Elektrik ya da elektronik tasarımcısı olarak bir çok sorunu çoğu zaman klasikleşmiş metotları akıllıca birleştirip kullanarak çözmekteyiz. Konu güç elektroniği olduğunda ise bu çözümler genellikle topolojiler üzerinden ilerler; bir çoğumuzun ders kitaplarında, uygulama notlarında gördüğü Buck/Boost/Flyback vb. dönüştürücüler neredeyse 100 yıla yakındır kullanılmaktadır. Son dönemde revaçta olan resonant ya da PFC gibi yapılar dahi 20-30 sene öncesine kadar özel sayılsa da günümüzün klasikleşmiş temel yapıları haline gelmişlerdir.

Tüm bu çözümler içerisinde yarı iletken üreticileri, temel yapıların daha efektif ve kolay çalışması adına yeni kontrol entegrelerini (özellikle son yıllarda artan şekilde) biz tasarımcılara sunmaktadır. Bu durum fiyat performans ürünlerinin ortaya çıkmasına neden olsa da seçilen ürünler ile birlikte, ilgili ürünlerin üreticisine bağımlı hale gelinmektedir. Bu yazıda özellikle SMPS kontrol entegreleri (flyback temel alınarak) özelinde eski ve modern entegreler arasındaki farka değineceğiz.

Başlamadan önce söylemek gerek; bu yazıda tedarik zinciri sorunları ya da etkisi ele alınmayacaktır, çünkü bu üreticiden üreticiye değişen, günün koşulları ile belirlenen tamamen farklı bir konudur.

Teori ile Gerçekteki Fark Nedir?
Güç elektroniğinde özellikle anahtarlamalı güç kaynakları hakkında bilgiler aktarılmaya başlandığında, tasarımcı ya da öğrenciler için topolojik bilginin en temeli bilinmesi gerekmektedir. Bu sayısal analiz yaparken kolaylıklar yarattığı kadar bilginin aktarılması konusunda da kolaylık sağlamaktadır. Dolayısı ile ders kitapları ya da teorik bilgi veren dokümanlar açıldığında karşımıza aşağıdakine benzer (flyback converter özelinde) devre yapıları ortaya çıkar.Teorik topoloji aktarımında eleman değerleri ideal ya da ideale yakındır. SMPS kontrol entegresi gibi bir yapıya ihtiyaç duyulmaz. Dolayısı ile devre simülasyona hazır şekildedir. Oysa gerçek hayatta hiç bir eleman ideal değildir ve SMPS devresinin regülasyon yapabilmesi için kontrol entegrelerine ihtiyaç duyulur.

Unitrode Firmasını Unutmayalım!
1960’ların başında kurulan Unitrode firmasının ismini günümüzde yeni sektöre atılmış tasarımcılar belki duymamış olabilir. Firma 1960’dan 1980’lere kadar yarı iletken tedarikçisi olarak çalıştıktan sonra Bob Mammano gibi tasarım mühendislerinin geliştirdikleri analog kontrolcülerle adından söz ettirmeye başlar. Hatta şirket alanında geldiği lider konumu nedeniyle şirket sloganını “The Linear IC Company Everyone Follows” şeklinde değiştirir. Firma 90’ların sonuna kadar çıkardığı dünyanın ilk akım mod, ZVS/ZCS resonant ve PFC kontrol entegreleri ile alanının lideri olur. Bunu gören sektörün balinalarından “Texas Instruments” her büyük oyuncunun yaptığı gibi bu başarılı şirketi 98 yılında 1.2 Milyar Dolar karşılığında bünyesine katar.

Unitrode firmasının özdeşleştiği UC harflerini bugün her tasarımcı UC3842, UC3844, UC3845, UC3854 adları ile bir çok yerde görebilir. Texas Instruments’ın bu kaynaktan çıkardığı analog kontrolcü isimlerinin UCC ile başlamasının altında da bu yatmaktadır. Buradan yola çıkarak çeyrek asırlık yaşı ile UC3843 entegresi ile yeni çıkan entegreleri kıyaslayalım. İncelemeye başlamadan önce, terimlere eğer yabancıysanız, daha önce ele aldığım Off-Line Flyback Converter tasarımı serimi okumanızı öneririm.

