magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 62 resz

A nagyteljesítményű processzorok táplálásához gyakran 1 V-nál kisebb tápfeszültségeket kell előállítani, amelyek gyorsan változó forrás- és nyelőirányú áramokkal vannak terhelve. Komoly kihívás a tesztelő számára ezeknek a nagy – és gyors – áramváltozásoknak a szimulációja a tápegység teljesítőképességének ellenőrzésekor. A két fő nehézség egyike a terhelés induktivitásnak minimalizálása a vizsgáló-elrendezésben, a másik a feszültségmérés helyes végrehajtása.

 

Egy vizsgálórendszer induktivitása már önmagában is kihívás, de ha az alacsony feszültség és a gyorsan változó áramtranziensek nehézségeivel is kombinálódik, egyenesen „gyilkos” problémává lép elő. Az induktivitás és a terhelés együtt egy L–R-kört alkot, amely korlátozza a di/dt áramváltozási sebességet. Ha például a táplált processzor 1 V-os tápfeszültséget igényel, és 10 A-rel terheli a tápsínt, ez egy 1 V/10 A = 0,1 Ω-os terhelő-ellenállással modellezhető. Ha ezt a terhelést nagyjából 7,5 cm huzallal kötjük be, az nagyjából 50 nH soros induktivitást képvisel. Ennek az áramkörnek a T időállandója (T = L/R) 500 ns. Ezzel az áram időfüggvénye az 1. egyenlettel adható meg. Jegyezzük meg, hogy az áram változási sebessége t = 0-nál adja ezt a maximális értéket, és a T időállandó elteltével 63%-ára csökken.

1egyenlet uj

 

 

 1. egyenlet

 

 


Az áram elérhető maximális változási sebessége ezzel I/T = 20 A/µs. Ez sokkal kevesebb annál a 100 A/µs-nál, amit a „processzoros fiúk” elvárnak tőlünk, és ez ráirányítja a figyelmet arra, hogy minimalizálnunk kell az induktivitást.

Nyilvánvaló, hogy a huzalból tekercselt és a nyújtott elrendezésű, „hosszú” ellenállásokból a nagy öninduktivitásuk miatt nem lehet jó vizsgálóterhelést készíteni. Jó ökölszabály, hogy egyetlen vezeték minden centiméterének szórt induktivitása 6 nH. Az egyik hatékony módszer a hurokinduktivitás csökkentésére, hogy sok párhuzamos SMT-ellenállást helyezünk el egy földsík felett. Annak érdekében, hogy a hozzávezetés induktivitását is csökkentsük, a terhelő-ellenállásokat érdemes közvetlenül a tápegység prototípuspaneljére telepíteni. Az 1. ábra egy olyan terhelőáramkörre mutat példát, amelybe beépítettük a vizsgáló terhelő-ellenállást, a soros MOSFET-kapcsolókat és azok meghajtó áramköreit is. Ez két lehetőséget kínál a terheléskapcsoló MOSFET-ek meghajtására: a pufferelt meghajtó áramkört külső impulzusgenerátorról vagy a panelre épített időzítő-áramkörről is lehet vezérelni.

1abra

1. ábra A prototípuspanelre közvetlenül ráépített tranziensvizsgáló terheléssel csökkenthető a huzalozás szórt induktivitása

 

A 2. ábra mutatja azokat a nehézségeket, amelyek akkor lépnek fel, ha egy 1 V-os tápsínen nagy di/dt áramváltozásokat akarunk létrehozni, hogy mérhessük a tápegység tranziens viselkedését. Az ábrán zöld színnel jelölt terhelőáram-függvény 0-ról 2 µs alatt 20 A-re növekszik, azaz a di/dt = 10 A/µs. Ezt egy 50 A/µs áramváltozási sebességre is alkalmas terheléssel és gyakorlatilag 0 hosszúságú hozzávezetéssel valósítottuk meg. Először is már az is konfliktust okoz, hogy a terhelés 50 A/µs felfutási meredekségre képes. Az aktív terhelés adalapjából azonban kiderül, hogy a 2 µs felfutási idő 100 A áramterhelésnél valósul meg. 100 A-nél kisebb terhelésváltozásnál a di/dt arányosan csökken. A 2. ábra a tranziens válaszfüggvény burkológörbéjét is mutatja (sárga színnel jelölve). Érdekes módon ezen a diagramon három jól elkülöníthető szakaszban látunk lengéseket. Az első az a terheletlen működési periódus, amikor a fesszültségcsökkentő áramkör induktivitása a legnagyobb. A második a tranziens időben mutatkozik, ahol a tápegység teljesítménykapcsoló fokozata felfut a maximális kitöltési tényezőjű működésre. Ez csökkenti a feszültségcsökkentő áramkör induktivitásán folyó áram lengéseit. A harmadik szakasz a kimeneten állandósult nagy áramnál lép fel, ahol az induktivitást a nagy áram lecsökkenti. A nagyfekvenciás „hullámosság” itt a legnagyobb.

