magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 64 resz

A tápegységektől a legegyszerűbb esetben csupán állandó kimeneti feszültséget várunk, de
– például a korszerű kommunikációs rendszerek energiahatékonyságának fokozására – szükség lehet a tápfeszültség dinamikus változtatására is a moduláló jel burkológörbéjéhez igazodva. Ezúttal erre mutat megoldást Robert cikke.

 

 

 


Az RF teljesítményelektronikai rendszerek hatásfoka egyre növekvő fontosságú a kisteljesítményű rendszereknél, különösen, amikor az utolsó percnyi működési időt is „ki akarjuk facsarni” az akkumulátorból. Hasonlóan fontos ez a nagy teljesítményű bázisállomásoknál is, ahol az energiaköltség csökkentése lényeges követelmény. Ennek egy magától értetődő módja, hogy az adó csak a valóban szükséges RF-teljesítményt sugározza ki. Ennek egy aránylag egyszerű módja, hogy az adó kimenőerősítőjét AB-osztályban működtetjük, és a meghajtójelet visszavesszük, ha csak kisebb kimenőteljesítményre van szükség. Ebben egy lépéssel tovább is mehetünk, ha a tápfeszültséget csökkentjük le akkor, ha kisebb kimenőteljesítményt kell előállítani. Az 1. ábra ezt a helyzetet szemlélteti: bemutatja az erősítő hatásfokának változását a kimenőteljesítmény függvényében. A tápfeszültség csökkentése növeli a hatásfokot, ugyanakkor korlátozza az erősítő által előállítható teljesítményt.
Problémát a tápegység reagálási sebessége okozhat az ilyesfajta rendszerekben, mivel a kapcsolóüzemű tápegységek sávszélessége rendszerint néhányszor 10 kHz, a moduláció által támasztott követelmények viszont a több MHz-es tartományba esnek. Készült néhány lineáris és kapcsolóüzemű feszültségszabályozóból kombinált tápegység, mint az LM3290 és az LM3291. Ezekben az eszközökben a lineáris feszültségszabályozó hurok sávszélessége meghaladja az 50 MHz-et, és egy jó minőségű kapcsolóüzemű tápegységhez van illesztve. A kapcsolóüzemű szabályozó elegendő „mozgásteret” ad a kis feszültségesésű (Low DropOut – LDO) lineáris szabályozónak a burkológörbe-követéshez, és közben alacsony értéken tartja a veszteségi teljesítményt. Kísérletek is folynak arra, hogy a szabályozóhurok sebességét azzal növeljék, hogy a tápegység kapcsolási frekvenciáját korszerűbb – például GaN alapanyagú – kapcsolóeszközök használatával növeljék.

Figure 01 Kollman PT65

1. ábra Az alacsonyabb tápfeszültség növeli a hatásfokot, de korlátozza a kimenőteljesítményt


Egy burkológörbe-követő tápegységnek a gyors szabályozóhurkon kívül még egy feltételt kell teljesítenie: képesnek kell lennie arra, hogy a forrásirányú áram előállításán kívül a terhelés felől folyó, „nyelőirányú” áramot is kezeljen. Ez azt jelenti, hogy a tápegységnek kell töltést kivonnia a kimeneti kondenzátorból ahelyett, hogy a terhelés sütné ki a benne tárolt töltést. Máskülönben jelentős energiaveszteség keletkezhet a kisütés miatt. Az áramnyelő képesség néhány jelentős pontban érinti a tápegység architektúráját, amelynek mindkét irányban áramló energiát kell kezelnie. A kimeneti kapacitásban tárolt többlettöltést el kell vezetni valahová, és a szabályozásnak, az áramérzékelésnek és az áramkorlátozásnak is működőképesnek kell lennie mindkét fajta – forrás- és nyelőirányú – terhelőáram esetén is.
A kimeneti kondenzátorban tárolt töltés eltávolításának egy hatékony módja a szinkron topológia. Ez a tápegység kimeneti diódáit vezérelt félvezetős kapcsolókkal helyettesíti, és ez lehetővé teszi, hogy a kimeneti áram bármelyik irányba folyhasson. A magától értetődő megoldás a szinkron feszültségcsökkentő szabályozó. Ezt a megoldást használják évek óta a DDR memóriák tápellátásánál a forrás- és nyelőirányú áramok kezelésére. A szigetelt szinkron topológiák is ugyanígy használhatók, mivel nincs semmi bennük, ami akadályozná a fordított irányú kimeneti áramot. A flyback, az előreszabályozó és fázisvezérelt hídmegoldások is sikeresen szerepeltek már a fordított irányú energiaáramlást (is) megkövetelő alkalmazásokban.