1) High Voltage Startup
Flyback devrelerinin genelinin girişinde yüksek gerilim vardır. İster 110Vac isterse 220Vac gerilim olsun SMPS kontrolcüsünün çalışması için gerekli gerilim, giriş geriliminden oldukça düşüktür ve devrenin ilk başlangıcında, çalışma geriliminin bir şekilde elde edilmesi gerekmektedir. Aşağıda görülebilecek UC3843 entegresinin içinde, VCC bacağına bağlı 36V zener bulunmaktadır.
UC3843 için kullanılan yöntem; minimum bias akımda çalışma gerilimini oluşturacak startup direncini (Rs) Vcc ile Vdc bara arasına bağlamaktır. Entegre bu direnç üzerinden Vcc’ye bağlı kapasiteyi şarj eder ve başlama gerilimine geldiğinde anahtarlama gerçekleşerek devre çalışmaya başlar. Enerjinin verildiği süre ile çıkışın alındığı süre arasına başlama süresi (startup time) denir ve bu güç kaynağı tasarımında önemli bir parametredir. Bu yöntemde direnç yüksek güç değerlikli seçilir ve sürekli devrede olduğu için 1~5W arasında güç kaybına neden olarak hem yer hem de enerji veriminde sorun oluşturur.

Yeni nesil entegrelerde ise bu sorun aşağıda görülebileceği gibi oldukça sade bir şekilde çözülmüştür. Bu yöntemde besleme gerilimi istenen değere kadar HV giriş ucundan Vdd’de bulunan kapasiteyi şarj eder. Daha sonrasında HV ucunda bulunan yüksek gerilim değerine sahip anahtar kapanır ve Rhv ile gösterilen startup direncinden herhangi bir akım akmaz; bu da direncin küçük güç değerlikli olabilmesini (0.025~0.125W) sağlar. Ayrıca yine aynı uç ile DC bara gerilimi sürekli izlenerek düşük ya da yüksek gerilim korumalarına girilebilir. Sonuç olarak yeni entegreler bu alanda UC3843 gibi entegrelerden oldukça verimli ve avantajlıdır.

2) Current Sense ve Slope Compensation
Birinci bölümde görülebilecek UC3843 blok şemasında anahtarlama elemanının altında bir adet peak akım ölçen şönt direnç bulunmaktadır. Bu dirençten çıkan gerilim, entegre içerisindeki karşılaştırıcıya gelerek, devrede belirli bir peak akımdan fazlasının geçmesini engelleyerek flyback trafosunun doyuma gitmesini engeller. Bu, Unitrode firmasını ünlü yapan kontrol tekniğinin de en önemli parçasıdır.

Bu bölümde UC3845 kıyaslamayı 1.0V ile yapmaktadır. 150W gibi bir güç kaynağında primer RMS akım seviyesi 2A civarını bulabilir. Bu da sadece şönt dirençte 2W kayıp demektir. Oluşan kaybın önüne geçmek için yeni geliştirilen entegrelerde karşılaştırma gerilimi 0.25~0.50V değerlerine kadar düşürülmüştür. Bu da yeni entegrelerle birlikte güç kaynağı üzerindeki şönt dirençten neredeyse yarı yarıya daha az enerji harcanması anlamına gelmektedir.Flyback dönüştürücüler tam yükte DCM ya da CCM çalışacak şekilde tasarlanırlar. CCM çalışacak şekilde Flyback tasarlamak; primer ve sekonder peak akımları düşürdüğü gibi daha ince tel kullanımı nedeniyle, daha küçük trafo kullanılmasının önünü açar. Ayrıca CCM şeklinde çalışmak çıkış kapasitesinden geçen ripple akımı da azaltacağından hem verimliliği hem de daha düşük kapasite değerinin kullanılmasının önünü açar. Bu avantajlar nedeniyle tasarımların çoğu CCM şeklinde çalıştırılır. Yalnız flyback dönüştürücü de duty %50 üzerine çıktığında kararlılık bozulup, sub-harmonic osilasyonlar başlar (bunun nedeni peak current mode çalışmak). Bunun önüne geçmek için akım geri beslemesinin kazancını düşürmek gerekir. Bu işleme slope compensation denir.

Modern SMPS kontrolcülerin hemen hemen hepsinde bu standart halde bulunmaktadır. UC3843’te ise harici devre yapıları kullanılması gerekir. Yalnız unutulmamalıdır ki tasarım hem CCM hem de %50 altında çalışıyorsa slope compensation gerekmediğinden UC3843 geri kalmıştır denemez.

