co je PFC?
Jedním ze základních topologií spínaných zdrojů je takzvaný Power Factor Correction ( dále jen PFC ) regulátor.
Ten je dnes velmi často používaný téměř ve všech síťových zdrojích. Jeho hlavní předností je schopnost odběru harmonického proudu ze sítě. Dnešní normy již tuto vlastnost vyžadují pro spotřebiče, jejichž příkon je větší než 75W. Do budoucna je však tendence tuto hranici posouvat směrem níže. Již dnes je známo, že první posunutí se chystá v brzké době a to na hodnotu 50W.
Je tedy zřejmé, že pokud vyvíjíme nové zařízení, je nutné jej konstruovat tak, aby splňovalo i normy, jenž budou výhledově v platnosti.
Další předností tohoto měniče je schopnost pracovat v širokém rozsahu vstupního napětí. Zpravidla se setkáváme s rozsahem od 90VRMS do 270VRMS ( někdy udávané jako hodnota VAC ). Toho lze velmi dobře využít pro různá napětí v různých sítích na světě. Nepotřebujeme tedy žádný adaptér napětí. Vzhledem k takto širokému rozptylu je zřejmé, že tento regulátor je schopen reagovat na kolísání či nepřesnost síťového napětí.
Topologie měniče
PFC regulátor je zapojen, co se týče výkonové větve, jako zvyšující měnič viz obr. 1.
Obr.1: Základní topologie měniče
Jeho řídící část je od zvyšujícího měniče odlišná. Základním principem je sledování okamžité hodnoty vstupního napětí, které je dvoucestně usměrněno Graetzovým usměrňovačem. Informace o velikosti tohoto napětí je zahrnuta do regulační smyčky. Ta ovlivňuje střídu spínaní hlavního výkonového tranzistoru a tím se mění okamžitá hodnota vstupního proudu podle průběhu napětí. Zařízení se na vstupních svorkách chová jako reálná zátěž.
Obr.2: Obrázek vstupního, výstupního napětí a proudů.
Na obr. 2 jsou naznačeny základní průběhy v PFC regulátoru.
Řízení PFC regulátoru je poněkud komplikované. Je zde zapotřebí dvou regulačních smyček, které ovládají svými výstupy jeden regulační prvek. Tím je spínací tranzistor. Ten spíná cívku L a v době, kdy je otevřen protéká cívkou proud z napájecích svorek. V době rozepnutí tranzistoru proud cívkou teče přes diodu do výstupního kondenzátoru a zátěže.
První regulační smyčka řídícího obvodu regulátoru kontroluje velikost napětí na výstupním kondenzátoru , které udržuje konstantní. Druhá smyčka kontroluje okamžitou hodnotu vstupního napájecího napětí a ovládá regulátor tak, aby střední hodnota vstupního proudu kopírovala průběh vstupního napětí. Tím se celý regulátor z hlediska vstupních svorek chová jako reálná zátěž.
Výstupní signály z obou regulačních smyček se slučují v násobičce, která svým výstupem ovládá PWM obvod.
Obr.3: Blokové schéma zapojení - SGS Thompson
Popis jednotlivých bloků
NÁSOBIČKA
Násobička je základním prvkem PFC regulátoru. Pomocí ní vstupuje do regulační smyčky informace o velikosti vstupního napětí a o velikosti výstupního napětí. Regulátor na ně reaguje změnou velikosti šířky (resp. střídy dle topologie ) spínacích pulsů.
Typická charakteristika násobičky je na obr. 4.
Obr.4: Převodní charakteristika násobičky.
Napětí VCOMP (pin2) je napětí z výstupu chybového zesilovače, napětí VMULT (pin3) je napětí, udávající velikost vstupního napětí, hodnota VCS (pin4) je výstup násobičky.
Údaje pro výše uvedenou násobičku jsou převzaty z obvodu L6560 od SGS Thompson viz. Obr. 5.
Obr.5: Vnitřní struktura obvodu L6560; PFC regulátoru od SGS Thompson.
Pracovní bod násobičky je nutno nastavit tak, aby se nacházel v lineární části charakteristiky obr.4. Ten je samozřejmě ovlivňován jednak velikostí vstupního napětí, ale i zatížením celého obvodu. Je nutné najít krajní hodnoty, které vytnou obdélník, jenž by se měl nacházet v lineární části.
