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Anlisis preparado por: Jess Snchez.

Ingeniero en Comunicaciones y Electrnica egresado de la universidad de Guadalajara

Ex - empleado de Cherokee International (Lineage power) ao 1992-2010:

Diseo de fuentes de poder conmutadas: Revisado por: M.C. Gustavo Adolfo Vega Gmez.

Captulo 66 Circuitera auxiliar PWM 3842

6.1 Circuito limitador de corriente:

Los circuitos limitadores de corriente son, bsicamente, arreglos para proteccin de la fuente de

poder, los cuales ajustan la corriente de salida a niveles de seguridad aceptables, en el caso depresentarse condiciones de corto circuito. Cuando una condicin de corto circuito o de sobre

corriente existe en la salida de la fuente de poder, la corriente de primario se incrementa

drsticamente, y esto ocasiona que se active la circuitera de proteccin de apagado shutdown

del PWM, y as, se limita la corriente del primario a niveles seguros.

El circuito integrado UC3842 opera como un controlador en modo de corriente. La corriente de

primario del inductor Lp es convertida a voltaje, conectando la resistencia RS a tierra en unextremo, y en serie a la pata source del MOSFET Q1, como se muestra en la Figura 6.1.

Este voltaje, es monitoreado por la pata identificada como Current Sense Input y comparadacontra un nivel de voltaje en la salida del amplificador de error. La corriente pico del inductor,bajo condiciones normales de operacin es controlado por el voltaje de la pata identificada comocompensacin, donde:

1.43 Las condiciones anormales de operacin ocurren cuando la fuente de poder es sobrecargada en lasalida, o la salida de voltaje, se deja de sensar. Bajo estas condiciones, el umbral del comparador

que sensa la corriente se recortar (clamped) a 1.0V. Por lo tanto, la corriente pico mxima es:

1.0

6.1)

6.2)


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Clculo de la resistencia limitadora de corriente RS. El voltaje del PWM (UC3842) identificado

en la terminal como current sense (C.S.), es de 1.0V tpico, el voltaje mnimo es 0.95V y el

voltaje mximo igual a 1.1V. La resistencia RS se calcula tomando en cuenta el voltaje mximo a

sensar, y la corriente pico requerida. Usando el valor calculado previamente de la corriente pico

del primario . , se utiliza la ecuacin 6.2), y despejando RS se obtiene: 1.0 1.03.076 0.325098 0.33

Figura 6.1 Sensor, limitador de corriente y supresor de picos.


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La disipacin de potencia RMS de la Resistencia RS se calcula encontrando el valor RMS de la

corriente pico, y usando el ciclo de servicio mximo .

Sustituyendo los valores de y , se calcula el valor de : 3.0760.53 1.256 Entonces, la cada de voltaje RMS en la resistencia RS es:

1.2560.33 0.414 La potencia de disipacin de RS es:

0.4141.256 0.52 Para este diseo se utiliz una resistencia comercial de 0.33 a 1 watt.Clculo del filtro pasa bajas para suprimir los picos de voltaje (spikes).

La Figura 6.1 muestra la forma de onda de la corriente de primario con los picos. Esnecesario filtrar estos picos para que la forma de onda sea limpia y evite que la proteccin decorriente del PWM se active falsamente.

El perodo de trabajo para este diseo es . , asumiendo que el perodo delpico de corriente es de 10 a 15 veces menor que la del perodo de trabajo, entonces:

1015.3815

110La constante de tiempo de la resistencia y el capacitor est dada por: Para calcular el valor del capacitor de la ecuacin 6.4, utilizamos un valor conocido deresistencia R=200, se despeja C y obtenemos:.

6.3)

6.4)


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102001 500010 Una vez que se realizaron algunas mediciones con este valor calculado y varios ms, se decidi

utilizar un capacitor de 2200pF, ya que este valor fue el que present mejores resultados para

eliminar los picos.