3) Leading-Edge Blanking
Daha önceki yazımda bahsettiğim gibi flyback devreleri içerisinde kaçak endüktans enerjisini almak için clamp devreleri barındırırlar. Burada kullanılan hızlı diyot yüksek gerilimden dolayı hızlı yapıda kullanılır ve içerisinde kaçak kapasite barındırır. Mosfet hızlı bir şekilde anahtarlandığında diyot üzerinde şarj olmuş bu kapasite hızlı bir şekilde boşalır. Bu da akım şönt direncinde hatalı bir akım yükselmesine neden olur. Bu hatalı ölçümün ortadan kalkması için UC3843’de büyük değerlikli RC filtre kullanılır.Kullanılan bu RC filtre özellikle küçük duty değerlerinde peak akımın yanlış okunmasına neden olabilir. Bunun önüne geçmek için gelişmiş entegrelerde Leading-Edge Blanking denen bir birim bulunur. Bu birim şönt dirençten okunan akımı, gate sinyali verildikten 100-200ns süresince okumaz ve böylelikle yanlış tetiklemelerin önüne geçilmiş olunur. Bu anlamda yeni entegreler UC3843’den oldukça ileridedirler.

4) Open Loop Protection
Güç elektroniği tasarımcısının en büyük uğraşlarından biri gerilim ya da akımı regüle etmektir. İzolasyonlu flyback devrelerinde bu daha önce de bahsettiğim gibi TL431 ve optocoupler üzerinden gerçekleşir. UC3843 gibi feedback yapısına sahip kontrolcülerde feedback ucunun kopması ölümcül sonuçlara yol açar; duty kontrol tamamen peak current moduna kalır ve çıkış gerilimi kontrolsüz bir şekilde yükselebilir ya da giriş mosfeti bozulabilir. Bunun önüne geçmek için feedback bölümünün zarar gördüğü anlaşılmalı ve devre susturulmalıdır. Modern kontrolcülerin çoğunda bu işlem feedback ucunda bir çok farklı yöntem ile otomatik bir şekilde gerçekleştirilir.

Ayrıca primer akım şönt direncinin kopması da peak current mod çalışmayı etkileyeceğinden, bu direncin omik değeri özellikle izlenmesi gerekmektedir. Gelişmiş denetleyiciler, ilgili direncin değeri düştüğünde de çalışmayı durdurarak çıkışı keserler. Bu anlamda modern kontrolcüler UC3843’ten oldukça öndedir.

5) Green Mode ve Frequency Jittering
Günümüzde hemen hemen her cihazın içerisinde anahtarlamalı güç kaynağı mevcut hale gelmeye başlayınca, standart koyucular dünya enerji verimliliğini arttırmak için bazı sınırlamalara giderler. Bu sınırlamalardan en önemlisi standby anında çekilen güç ve düşük güçlerdeki verim değerleridir. Tasarımdaki devre elemanlarını değiştirmeden verimi yükseltmenin de tek yolu anahtarlama frekansını düşürmekten geçer. Frekans düşümü, devredeki anahtarlama kayıpları ve skin effect gibi bir çok parametreyi etkilediğinden verim artımına neden olur. (Fotoğrafa tıklarsanız büyüyecektir) Modern entegreler geri beslemeden aldıkları bildirimler ve akıllı tekniklerle yük değerini belirlerler ve buna göre frekansı yukarıdaki grafiğin sağında görebileceğiniz üzere düşürüp yükseltirler. En düşük frekans genellikle 22kHz ve üstü olarak seçilir, böylece duyulabilir alandan uzaklaşılarak kulak sağlığı korunmuş olur. Bu özelliğe genellikle green-mode adı verilir.

Modern kontrolcülerde artık standart olarak görmeye başladığımız bir diğer husus da frekans jittering denen, cihaz çalışma frekansının belirli aralıkta oynamasıdır. Yukarıdaki grafiğin solunda çalışma mantığı görülebilir.Haberleşme konusunda çalışanlar bu konu ile yakında ilgilidirler. Bilindiği üzere frekans sabit kalsaydı fourier açılımında enerjinin yoğunlaştığı alanlar, ilgili frekans ve bileşenlerinde olacaktı. Frekansın yukarıdaki gibi aşağı ve yukarı oynaması ile yoğunlaşan bu enerji, frekans bandında yayılarak peak güç değerinin düşmesine, dolayısı ile cihazın EMC testlerinden kolay geçmesine neden olur.

Yukarıda saydığımız bu iki özellik UC3843 gibi bir entegrede sağlamak oldukça zordur ve yeni entegrelerin en güçlü yanlarından biridir.

