TL431によるオプトカプラ・ドライバ回路の試作

D級アンプで使用している絶縁型LLCコンバータでTL431とオプトカプラ(6N136, TLP559, TLP2304)を用いた回路の試作を行ったのでまとめておきます。

TLP2304とTL431によるフィードバック回路

写真中央下部のSOIC8の変換基板がTLP2304でその右側のTO-92がTL431です。

オプトカプラも種類がいろいろありますが、ここではLLCコンバータがfsw=100kHzなので、1MbpsのオープンドレインのPhoto IC(UCC256404のRVCC=13Vで駆動)を選択しています。

同じ定数で、TLP2304, TLP559, 6N136が問題なく動作しました。プロパゲーションディレイと入力容量がそれぞれ異なるので、理論的には電源のトランジェントに影響があるはずですが、D級アンプの出力の聴感で判断するのは難しいと思います。

なお、東芝の6N136, TLP559は生産終了予定となっています。

また、オプトカプラの経年劣化(CTRの低下)が問題になる場合は、Si87xx(Si8710CC, Si8710CD)を選択しますが、現在のところ半導体不足の影響で入手困難です。

TL431によるオプトカプラ・ドライバ回路 その2

絶縁型LLCコンバータなどで2次側の電圧を1次側にフィードバックするためのTL431とオプトカプラの位相補償をまとめておきます。

以下の資料が参考になります。

The TL431 in the Control of Switching Power Supplies

The TL431 in a Modified Type 2 Configuration

DC-DC Converters Feedback and Control

Modeling and Loop Compensation Design of Switching Mode Power Supplies

Demystifying Type II and Type III Compensators Using Op-Amp and OTA for DC/DC Converters

The TL431 in the Control of Switching Power Suppliesからスライドを引用します。

How is Regulation Performed?

絶縁型DC-DCコンバータ用ICのデータシートや、アプリケーションノート、設計ツールでもTL431とOptocouplerの位相補償についてはほとんど触れていないので、設計に際しては基礎的なところから理解しておくことが必要です。

制御と回路の基礎知識があれば順を追って理解できる資料だと思いますが、いかがでしょうか。

TL431によるオプトカプラ・ドライバ回路

絶縁型LLCコンバータなどで2次側の電圧を1次側にフィードバックするためのTL431とオプトカプラ(MOC207)による回路をまとめておきます。

以下の資料が参考になります。

Shunt Regulator Design Procedures for Secondary Feedback Loop in Isolated Converter

Setting the Shunt Voltage on an Adjustable Shunt Regulator

Compensation Design With TL431 for UCC28600

まず、LTspiceによる回路図と過渡応答を示します。

TL431とMOC207による2次側電圧FB回路
TL431とMOC207による2次側電圧FB回路の過渡応答

設計手順としては以下の通りです。

  1. Vref=2.495Vになるように分圧回路を設定
  2. フォトダイオードとTL431へのバイアス電流を設定
  3. TypeIIの位相補償回路を設定

2次側はフォトダイオードのローサイドにシャントレギュレータを配置する構成になります。

1次側はコントローラのFBピンの仕様に応じてオープンコレクタ出力をエミッタ共通かコレクタ共通の構成になります。

ハーフブリッジ・トポロジーのバリエーション

商用電源(AC115/230V)から+-50Vの正負電源を得る

オフライン・コンバータ(SMPS)のトポロジーとして、

ハーフブリッジ・コンバータが適用できますが、

バリエーションとして、

ハードスイッチング(対称HB、プッシュプル)、

ソフトスイッチング(非対称HB、アクティブクランプ)、

LLC(共振型HB、プッシュプル)の

3つあるようです。

 

以下の資料が参考になります。

Power Converter Topoology Trends

Power Topologies Handbook

Power Topologies Poster

 

800W, +-50VのLLCハーフブリッジの既製品を参考としてあげておきます。

SMPS800RE

 

 

300Wハーフブリッジ・コンバータの基板設計

LTC3721-1による300W ハーフブリッジ・コンバータの基板設計です。

SMPSトランスはPC40EER35-Z, BEER35-1112CPFR

絶縁型ゲートドライバはSi8235AB-D-IS1,

デジタル・アイソレータはSi8710AC-B-IS

を想定しています。

出力はDC+-50V,

入力はAC100V/200Vのユニバーサル対応としています。

 

EAGLEの回路図です。

配線図です。

上面のベタ・パターンです。

下面のベタ・パターンです。

 

100mm x 80mmの両面基板では、

実装面積が限られるので、

このあたりが限界のようです。

 

