Da ROHM Semiconductor i primi circuiti integrati del settore per la rilevazione di Zero Cross-Riduzione della perdita di potenza indesiderata

ROHM Semiconductor ha sviluppato una soluzione integrata per la rilevazione di zero cross per alimentatori negli apparecchi domestici quali lavatrici e frigoriferi. La soluzione offre una maggiore affidabilità ed efficienza.

Introduzione

La riduzione delle perdite di potenza è uno degli obiettivi principali dei progettisti di circuiti di potenza. Questa tendenza sarà ulteriormente rafforzata nell'era dell'Internet of Things (IoT). Esistono già molti circuiti integrati che possono ridurre in modo significativo l'alimentazione in standby, ma sono limitati alla parte DC/DC. I tipici apparecchi domestici "white good" come le aspirapolvere, le lavatrici, i condizionatori d'aria ed i frigoriferi avranno un numero sempre maggiore di funzioni per la comodità dei consumatori. Display, sensori touch e funzioni vocali saranno connessi tra loro tramite Wi-Fi, il che richiede che l'elettronica rimanga per 24 ore in modalità ON. Tuttavia, questo comporta inutili perdite di potenza e non soddisfa le richieste del mercato. Per essere all'altezza delle aspettative di mercato, ROHM Semiconductor ha introdotto un IC che integra una funzione di rilevazione di zero cross in un package che è stato invece risolto con configurazioni discrete.

Vantaggi di un circuito integrato zero cross

Il circuito integrato offre i seguenti vantaggi:

  • Design semplice
  • Superamento delle imprecisioni del foto accoppiatore dovute alla differenza di temperatura e tensione
  • Riduzione della perdita di potenza
  • Numero di componenti ridotto

La Figura 1 mostra un modello di lavatrice come esempio. Nel modo convenzionale, il motore è un carico ed è collegato a un convertitore AC/DC tramite risposta meccanica che funge solo da interruttore. Questo relè meccanico è in periodo transitorio per lo switch elettrico, i MOSFET e negli ultimi modelli il Wi-Fi è diventato essenziale per controllare esternamente interi sistemi tramite dispositivo mobile con una sola mano. Un gran numero di componenti discreti, come i foto accoppiatori, sono configurati per rilevare il punto di zero cross per l'ingresso sinusoidale AC e inviare segnali di fronte di discesa o di salita al microcontrollore. La configurazione discreta non solo rende complicata la progettazione del circuito, ma causa anche una perdita di potenza indesiderata sulla resistenza e sul diodo.

La Figura 2 illustra le cifre: la potenza in standby misurata quando si utilizza l'IC di rilevazione di zero cross di ROHM BM1Z001FJ viene ridotta del 98% rispetto a una configurazione tradizionale di foto accoppiatore, da 460 mW a 10 mW con una tensione di ingresso di 230 V. Ciò è dovuto al basso consumo di corrente del BM1Z001FJ in modalità standby, 50 µA e solo 160 µA durante il normale funzionamento. D'altra parte, la corrente attraverso il foto accoppiatore è sempre di 2 mA. Una perdita di potenza di 460 mW in modalità standby è notevole. Inoltre, possiamo supporre che la perdita totale di potenza in un tale circuito sarà ancora maggiore se si tiene conto del resto dei componenti.

La Figura 3 mostra la riduzione significativa del numero di componenti dell'IC zero cross. Undici componenti discreti vengono sostituiti con soli quattro componenti, incluso il circuito integrato zero cross di ROHM. Ciò offre vantaggi sulla semplice progettazione del circuito e anche sullo spazio nel PCB. Il vantaggio tecnico che offre un circuito integrato zero cross è soprattutto il tempo di ritardo costante. La tensione AC raddrizzata a onda intera ha diversi tempi di ritardo in ogni punto della sinusoidale e questi appaiono Max e Min nella tensione vicino a 230 V e zero, rispettivamente. In altre parole, il tempo di ritardo aumenta quando la tensione di ingresso si avvicina a zero.

La Figura 4 rende questo concetto chiaro. Il tempo di ritardo della linea blu dal foto accoppiatore aumenta al diminuire della tensione di ingresso AC. Tuttavia, il tempo di ritardo dell'IC zero cross di ROHM rimane costante indipendentemente dalla tensione di ingresso AC. Questo tempo di ritardo può essere regolato da resistori di pull-down su richiesta all'interno del range di -500 us ~ + 200 us. Nel frattempo, applicando il metodo convenzionale con un foto accoppiatore, la tensione di ingresso è inferiore alla tensione zener per il foto accoppiatore. Nessuna corrente scorre attraverso il foto accoppiatore. Pertanto, il segnale di zero cross non può essere trasmesso al microcontrollore. Ciò solleva un ulteriore problema di affidabilità del circuito e perdita di potenza dal diodo Zener (Figura 5).

Figura 1. Circuito integrato zero cross in una lavatrice

 

Figura 2. Alimentazione in stand-by (solo zero cross AC)

 

Figura 3. Parti esterne (solo zero cross AC)

 

Figura 4. Tempo di ritardo zero cross

 

Figura 5. Confronto con la rilevazione di zero cross

 

Figura 6. Line-up del circuito integrato zero cross

Tipo di impulso zero cross e tipo di fronte

Al fine di soddisfare i diversi microcontrollori e le specifiche di progettazione del mercato elettronico, ROHM Semiconductor ha introdotto i circuiti integrati zero cross dividendo il tipo di impulso e il tipo di fronte del segnale di zero cross per i microcontrollori. La Figura 6 mostra l'attuale line-up. Il tempo di ritardo è regolabile con il pin Delay Time Setting DSET e i valori del resistore di pull-down. Inoltre, alcuni modelli della line-up monitorano la tensione DC che è una tensione raddrizzata DC o una tensione di ingresso per un motore tramite il terminale VH_DC e l'uscita 1/100TH della tensione per il microcontrollore tramite il terminale DC OUT. La tensione fornita è applicabile, quindi potrebbe essere necessaria per un controllo motore più preciso. Il circuito integrato zero cross fornisce ulteriori funzioni per la sicurezza. Quando la tensione di ingresso AC viene abbassata, la rilevazione di zero cross viene interrotta per impedire un blocco di sotto tensione (UnderVoltage-LockOut, UVLO). Se la tensione di ingresso AC viene temporaneamente rimossa, anche il circuito integrato viene arrestato e ripristinato non appena l'ingresso AC diventa normale. I packages dei prodotti sono presentati in SOP-J7S e SOP-J11S che possono essere abbinati a prodotti SOP generali.

Considerazioni conclusive

Il circuito integrato zero cross introdotto finora contribuisce a ridurre la potenza in standby applicata all'interno degli apparecchi domestici. Ciò sta diventando sempre più importante poiché il numero crescente di funzionalità porterà a un elevato livello di consumo energetico. Sono già disponibili schede di valutazione e campioni. Per ulteriori informazioni, contattare gli uffici vendite locali di ROHM in tutto il mondo.

WEB LINK

ARTICOLO ORIGINALE IN INGLESE AL LINK: The Industry’s First Integrated Zero Cross Detection ICs from ROHM Semiconductor/Reducing Undesirable Power Loss

 

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