magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 67 reszFly-Buck feszültségátalakítók néhány fontos paraméterének meghatározása

Ha egyszerű, igénytelen, de szigetelt – viszont legfőképpen olcsó és kis helyigényű – tápegységet kell készítenünk, gyakran a Fly-Buck átalakító jelenti a megoldást. Hogyan állapítsuk meg például a kapcsoló kitöltési tényezőjének működési korlátait? Ehhez ad útmutatót Robert sorozatának e havi cikke.

Előfordul, hogy egyszerű, kis teljesítményű, szigetelt feszültségátalakítót kell terveznünk széles bemenőfeszültségtartományra. A precíz szabályozás nem elsődleges igény – annál inkább az a költség és a NyÁK-helyfoglalás. A követelmények kielégítésére kínál jó megoldást a Fly-Buck™ tápegység, amely egy egyszerű, feszültségcsökkentő szabályzó – csatolt tekercsekkel megvalósítva. A szabályozás a csatolt tekercsek szekunder tekercsfeszültségének egyenirányításával történik, miközben a primer körbe iktatott alsó oldali kapcsoló bekapcsolt állapotban van. 

Ezzel a feszültséggel arányos a szekunder feszültség, amely a feszültségcsökkentő átalakító kimenőfeszültségének és a csatolt tekercs menetszámarányának szorzata. Az áramkör működését sorozatunk 33. részében elemeztük részletesen.
Az 1. ábra mutatja, milyen egyszerű is lehet egy Fly-Buck áramkör. Ebben az áramköri tervben a szinkron feszültségcsökkentő teljesítménykapcsolói a vezérlőáramkörbe vannak beépítve, ezenkívül pedig csak egy marék passzív alkatrész és egy transzformátor szükséges hozzá. A terv sikeres megvalósításának igazi trükkje a csatolt tekercs specifikálása vagy kiválasztása. Ezen belül is a menetszámok, a szórt és csatolt induktivitás értékei azok, amelyeket helyesen kell méreteznünk.

01abra

1. ábra A Fly-Buck áramkörrel egyszerűen megvalósítható a szabályozott, szigetelt kimenetű tápegység

 

Az 1. ábrán látható áramkörben a transzformátor menetszámarányát a primer és a szekunder kimeneti feszültség határozza meg. Ez egyszerűen a primer feszültség, valamint a dióda (D1) nyitófeszültségével és a tekercsen eső egyenfeszültséggel megnövelt szekunder feszültség aránya. Ebben az esetben a primer kimeneti feszültség és a minimális bemeneti feszültségigény közötti összefüggést kell megértenünk. Az nyilvánvaló, hogy a feszültségcsökkentő átalakító nem képes a bemeneti feszültségénél nagyobb kimenőfeszültséget előállítani. Ha ez a kettő túlságosan megközelíti egymást, előfordulhat, hogy az áramkör nem működik megfelelően. Újabb korlátozást jelent a vezérléssel elérhető maximális kitöltési tényező is, mivel a kimeneti feszültség jó közelítéssel a bemenőfeszültség és a kitöltési tényező szorzata. Egy másik kihívás is jelentkezik az extrém nagy értékű kitöltési tényezőknél, ahol az áramok igen nagy értéket vehetnek fel. Ezek a nagy áramok mind a töltésegyensúlyból, mind pedig az alapáramkör működéséből következhetnek. A töltésegyensúlyból azért, mert a kimeneti kondenzátor csak akkor töltődik, amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, és a kapcsolt csomópont feszültsége alacsony. A kapcsolási ciklus további részében a terhelőáramot a kondenzátor szolgáltatja. Átlagosan ahhoz, hogy a kondenzátorba bejutó és onnan kivett töltés egyensúlyban legyen, az alábbi egyenletnek kell teljesülnie:

01keplet

ahol Iout a terhelőáram, Icharge a kondenzátorba befolyó töltőáram, D pedig a kitöltési tényező (0≤D≤1).

02keplet

Ennek eredményét a 2. ábra mutatja, ahol az Icharge/Iout arányt a D függvényében ábrázoltuk. A 75%-nál nagyobb kitöltési tényezőknél ez az arány 3, és nagyon meredeken emelkedik, ha a kitöltési tényező tovább növekszik. A nagy áram befolyásolja a szekunder kimenet szabályozását. Amíg a dióda vezet, a csatolt tekercs a transzformált primer kimeneti feszültséget a csatolt tekercs szórt induktivitásából, a soros veszteségi ellenállásból és a kimeneti szűrőkondenzátorból álló soros kombinációra juttatja.