500W フルブリッジPS-ZVSコンバータの回路設計

LTC3722-1 同期整流式デュアル・モード位相変調フルブリッジ・コントローラによる

500W フルブリッジコンバータの回路設計をまとめておきます。

 

LTspiceの回路図です。

LTspiceの過渡解析です。

緑:正側出力電圧(+50V)、青:正側CMC電流(5A負荷)

 

ほとんど、

500W フルブリッジ・コンバータの回路設計

と同じで、

コントローラおよび周辺回路の変更と

共振用のインダクタを追加するだけです。

 

以前、PFC、カレントセンストランス、パルストランスで設計したものを、

倍電圧整流、電流検出抵抗、絶縁型ゲートドライバに置き換えた形になっています。

250W ZVS-PSFB 50V正負電源の設計

 

 

 

 

500W フルブリッジ・コンバータの回路設計

LTC3721-1による500W フルブリッジ・コンバータの

回路設計をまとめておきます。

 

LTspiceの回路図です。

LTspiceの過渡解析です。

緑:正側出力電圧(+50V)、青:CMC電流(5A負荷)

 

ほとんど、

500W ハーフブリッジ・コンバーターの回路設計

と同じで、

絶縁型ゲートドライバとハーフブリッジを追加するだけですが、

パワー(電流)が2倍になるため、

CS抵抗とスロープ補償抵抗を調整する必要があります。

また、ゲートドライバの消費電流も考慮する必要があります。

 

コアをさらに大きなものに変えて、

1kW程度の出力構成にするのが適切なようです。

 

500W ハーフブリッジ・コンバーターの回路設計

Push-Pull PWM Controller LTC3721-1を用いて、

500W ハーフブリッジ・コンバーターによる

ユニバーサル・オフライン正負電源(AC100/200V->DC+-50V)を設計します。

 

LT3723-1/LTC3721-2 同期整流式プッシュプル PWMコントローラ

のデータシートには、

プッシュプル、フルブリッジ、ハーフブリッジおよび

フォワード・トポロジーをサポート

とあって、フルブリッジの標準的応用例が参考になります。

 

LTspiceの回路図はこちら。

LTspiceの過渡解析はこちら。

緑:正側出力電圧(+50V)、青:正側CMC電流(5A負荷)

 

回路構成として、

1次側は、

AC100V入力時、

倍電圧整流にして、

AC200Vの設計としています。

 

また、2次側は、

STTH15L06FPによるブリッジ整流としています。

 

LT4430のエラーアンプのゲインは10倍、

LT3723-1のRcxは30m Ohm、Rslopeは470 Ohm、

SSは68n, CTは330p(200kHz(ドライバ出力は100KHz))に

それぞれ、設定しています。

また、VCCのバイアス回路は、

15Vと3.3VのZenerで構成しています。

 

その他の主要部品などは、

500W 2スイッチ・フォワードコンバータの回路設計

を参考にしてください。

 

正負電源のラッチダウン

3端子レギュレータで正負電源を構成するときは、

ラッチダウン防止のためにSBDを保護回路として入れるように、

データシートに記述があるので認識していましたが、

同期整流で正負電源を構成するときも必要になるようです。

 

実際、フォワードコンバータによる正負電源の起動時に、

耐圧の異なる同期整流用のMOSFETが

フォワード用とフリーホイール用のいずれも、

正側だけ飛んでしまったので、

ラッチダウンと判断しています。

 

というわけで、正負電源のラッチダウンに関する資料をまとめておきます。

電源回路のトラブル事例と対策

三端子レギュレータについて

リニアレギュレータの逆電圧保護

アプリケーションノート YDSV500シリーズの原理と応用 非絶縁DC-DCコンバータ

300Wアクティブクランプ・フォワードコンバータの基板設計

300Wアクティブクランプ・フォワードコンバータの基板設計をまとめておきます。

なお、同期整流用のMOSFETドライバをLTC4446に、

MOSFETをIPA105N15N3に変更しています。

 

EAGLEの回路図はこちらです。

基板のレイアウトはこちらです。

基板上面のベタパターンはこちらです。

基板下面のベタパターンはこちらです。

同期整流のための4つのMOSFETと

2つのMOSFETドライバの配置スペースが必要になるので、

基板上側に1次側、基板下側に2次側を配置しています。

また、ADP1074のPGOOD端子にはプルアップ抵抗とLEDをつないでいます。

あと、IRFP240IRFP9240は基板上側に配置しています。