Figure 02 Kollman PT65

2. ábra A kimeneti áram irányt vált, és kisüti a kimeneti kondenzátort


A következő kérdés az, hova lesz a kimeneti kondenzátorban tárolt felesleges energia. A szinkrontopológiáknál ez visszajut a tápegység bemenetére, ahol azt más, párhuzamosan működő tápegységek hasznosítják, vagy a bemeneti zavarszűrő kondenzátorban tárolódik. Ha nincs másik tápegység, érdemes azt is számításba venni, hogy ez a visszatáplált energia a bemeneti feszültség lökésszerű változását okozza. Emiatt célszerű fontolóra venni azt is, hogyan hat ez a feszültséglökés a bemenetre kapcsolódó más részegységekre.
Az ilyen típusú tápegységek utolsó problémája, hogy a hagyományosan használt árammérési módszerek egyirányúak. Ez azt jelenti, hogy a fordított irányú áramnál elveszítjük az áramérzékelésnek az áram-üzemmódú szabályozásnál szükséges jelalakját – ez pedig jelentős beavatkozás a hurok működésébe. Ez például azt is jelenti, hogy az ellentétes irányú kimeneti áramra nézve nem működik az áramkorlátozás. Mindez egy nagyon nagy sávszélességű szabályozóhurokkal társul, és túláram alakulhat ki, ha töltést vonunk ki a kimeneti kondenzátorból.
A burkológörbe-követésre alkalmas tápegységek egy példája a PMP5726 referenciaterv. Ez egy, vezérelt egyenirányítókból felépített fázisvezérelt hídkapcsolás, amely lehetővé teszi a kétirányú kimeneti áramot. Feszültségmódú szabályozással működik, és kétutas egyenirányított kimenetű áramváltóval valósítja meg a túláram-védelmet mindkét irányban. A 2. ábra mutatja a feszültség-átalakító viselkedését, ha áramot vonunk ki a kimeneti kondenzátorból. A 20 kHz-es szabályozóhurok-sávszélesség kevesebb mint 50 µs alatt teszi lehetővé a kimeneti áram irányváltását és a kimeneti kondenzátor feszültsége 500 µs alatt csökken 30 V-ról 20 V-ra.

Összefoglalás

A burkológörbe-követés nagy sávszélességű tápegységet igényel olyan képességgel, hogy nem csak forrásirányú, hanem nyelőirányú áramot is képes kezelni. A kétirányú terhelhetőség – bonyolultabb felépítés árán – szinkron egyenirányítással és energiatárolással valósítható meg. Az áramérzékelőnek is képesnek kell lennie a kétirányú áram kezelésére. A burkológörbe-követés nem támaszt akadályokat a feszültségátalakító-topológiák kiválasztása elé, feltéve, ha azok szinkronegyenirányítást alkalmaznak.
A sorozat következő folytatásában azt vizsgáljuk meg, hogyan lehet javítani egy offline flyback feszültségszabályozó elektromágneses interferenciatulajdonságait (EMI).


Robert Kollman
 – Texas Instruments

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

 

A cikksorozat 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

62. rész

63. rész

64. rész

 65.rész
 66. rész  67. rész  68. 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.