C_BULK 220 µF / 400 V          │                   |
                 +───||────+──────────────+──────────┘                   |
                 |          │              │   R_START 100 kΩ / 2 W      |
                 |          │              └─┬─────────────┐             |
                 |          │                │             │             |
                 |          │           D_Z 15 V           │             |
                 |          │           C_VCC 22 µF/25 V   │             |
                 |          │                │             │             |
                 |          └──── VBAT (≈ 310 V DC) ───────┴─► VCC | IR21531
                 |                                               |        │
                 └───────────────────────┬───────────────────────┘        │
                                         │                                │
                     ┌────────────────────┴─────────────┐                 │
                     │ IR21531S (driver półmostka)      │                 │
                     │  RT=27 kΩ →                      │                 │
                     │  CT=2,2 nF  } ≈50 kHz            │                 │
                     │  HO, VB, VS, LO, COM             │                 │
                     └──────┬────────────┬──────────────┘                 │
                            │            │                                │
                 C_BOOT 100 nF/50 V      │                                │
                            │            │                                │
        +310 V ─────┬────── QH ──┐  QL ─┼────────┐                       │
                    │            │       │        │                       │
                    │   IRF840   │       │  IRF840│                      GND
                    │            │       │        │                       │
                    └──────┬─────┴─┬─────┴────────┘                       │
                           │       │                                     ─┴─
                           │       │        C_DC 220 nF / 400 V
                           │       └─────────||────────────┐
                           │                               │
                           ▼                               ▼
                        Punkt            Uzwojenie         │
                      półmostka  ───┬─── Pierwotne T1 ◄────┘
                                    │
                                    │        Sekundarne T1
                                    │          ↓  2×6 zwojów
                                    └───┬──► 2×D_SCH MBR20200
                                        │           │
                                        ▼           ▼
                                   LC-filtr:  L_OUT 47 µH
                                              C_OUT 2×2200 µF/35 V
                                        │           │
                                        └─────── 24 V / 4 A

Legenda elementów (skróty):
F1 – bezpiecznik 2 A; NTC – termistor 5 Ω (inrush); L1/Cx/CY – filtr EMI; R_START – rezystor startowy; D_Z – dioda Zenera 15 V; C_VCC – filtr VCC; RT/CT – elementy oscylatora; C_BOOT/D_BOOT (dioda wewnętrzna w IR21531S) – obwód bootstrap; QH/QL – MOSFET-y high-/low-side; C_DC – kond. blokujący składową DC; T1 – transformator ferrytowy ETD39 (rdzeń N87); D_SCH – diody Schottky; LC – filtr wyjściowy.

2. Kluczowe zależności projektowe

1. Częstotliwość pracy
   \[ f=\frac{1}{1{,}4\;(R{T}+50\;Ω)\;C{T}} \approx 50\text{ kHz} \]

2. Warunek poprawnego ładowania CBOOT
   \[ V{BOOT} = V{CC} - V{F(D)} ≈ 14 V \; (>10 V\text{ wymagane dla IRF840}) \]

3. Parametr dead-time
   • W IR21531 ≈ 1,2 µs (stały, niewymagający dodatkowych elementów).

4. Gęstość strumienia w rdzeniu ETD39 (N87 przy 50 kHz)
   \[ B_{max} ≈ 0{,}25\text{ T} ⇒ Np = \frac{V{AC}}{4\,f\,Ae\,B{max}} ≈ 36\text{ zwojów} \]

3. Zabezpieczenia i układ sprzężenia zwrotnego

• Układ IR21531 nie reguluje PWM – najczęściej stosuje się regulację po stronie wtórnej (np. przetwornicą DC-DC) lub pracę w otwartej pętli przy stałym obciążeniu.
• Wejście CT można ściągnąć poniżej 1/6 VCC tranzystorem NPN sterowanym komparatorem (OVP/OTP) – wyłącza zasilacz.
• Dodatkowo:
– Snubber RC 47 Ω / 1 W + 1 nF/1 kV równolegle do każdego MOSFET-a.
– Transil 440 V przy magistrali VBAT dla ograniczenia przepięć.

4. Transformator i uzwojenie pomocnicze

• Uzwojenie AUX 5 zwojów (ta sama biegunowość co wtórne) + dioda UF4007 + C_AUX 47 µF → zasila VCC po starcie, odcinając R_START (poprzez diodę blokującą).
• Zmniejsza to straty na rezystorze startowym poniżej 0,2 W.