CHYBOVÝ ZESILOVAČ
Další důležitou části je chybový zesilovač. Ten je na obr. 3 označen jako blok G1(s). Tímto obvodem jsme schopni ovlivňovat vlastnosti celého regulátoru. Podle zvoleného tlumení můžeme ovlivnit tvar impulsní charakteristiky resp. dynamiku PFC regulátoru.
Základní zapojení chybového zesilovače do obvodu je na obr. 6.
Obr.6: Základní zapojení chybového zesilovače.
Rezistory R1 a R2 můžeme zahrnout do bloku zpětné vazby ( Feedback ) obr. 3. Nastavujeme jimi výstupní napětí PFC regulátoru. Zpravidla toto napětí bývá 400V. Velikost je volena tak, aby i při nejvyšším vstupním střídavém napětí 270VAC, čemuž odpovídá vrcholová hodnota 270 * Ö2 = 382VMAX , regulátor pracoval stále ve zvyšujícím režimu. Napětí v uzlu 1 je dáno referencí, která je připojena na druhou svorku OZ. Při návrhu děliče je nutno dbát na maximální povolenou velikost napětí a zatížitelnost především rezistoru R1. Ten proto bývá složen ze sériové kombinace několika rezistorů.
Kondenzátor CCOMP slouží jako zpětná vazba operačního zesilovače a spolu s děličem R1, R2 tvoří integrátor.
Využíváme buď standardní integrátor, nebo proporcionální integrátor obr. 7 a, 7 b.
 |
 |
| Obr.7a: Standardní integrátor. | Obr.7b: Proporcionální integrátor. |
Kritický kmitočet otevřené smyčky je dán vztahema (1) a je menší než 5Hz.
 |
(1) |
 |
 |
| Obr.8a: Kmitočtová charakteristika standardního integrátoru. | Obr.8b: Kmitočtová charakteristika proporcionálního integrátoru. |
Lomový kmitočet integrátoru volíme v rozsahu 10 až 33Hz, v případě proporciálního integrátoru v rozsahu 16 až 33Hz, čímž dosáhneme optimálních výsledků.
Rozdíl v použití výše uvedených integrátorů je vidět na průběhu napětí při zapnutí regulátoru s 20% zátěží.
Obrázek přechodového děje po zapnutí PFC regulátoru je na obr. 9.
 |
 |
| Obr.9a: Přechodový děj s použitím standardního integrátoru. | Obr.9b: Přechodový děj s použitím proporcionálního integrátoru. |
NAPÁJENÍ
Jelikož zpravidla používáme integrovaný obvod pro řízení celého PFC regulátorů, potřebujeme pro něj napájecí hladinu zpravidla od 10 do 17V podle typu obvodu. Jedním z nejpoužívanějších způsobů získávání nízkovoltového napájení je užitím pomocného vinutí na PFC transformátorů a následnou stabilizaci napětí obr. 10.
Obr.10: Obvod nízkovoltového napájení s pomocným vinutím.
Ukázka nízkovoltového napájení pomocí odbočky na PFC transformátoru. Cívka L je hlavní pracovní cívkou regulátoru. Při každém sepnutí pracovní cívky PFC se přes transformátorový poměr indukuje napětí a pomocí zdvojovače je usměrněno a dále stabilizováno. Při rozepnutí je na pracovní cívce napětí dáno rozdílem výstupního napětí PFC regulátoru a okamžité hodnotu usměrněného vstupního napětí. Na pomocné cívce se napětí reversuje a vzhledem k použití zdvojovače taktéž přispívá do nízkovoltové napájecí větve.
Popis funkce regulátorů
Podle způsobu spínání pracovního tranzistoru PFC regulátoru rozdělujeme PFC do dvou skupin na regulátory s konstantní frekvencí a na regulátory s proměnnou frekvencí.
Regulátory s konstantní frekvencí, jak je již v jejichž názvu vystiženo, pracují na jednom pevně stanoveném kmitočtu. Regulace je tedy prováděna střídou pulsů.V čase t0 se sepne tranzistor Q a pracovní cívkou L začne protékat proud IL, který je daný velikostí okamžité hodnoty usměrněného vstupního napětí, indukčností a dobou sepnutí tranzistoru.
Obr.11: Zapojení výkonové části PFC regulátorů a popis základních veličin.
Proud IL lineárně narůstá. Strmost proudu je dána vztahem.
 |
(2) |
Dá se předpokládat, že napětí na kondenzátoru CIN se v průběhu jednoho cyklu PFC regulátoru změní minimálně. Pro jednoduchost považujeme toto napětí za konstantní v průběhu jednoho cyklu.