La Figura 6.2 muestra lo siguiente en cada inciso: a) circuito del primario, b) forma de onda del

voltaje del MOSFET Q1 del circuito del primario con el ciclo de servicio al mximo, igual aDmax = 50%, c) circuito para medir y limitar la corriente del primario y filtro pasa bajas supresor

de picos, y d) forma de onda de la corriente pico de primario . Estas formas de onda fueronmedidas con la mxima potencia de salida y con el voltaje de entrada mnimo , ya questa es la peor condicin de trabajo de la fuente de poder.

Figura 6.2 Circuitos y formas de onda del voltaje en el MOSFET Vds y corriente primario ip.


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6.2 Circuito de voltaje de offset

El voltaje Vs que sensa la pata C.S. del PWM (UC3842) para limitar la corriente del primario, es

igual a la corriente pico multiplicada por el valor de la resistencia RS que se calculanteriormente:

3.0760.33 1.015 Para evitar que el voltaje de salida salga de regulacin cuando la carga es mxima, es necesario

atenuar el voltaje de Vs, ya que esto puede ocurrir cuando se presente la peor condicin en la pata

identificada como C.S. del PWM, que es, en su lmite inferior, igual a 0.95V. Estos valores se

encuentran experimentalmente. Si se escoge un valor de resistencia R2 =1K, entonces el voltaje

de Vs presente en la pata C.S. se calcula con el divisor de tensin como sigue:

. . 10001000200 10001000200 1.015 0.8458 Debido a que la forma de onda se distorsiona ligeramente y llega a estar por debajo de la lnea de

0 volts, es necesario sumar un voltaje de offset positivo de una componente de DC, esto se logra

agregando la resistencia R1 conectada al voltaje VDC(+).

La Figura 6.3 muestra la configuracin para agregar un voltaje de offset.

Figura 6.3 Circuito de voltaje offset para el limitador de corriente.


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Clculo de la resistencia R1

El valor de R3 se calcula tomando en cuenta las siguientes condiciones: el voltaje en la pata C.S.

del PWM debe medir entre 0.95 y 1.1V para que la salida permanezca en regulacin cuando se

presente la peor condicin, la cual ocurre cuando el voltaje de entrada es mnimo y la corriente

de salida es mxima, y tambin cuando el voltaje de entrada es mximo hay que asegurar que elvoltaje en el C.S. no se activar por estar arriba de 1.1 volt. Para ste diseo se utiliz un valor de

resistencia de R3 = 360K. Con los valores de R1 y R2 previamente calculados, se debe

comprobar que los voltajes en la pata C.S. del PWM sean los esperados. La Figura 6.4 muestra el

circuito equivalente para comprobar el voltaje en C.S.

El voltaje en el sensor de corriente del PWM identificado como C.S. se calcula como sigue:

. . . . . . . 1 1 1

Figura 6.4 Circuito equivalente de las resistencias de offset.


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Despejando para C.S. la ecuacin queda:

. .

1 1 1

Sustituyendo el valor cuando el voltaje de entrada es mnimo 98.8 . . 1.015200 120098.8360 11 0.8911360 Sustituyendo el valor cuando el voltaje de entrada es mximo 370

. . 1.015200 1200370360 11 1.0161360 Con esta verificacin del voltaje se comprueba que la fuente trabaja bajo condiciones normales

de operacin y funciona de acuerdo a lo esperado. La Figura 6.5 muestra la medicin real: a)

cuando el voltaje de entrada es mnimo y la corriente de salida es mxima, b) cuando el voltaje

de entrada es mximo y la corriente de salida es mxima.

6.5)

Figura 6.5 Formas de onda del circuito limitador de corriente: a) cuando V DCmin , b) cuando VDCmax.