5. PCB – krytyczne wskazówki

• C_BULK, MOSFET-y i C_DC tworzą pętlę o dużych prądach impulsowych – ścieżki maks. 20 mm długości, szer. ≥ 8 mm (70 µm Cu) lub pole miedzi.
• C_BOOT i C_VCC montować <5 mm od pinów HO/VB i VCC.
• Miedź masy (COM) pod IR21531 podzielić na masę mocy i masę sygnałową, łącząc w jednym punkcie przy pinie COM.

Aktualne informacje i trendy

• Infineon wycofuje stopniowo IR21531 na rzecz rodziny IRS2153D-S i IRS2453DM z dokładniejszym dead-time i UVLO=11,5 V.
• W nowych projektach zaleca się transformatory z rdzeniami EPCOS PC47 lub N97 (niższe straty przy ≥100 kHz).
• Coraz częściej spotyka się zastąpienie IR21531 przez kontrolery resonansowe LLC (np. IRS27951), pozwalające na >94 % sprawności – jednak IR21531 pozostaje popularny w prostych, tanich zasilaczach ≤150 W.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• Porównanie IR2153 vs IR21531: nowszy chip ma uvlo 8,4 V/14 V, dokładniejszy oscylator (±5 %), wbudowaną szybką diodę bootstrap oraz pin SD.
• C_DC (tzw. DC-blocking-cap) jest konieczny, aby rdzeń nie nasycał się w wyniku asymetrii półmostka.
• Konstrukcja otwartej pętli jest akceptowalna w aplikacjach o stałym obciążeniu (np. stateczniki, ładowarki bateryjne z dodatkową regulacją po stronie wtórnej).

Aspekty etyczne i prawne

• Praca na napięciu sieciowym wymaga zachowania odstępów creepage/clearance: min. 6 mm między stroną pierwotną i wtórną (230 VAC).
• Spełnienie norm EMI: EN 55032 kl. B – filtr wejściowy L1/Cx/CY1/CY2 dobrano tak, aby ograniczyć przewodzone zakłócenia do <56 dBµV (150 kHz–30 MHz).
• Ochrona użytkownika: bezpiecznik F1 (charakterystyka T), izolacja transformatora zgodna z EN 61558.

Praktyczne wskazówki

1. Uruchamianie:
   • Zasil z autotransformatora + żarówka 60 W szeregowo; dopiero po stabilizacji usuń żarówkę.
2. Pomiary:
   • Oscyloskop z sondą różnicową 1 kV przy badaniu punktu VS.
   • Sprawdź napięcie VCC (12–15 V) oraz przebieg HO-VS/LO-COM – brak nachodzenia impulsów.
3. Chłodzenie:
   • Radiator wspólny MOSFET-ów; RθSA ≤ 4 K/W (temp. obudowy <85 °C przy 40 °C otoczenia).
4. EMC:
   • Dławik common-mode 2×5 mH, Rdzeń toroidalny 18 mm; X2 330 nF; Y1 2×2,2 nF.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• IR21531 nie umożliwia regulacji wypełnienia – do aplikacji o szerokim zakresie obciążenia korzystniejsze jest LLC lub flyback na UC3845.
• Projekty >150 W wymagają MOSFET-ów 650 V z R_DS(on) <0,3 Ω oraz rezonansowego start-up’u (soft-start), w przeciwnym razie prąd rozruchu rdzenia przekroczy 3 A.

Sugestie dalszych badań

• Symulacja w LTspice (model IR2153 można skonfigurować jako IR21531, zmieniając parametry dead-time).
• Analiza strat transformatora metodą Steinmetza dla rdzenia N87 vs PC47.
• Implementacja cyfrowego czujnika temperatury (NTC + MCU) sterującego wejściem SD – zabezpieczenie OTP.

Krótkie podsumowanie

Przedstawiony schemat półmostkowego zasilacza 230 VAC → 24 V / 4 A bazuje w całości na układzie IR21531, wykorzystując jego wbudowany oscylator, driver high-/low-side i ochronę dead-time. Kluczowe dla poprawnej pracy są: prawidłowy obwód bootstrap, dbałość o układ PCB, właściwy dobór transformatora i zabezpieczenia nadnapięciowe. Mimo że IR21531 jest konstrukcją dojrzałą, nadal pozostaje atrakcyjnym, niedrogim rozwiązaniem w prostych SMPS-ach do ok. 150 W, o ile świadomie zaakceptujemy brak precyzyjnej regulacji napięcia w samym układzie.