V okamžiku t=TON se tranzistor rozepne, a jeho napětí na cívce prudce roste až do doby, kdy se otevře dioda D a proud se z cívky L vylévá do výstupního kondenzátoru C0. Strmost proudu ID, tedy i IL je v tento okamžik dána vztahem
 |
(3) |
Dále se situace dělí do několika skupin.
REGULÁTORY S KONSTANTNÍ FREKVENCÍ - REŽIM KONTINUÁLNÍHO PROUDU
Než-li se všechen naakumulovaný proud cívkou L vyprázdní do kondenzátoru C0, sepne tranzistor Q a děj se začne opakovat. Proud cívkou tedy nenarůstá od nulové hodnoty, ale od hodnoty I (tT), kde T je perioda spínání. Průběh proudu je na obr. 2. V tomto režimu jsou kladeny maximální požadavky za zotavovací dobu diody D. Pokud je tato doba dlouhá, v okamžiku sepnutí tranzistoru se část náboje na kondenzátoru C0 odvádí přes diodu D a tranzistor Q. Tím vzniká velká výkonová ztráta, která může přerůst v destrukci celého zařízení. Nutno podotknout, že kondenzátor C0 je nabit na hodnotu 400V a jeho kapacita se pohybuje od desítek mF až do stovek mF.
REGULÁTORY S KONSTANTNÍ FREKVENCÍ - REŽIM DISKONTINUÁLNÍHO PROUDU
Po dobu rozepnutí tranzistoru Q se všechna energie z magnetického pole cívky přelije do kondenzátoru C0v podobě proudu. Proud cívkou L tedy klesne na nulovou hodnotu a dioda D se uzavře. Nastane rezonanční zákmit obr.12, který je ovlivněn parazitními kapacitami uzavřeného tranzistoru, diody a indukčností L.
Obr.12: Průběh napětí na drain tranzistoru PFC regulátoru.
Mezi kontinuálním a diskontinuálním režimem proudu může PFC regulátor přecházet v závislosti na zátěži. Dosti podstatným faktor zde i velikost indukčnosti cívky L.
REGULÁTORY S PROMĚNNOU FREKVENCÍ
Regulátory s proměnnou frekvencí pracují tak, že energie magnetického pole cívky L se vylévá do kondenzátoru C0 v podobě proudu a to tak dlouho, až proud cívkou L klesne na nulovou hodnotu. Ta je potom snímána přes pomocné vinutí pro napájení IO a teprve poté nastane další sepnutí tranzistoru Q.
Obr.13: Průběh proudu a spínacích pulsů PFC regulátoru s proměnnou frekvencí.
Vstupní filtr
I když sám o sobě je PFC regulátor nazýván jako aktivní filtr, ne zcela potlačuje všechny složky rušení. Proto se na vstup tohoto regulátoru předřazuje síťový filtr. Realizace takového filtru závisí na mnoha faktorech. Pro každý typ regulátoru může vyhovovat jiný filtr. Je tedy zřejmé, že vstupní filtr je třeba navrhovat individuálně tak, aby byly splněny všechny podmínky EMI a regulátor byl dobře odrušen. Je třeba pamatovat na vhodný výběr součástek do takového filtru. Zde mohou být používány pouze kondenzátory s bezpečnostní třídou X2 a Y2 (eventuelně vyšší ). Kondenzátory X2 zapojujeme proti fázovému a pracovnímu vodiči, proti zemnícímu vodiči smí být zapojeny pouze kondenzátoru s bezpečnostní třídou Y2.
Zapojení celého PFC regulátoru
Obr.14: PFC regulátor s proměnnou frekvencí - SGS Thompson.
Závěr
Cílem tohoto článku je základní seznámení s regulátory typu PFC. Vzhledem k dnešní době je zřejmé, že takovýchto spínaných zdrojů bude jen přibývat. Je vidět, že tento směr má budoucnost a dnešní vývoj moderní elektroniky se snaží tyto napájecí zdroje prosazovat. Nejenom díky jejím vlastnostem z hlediska účinnosti, hmotnosti, velikosti aj., ale také díky tomu, že jsou schopny z hlediska svých vstupních svorek se chovat jako téměř reálná zátěž. Lze pomocí nich realizovat i složité napájecí zdroje, které splňují velmi přísně požadavky z hlediska rušení a vyzařovaní.
Literatura
Novotný V.,Vorel P., Patočka M.: Napájení elektronických zařízení. Brno, Ústav radioelektroniky FEI VUT v Brně