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6.3 Anlisis del circuito de encendido (bootstrap)

Como ya se explic en el captulo 5 acerca de la teora del modulador de ancho de pulso PWM, es el voltaje de histresis (threshold). Para este diseo, se us el nmero de parte 4C3842,el cual tiene un rango de encendido de voltaje de

. y

.

con una corriente . e . El valor de la resistencia RIN se calculacuando el voltaje de entrada , entonces, . y para asegurar queel PWM enciende se toma el valor mximo de , y el valor mnimo de . . Porlo tanto, el valor de Rin se calcula como sigue:

Sustituyendo los valores anteriormente mencionados, se tiene:

98.817.50.710 116.142La Figura 6.6 muestra el circuito equivalente para el clculo de la resistencia de encendido del

PWM. El valor de la resistencia que se usa para este diseo es igual a 112.7K.

Clculo de la potencia de RIN

Para calcular la potencia de la resistencia RIN se toma en cuenta el voltaje de entrada mximo, 370 .

6.6)

Figura 6.6 Circuito equivalente resistencia de entrada. RIN


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370 112.7 1.08 Se utiliza una resistencia de 2 watts; debido a que se estn utilizando resistencias de tecnologa

SMT (Surface Mount Technology) y el voltaje de trabajo de stas es de 150V, se utilizan tres

resistencias en serie de 33K y una de 12.7K para una resistencia total igual a ..Clculo del capacitor Cin de encendido del modulador PWM.La Figura 6.7 muestra la configuracin para encender el modulador UC3842. Por condicin del

diseo, la fuente de poder debe encender completamente y estar en regulacin en un tiempo no

mayor de 2 segundos.

El capacitor CIN se calcula usando la ecuacin 6.7), en tanto que en la Figura 6.8 se muestra el

circuito equivalente de la resistencia y el capacitor.

Figura 6.7 Circuito de encendido del PWM.

Figura 6.8 Circuito equivalente de encendido del PWM.


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1 Donde, , ,

,

la ecuacin 6.7 se escribe con la nomenclatura correcta y queda as:

1 Esta ecuacin se manipula algebraicamente y se despeja para encontrar el valor del capacitor C IN

con la siguiente frmula:

1ln

Donde:

120 16 1.5 112.7

Sustituyendo los valores anteriores en la ecuacin 6.9 se tiene:

1ln 1.5112.7 10 1ln 12012016 93 Se utiliza un capacitor de y el siguiente paso es comprobar que se cumple laespecificacin de que la fuente de poder debe encender completamente y estar en regulacin en

un tiempo no mayor de 2 segundos.

Para calcular el tiempo de encendido mnimo considerar los valores siguientes:

112.7 1% 111.573 100 10% 90 370 14.5

6.7)

6.8)

6.9)


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ln Al sustituir los valores anteriores en la ecuacin 6.10 111.573 90 ln 37037014.5 0.4014 Para calcular el tiempo de encendido mximo considerar los valores siguientes:

112.7 1% 113.827 100

10% 110

120 17.5 ln 113.827 110 ln 120

12017.5

1.973 Lo cual corresponde con la especificacin esperada del diseo. La Figura 6.10 muestra lamedicin del capacitor CIN en las condiciones nominales.

6.10)

Fi ura 6.9 Forma de onda del tiem o de car a de CIN.

6.10)


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La Figura 6.10 muestra la forma de onda para comprobar que se cumple la especificacin de que

la fuente de poder debe encender completamente y estar en regulacin en un tiempo no mayor de

2 segundos cuando se aplica el voltaje de entrada VAC.

Figura 6.10 Forma de onda del tiempo que tarda en encender la salida de 5V.


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Referencias

Referencias relacionadas con libros.

Chryssis George. High frequency switching power supplies, Theory and design. McGraw-Hill,

1984. ISBN 0-07-010949-4

Billings Keith. Switchmode Power Supply Handbook. McGraw-Hill, 1989. ISBN 0-07-005330-8

Referencias relacionadas con notas de aplicacin

Unitrode UC3842 current mode control. Unitrode Corporation. Application note U-100A.

1999.

ON Semiconductor UC3842B high performance current mode controllers. Semiconductor

components Industries, LLC, 2008. Publication Order number: UC3842B/D September, 2008

Rev. 13

Fairchild Semiconductor UC3842 SMPS Controller. Fairchild semiconductor corporation,

2002. Application note Rev. 1.0.1

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