6) Termal Koruma

Güç kaynakları bazen açık, bazen ise tamamen kapalı kutu olarak tasarlanırlar. IP sınıfı olarak nitelendirilen bu durum özellikle cihaz tamamen kapalı ise sorun oluşturabilir. Cihaz içerisinde normalde açık bir kutuda sorun oluşturmayacak parçalar, cihaz kapalı olduğunda ısılarını bir yanındaki malzemeye aktarırlar. Böylelikle cihaz içerisinde ısıl birikim yavaş yavaş artmaya başlar. Güç kaynağı tasarımcıları bu durumda, cihaz içerisinde ilk ısınan, kritik elemanı bulur ve üzerine ya da yakınına sıcaklık sensörü (genellikle NTC olur) yerleştirirler. Sıcaklık arttığında ise cihazı ya tamamen kapatırlar ya da belirli bir sıcaklık aralığında tekrar çalışırlar.Bir çok yeni kontrolcünün sıcaklık kontrol ucu artık standart olarak bulunmaktadır. Bu uç sayesinde cihaz kendisini koruma moduna sokabilmektedir. UC3843 ile bu devrenin yapımı ise oldukça karışık bir hâl alabilir.

7) Soft Start
SMPS tasarımları yapılırken karşılaşılan önemli problemlerden bir tanesi çıkışta bulunan boş kapasitelerdir; ilgili kapasiteler cihaz ilk çalıştırıldığında ani olarak dolarlar, eğer cihazın primeri de müsaitse bu akım çok yüksek olabilir ve kapasitenin ömrünü azaltır. Bir diğer yandan ise yük bağlı cihazda herhangi bir kısa devre vb. durum var ise cihazın çıkışı zarar görebilir. Bunun önün geçmek ve tasarımı olası hatalardan korumak için cihazın enerjisi belirli bir süre içerisinde yavaş yavaş arttırılır. Bu işleme soft start denir.
Yukarıdaki şekilde (resme tıklarsanız büyüyecektir) soft start çalışma yapısı görülebilir. Cihaz soft start içerisinde primer şönt direnci üzerinden kıyaslanacak gerilimi yavaşça arttırarak, gücü de aynı oranda kontrol eder. Gelişmiş entegrelerde yükselme hızını kontrol eden bir dış pin (SS) mevcuttur ve bu pin ile soft start hızı kontrol edilebilir. UC3843’te ise böyle bir yapıyı dışarıdan kurmak gerekir.

Peki Eski Entegrelerin Hiç Mi Avantajlı Yanı Yok?
Bu konuda açık konuşmak gerekirse: yok. Belki çok güzel entegrelerdi, çokça kullanıldılar fakat UC38xx ve türevi entegreler neredeyse 30-40 yıllık ömürlere sahipler. Bu yıllar içerisinde güç elektroniği çok farklı alanlara yöneldi, yeni malzemeler çıktı, kontrol teknikleri gelişti. Tüm beklentiler neredeyse SMPS kontrolcülerinde ek malzeme kullanmama noktasına kadar geldi. Hâl böyleyken bir çok komponent gerektiren bu entegreleri özellikle Flyback gibi bir alanda kullanmak teknik anlamda demode bir durum.

Avantajları Yoksa Hâlâ Bu Entegreleri Neden Kullanıyoruz?
Bunun en büyük nedenlerinden biri maliyeti, diğeri ise tedariğidir. Bugün gelişmiş bir entegre aldığımızda, en başta da belirttiğimiz üzere, kontrolcüyü üreten firmaya bağımlı hale geliyoruz. Entegre üreticisinin üretiminde sıkıntı olması, firmanın alanından çekilmesi ya da batması direkt ilgili ürünü kullananlara yansır. Fiyat bazında da UCxxx serileri artık bir direnç maliyetine gelmiş durumdadır. Dolayısı ile fazla alternatifli bir entegre ile çalışmak çoğu üreticinin hala ilk tercihi olmaktadır.

Tüm bunların yanında eski entegreler oldukça gaddardırlar; bir çok koşulda test olmuş, geliştirilmesi devam etmiş, hatta tasarımda yanlışlık olsa dahi bunu tolere edebilmektedirler. Ayrıca tek bir kontrolcü ile sadece Flyback değil daha bir çok SMPS tasarlamak mümkün olabilmekte, bu da tasarımcıya farklı kullanım alanları yaratmaktadır.

Sonuç Olarak…
Gelecekte de daha önce belirttiğim gibi TL431 ya da UCxxxx serileri yaşamaya devam edecek. Bugün Çin üretimi bir çok cihazın içinde bu ürünleri görmeye devam ediyoruz, edeceğiz de. Yalnız gelişen yarı iletken teknolojisi ile beraber daha akıllı kontrolcülere duyulan ihtiyaç gittikçe artacak. Bu yüzdendir ki her zaman olduğu gibi SMPS kontrolcülerini, tedarikçiler ve ürün geliştiriciler ile beraber takip etmeye devam edeceğiz.

Tüm sorularınızı yorum bölümünden bana iletebilirsiniz.
Herkese çalışmalarında başarılar dilerim.

Referanslar: “On Semi/Infineon/TI Eğitim Notları ve Uygulamaları”