02abra jav

2. ábra A C7 kondenzátor töltőárama magas a magas D kitöltési tényező miatt, ami akkor következik be, ha a Vout megközelíti a Vin-t


A szekunder tekercs áramának hullámformáját – amit a szórt induktivitás erősen befolyásol – a 3. ábra mutatja. Ez jelentős hatást gyakorol a szabályozás pontosságára. A szórt induktivitás határozza meg, milyen meredeken változik a szekunder tekercs árama. Ha a szórt induktivitás kicsi, az áram gyorsan növekszik, és ez gyorsan tölti a kimeneti kondenzátort. Nagyobb szórt induktivitásnál az áramnövekedés meredeksége csökken, aminek következtében kevesebb töltés jut a kimeneti kondenzátorba, és kisebb lesz a kimeneti feszültség.

03abra

3. ábra A kondenzátor töltőáramának hullámformáját jelentősen befolyásolja a szórt induktivitás (Zöld: 10 nH, Piros: 100 nH, Kék: 1 μH)


A 4. ábrán a szórt induktivitásnak a szekunder kimenet szabályozására gyakorolt (szimulált) hatása látható. Ez a diagram a primer és a szekunder kimeneti feszültséget ábrázolja a kitöltési tényező és a szórt induktivitás függvényében. A szimulációnál 1:1 áttételű transzformátort és 2,5 µH primer induktivitást vettünk alapul, változó mennyiségű szórt induktivitással. A bemeneti feszültség 5 V volt. A primer terhelés 1 A, a szekunder terhelés pedig 0,2 A. Az első görbe a primer kimeneti feszültség, amely lineáris kapcsolatot mutat a kitöltési tényező és a kimeneti feszültség között. A többi diagram azt mutatja, hogy a szekunder kimenet feszültsége viszont nemlineáris kapcsolatban van a kitöltési tényezővel. Két dolog van, ami rontja a szekunder kimenet szabályozását. A bal oldalon, a kisebb kitöltési tényezőknél a szekunder kimeneti feszültség közelítőleg egy dióda nyitófeszültségével kisebb, mint a primer feszültség. Ez a tulajdonság javítható, ha a dióda helyett szinkron-egyenirányítót használunk. A jobb oldalon, a nagyobb kitöltési tényezőknél a rövidebb bekapcsolási idő megnöveli a csúcsáramot, és a szórt induktivitás hatása is jelentősebbé válik. Ha nagy a szórt induktivitás, az áramkör valószínűleg nem használható 50%-nál nagyobb kitöltési tényezővel, vagy a bemeneti és kimeneti feszültség 2:1-et meghaladó arányával. A szórt induktivitás szokásos mértékével az áramkör akár 75% kitöltési tényezővel vagy 1,33:1 be/kimeneti feszültségaránnyal működhet. Végül, ha „hősiesen” megküzdöttünk a szórt induktivitás csökkentéséért, az áramkör akár 83% kitöltési tényezővel, vagy 1,2:1 feszültségaránnyal is használható. Emlékezzünk a 2. ábrán látottakra, amely szerint az áram csúcsértéke és effektív (RMS) értéke magas kitöltési tényezőknél nagyon nagy. Ezt a parazita hatások erősen befolyásolják, és a megértésükhöz a legjobb a szimuláció módszerét használni.

04abra

4. ábra A szórt induktivitás a szabályozás minőségének „gyilkosa”

 

Összegzés

A Fly-Buck átalakító kényelmes választás, ha egyszerűen kell valamilyen szigetelt segédfeszültséget előállítani, de nagy gondossággal kell eljárni, ha az átalakítót nagy kitöltési tényezővel akarjuk működtetni. Ekkor ugyanis a csúcsáramok nagyon nagy értéket vesznek fel. A szórt induktivitás „kézben tartása” révén a kitöltési tényezőt ugyan lehet még „feljebb szorítani”, de 80%-ot meghaladó kitöltési tényezővel nem érdemes számolni.

A sorozat következő cikkében a kapcsolóüzemű tápegységek által keltett elektromágneses zavarás (EMI) hatását vizsgáljuk meg.

 

www.ti.com/power-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

       

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektro-nikában 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 BSEE diplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett.
A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.