2abra

2. ábra Ez az 50A/µs-ra méretezett terhelés a valóságban 2 µs-os felfutási idővel működik


Megvalósíthatók „áraminjektorok” is, amelyekkel nagyon gyors tranziensek valósíthatók meg. Ezekkel bepillantást engednek a rendszerben fellépő rezonanciajelenségekbe és a rendszer stabilitásába, „áraminjektáló képességük” (forrásáramuk) viszont korlátozott. A 3. ábrán erre látunk példát. A felső oszcilloszkópábra fekete színnel mutatja egy tápegység tranziens válaszfüggvényét, amelyet egy kis teljesítőképességű, aktív terheléssel előidézett, piros színnel jelölt áram-lépésfüggvény okoz. A tápegység gyakorlatilag nem is reagál a terhelésváltozásra, mert a szabályozóhurok képes az általa okozott szabályozási hibajelet korrigálni. Az alatta levő oszcilloszkópábrát nagyon gyors tranziensekre képes áram-injektorral hoztuk létre. A piros diagram majdnem függőlegesen ugrik fel, és csillapított szinuszos feszültséglengést okoz a tápegység kimenetén. Ez lehet a szabályozóhurok alacsony fázistartalékának is a következménye, de okozhatja a kimeneti kondenzátorral sorosan kapcsolódó induktivitás is. Ezeket a felvételeket azonban csupán 50 mA-es áramugrással állítottuk elő, amely csak kismértékű válaszjelet okoz a kimeneten. Ez az áramugrás meg sem közelíti azt a 100 A/µs-os tartományt, amit a valóságos terhelést képviselő processzor megkíván, és ezért nem is vált ki nagymértékű tranziensválaszt a kimeneti feszültségben.

3abra

3. ábra Az áraminjektor közel „függőleges”, de csak 50 mA-es áramugrást képes előállítani

 

Összegzés

A kisfeszültségű és nagyáramú tápegységek tesztelése komoly kihívást jelentő feladat, amelynek oka a terhelés induktivitása és a valóságos aktív terhelés gyors és nagy értékű áramtranzienseket megkövetelő működése. Egy 50 nH induktivitású terhelés (amit nagyjából 7,5 cm hosszúságú hozzávezetési huzalozás képvisel), a di/dt értékét 20 A/µs-ra korlátozza egy 10 A-es tápegységnél, amely a nagyobb áramoknál erősen rontja a felfutási időt. Azok a vizsgálóeszközök, amelyekkel gyors felfutású és nagy amplitúdójú áramugrásokat kell megvalósítani, túl lassúak, vagy az áramterhelhetőségünk nem elégséges. Általában a legjobb az elektronikusan kapcsolható terhelő-ellenállásokat közvetlenül a tápegység prototípuspaneljére ráépíteni az ilyesfajta vizsgálatokhoz.

A sorozat következő részében áttekintjük a tápegységeknél alkalmazott burkológörbe-követés következményeit.
Javasoljuk, hogy az olvasó kövesse a www.ti.com/power-ca webhelyet és a Texas Instruments Power House blogjának bejegyzéseit (https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse)

 

Robert Kollman – Texas Instruments

www.ti.com/power-ca és www.ti.com/powerhouse-ca

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

35. rész

36. rész

37. rész

38. rész

39. rész

40. rész

41. rész

42. rész

43. rész 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

48. rész

49. rész

50. rész

51. rész

52. rész

53. rész

54. rész

55. rész

56. rész

57. rész

58. rész

59. rész

60. rész

61. rész

       

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.