Su pregunta no reveló la potencia de carga, lo que afecta en gran medida el enfoque de diseño. En ausencia de una especificación de potencia de carga, mi respuesta asumirá la forma más típica de una fuente de alimentación de CA-CC fuera de línea.
Una fuente de alimentación de CA / CC fuera de línea típica incluye principalmente un puente rectificador completo, filtros de línea, un IC de convertidor de refuerzo de modo de interruptor, un transistor de potencia, inductor de potencia, diodo rectificador y condensador de filtro de salida de refuerzo.
Mientras que el voltaje de entrada a un regulador de modo de conmutación es una señal de línea de CA rectificada de onda completa, el voltaje de regulación de salida es típicamente de 400 V CC. Hay varias razones por las que se prefiere un regulador de conmutación y por qué 400 V CC.
Primero, un regulador de conmutación simplifica enormemente la corrección del factor de potencia (PFC); un requisito reglamentario casi universal cuando la carga de la fuente de alimentación es superior a aproximadamente 75W. (Nota: para las lámparas LED, el umbral de 75 W puede ser menor dependiendo de los requisitos reglamentarios de un país). La corrección del factor de potencia es un método de regulación que intenta hacer que la carga de la fuente de alimentación aparezca como una resistencia perfecta en toda la línea de CA.
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Segundo, un regulador de conmutación de alta frecuencia es significativamente más eficiente en espacio / peso que un transformador de potencia de frecuencia de línea.
Tercero, es muy difícil y costoso cumplir con los requisitos del factor de potencia regulatorio moderno con un transformador de frecuencia de línea.
Para que funcione un regulador de refuerzo, el voltaje de salida siempre debe ser mayor que el voltaje de entrada. La pregunta se convierte entonces en cuál es el voltaje de entrada máximo. Para determinar ese voltaje, uno debe identificar los países donde operará la fuente de alimentación, ya que cada país tiene sus propios estándares de alimentación de CA.
El método de diseño preferido hoy en día es diseñar una fuente de alimentación de manera que pueda usarse universalmente (es decir, cualquier país del mundo). Actualmente, la tensión de red de CA más alta es 240Vac. Si ese voltaje se escala en un 10%, lo que permite límites regulatorios, y luego se convierte de rms a pico, el resultado es ~ 375V pico. Tenga en cuenta que esto está justo por debajo del voltaje de salida estándar de 400V.
Dado que su requerimiento establecido era operar desde 120Vac, no es necesario aumentar a 400Vdc. En su lugar, puede usar un voltaje más bajo aplicando los conceptos discutidos en el párrafo anterior. Los requisitos de los componentes, y por lo tanto el precio, serán sustancialmente más baratos al limitar el voltaje de la línea de entrada a 120Vac.
Hay varios circuitos integrados de controlador de impulso disponibles que incluyen PFC en sus diseños. Investigue los circuitos integrados reguladores de conmutación de CA-CC de los principales fabricantes de semiconductores como TI, ST, Fairchild, On Semiconductor, etc. para identificar esas partes.
Una característica clave de un IC de regulador de conmutación CA-CC es ayudar a reducir las emisiones conducidas en la línea de CA. Estos requisitos se establecen en documentos de cumplimiento normativo como los producidos por Underwriters Laborites en los EE. UU. Cada país del mundo tiene sus propios requisitos reglamentarios, aunque en los últimos años existe un impulso para armonizar esos requisitos. Como resultado, este es el desafío más difícil al diseñar fuentes de alimentación fuera de línea; mucho más que el circuito real.
Para cumplir con los requisitos de emisiones conducidas universales, generalmente se prefiere mantener la frecuencia de conmutación muy por debajo de 150 kHz. Además, también puede ser necesario usar un filtro de línea de modo común.
Además de los requisitos de PFC, también es necesario mantener los 400 V CC durante el tiempo en que la salida del puente rectificador llega a 0 V. Esto se logra mediante el uso de un condensador de filtro de gran valor en la salida del refuerzo. El mejor tipo de condensador para el costo más bajo es un condensador electrolítico, aunque estos condensadores generalmente tienen tiempos de vida útil más bajos.
Para minimizar la cantidad de capacitancia de 400V, generalmente se acepta que la salida de 400Vdc puede fluctuar hasta aproximadamente 10V pico a pico. Esta ondulación se elimina mediante etapas de regulación posteriores (es decir, salida de 12 V CC desde una entrada de 400 V CC). Por cierto, dado que la corriente de carga se reduce al operar a 400 V, la ondulación de CC también se reduce, ya que la ondulación es una función de la corriente de carga. Esto también ayuda a minimizar la cantidad de capacitancia.
Los esquemas de diseño de referencia están disponibles en los fabricantes de semiconductores identificados anteriormente. Las notas de la aplicación que acompañan a esos diseños de referencia explicarán con mayor detalle cómo diseñar una fuente de alimentación fuera de línea de 400 V CC, aunque la discusión se centrará principalmente en cómo utilizar su parte en lugar de cuestiones genéricas.
Un suministro que funciona fuera de línea debe ser tolerante a sobretensiones periódicas y rayos. Por lo tanto, es un lugar común incluir características de seguridad como un fusible de línea y dispositivos de supresión transitoria.
Una vez que se diseñe la fuente de alimentación, será necesario presentar el diseño a cualquiera de las varias compañías de pruebas de cumplimiento normativo. Esas compañías no están enfocadas en evaluar su diseño, sino más bien en la seguridad de su diseño (se incendiará o impactará al usuario) y si interferirá o no con otros dispositivos circundantes (es decir, radios, computadoras, etc.). Las pruebas de cumplimiento son un esfuerzo costoso (es decir,> $ 10,000 US)
Un esquema que ejemplifica los problemas en mi respuesta se puede encontrar a la mitad de este documento vinculado.
Tutorial de fuente de alimentación – SMPS
Tenga en cuenta que el documento vinculado muestra el regulador posterior (es decir, después de los 400 V CC) además del suministro de CA-400 V CC.
Se puede obtener una lista completa de materiales haciendo referencia a las notas de aplicación de las diversas compañías de semiconductores. Tenga en cuenta que los problemas de cumplimiento normativo completo generalmente no están cubiertos en esos documentos.
Como nota final, cualquier persona no experta en el diseño de circuitos fuera de línea debe buscar la guía de aquellos con experiencia. Es fácil morir cuando se trabaja con circuitos fuera de línea.
