magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 69 reszTöbbkimenetű tápegység szabályozási specifikációjának teljesítése súlyozott visszacsatolással

Ha többkimenetű tápegységet kell terveznünk, nem mindig megfelelő megoldás, hogy az egyik kimenetet stabilizáljuk, a többi meg „ahogy sikerül”. Minden egyes kimenet stabilitásáról külön visszacsatoló hurokkal gondoskodni pedig drága mulatság. Robert sorozatának ehavi cikke okos kompromisszumot javasol.

 

Nem egyszer kap a teljesítményelektronikai mérnök olyan megbízást, hogy minimális költségű, mégis minden kimenetén szigorú stabilitási követelményeket teljesítő, többkimenetű tápegységet tervezzen. Jó példa erre az a kis teljesítményigényre tervezett, offline flyback szabályozó (1. ábra), amelynek egyik kimenetén 3,3 V-os, a másikon 5 V-os feszültséget kell előállítania. A szabályozási követelmények a következők: ±5% a 3,3 V-os, és ±10% az 5 V-os kimeneten. A tervezéskor alkalmaztunk néhány megoldást a keresztszabályozási tulajdonságok[1] javítására. A transzformátor egyetlen, megcsapolt szekunder tekercset tartalmaz a 3,3 V-os és az 5 V-os kimeneti feszültség előállítására, amelynek kétféle kedvező hatása is van:

  • A két kimenet közötti keresztszabályozást a közöttük mérhető szivárgási (azaz szórt, kölcsönös) induktivitás befolyásolja.

  • A megcsapolt tekercselés segít minimalizálni ezt a szivárgási induktivitást.

01 Texas Instruments

1. ábra Az R18 ellenállás teremti meg a kimeneti feszültség súlyozott szabályozásának lehetőségét


Ha 3,3 V-os a szabályozott kimenet, a vezetékek ellenállásán a terhelő áram hatására létrejövő feszültségesés hatását a szabályozás megszünteti („kiszabályozza”), és a feszültségnek csak a „maradéka”, a 3,3 V és 5 V közötti része marad szabályozatlan. Lényegében tehát csak egy 1,7 V-os tekercselés feszültségváltozásaival kell számolnunk a teljes 5 V-os feszültséget előállító tekercselésen változó feszültség helyett.

Egy további trükk is az 5 V-os kimenet pontosabb illeszkedését szolgálja a specifikációhoz: az R6 és a D5 segíti a szabályozást, ha az 5 V-os tekercsen kis mértékű, a 3,3 V-oson pedig nagy a terhelés. Ebben az esetben, amikor a primer oldali kapcsolófet kikapcsol, jelentős mennyiségű energia tárolódik a szivárgási induktivitásban, amelynek hatása egy csúcsértékmérővel észlelhető a kis terhelésű szekunder tekercsben. Az R6 és D5 egy kapcsolt terhelést képvisel, amely egy kis árammal többletterhelést okoz egészen addig, míg a feszültség meg nem közelíti a maximális szabályozási munkapontot.
A 2. ábra mutatja a kimeneti feszültségek keresztszabályozásának jellegét a terhelőáram függvényében, miközben az 1. ábrán látható R18 ellenállás meg van szakítva. Látható, hogy a 3,3 V-os kimenet szabályozása minden terhelési tartományban pontos. A kimeneti feszültség gyakorlatilag független a terhelőáramtól, és a pontosságát csak az ellenállások és a referenciafeszültség toleranciája, valamint hőmérsékletfüggése befolyásolja. Ezzel ellentétben – ebben a bizonyos esetben – az 5 V-os kimenet nem jól szabályozott, és kilép a specifikált pontossági tartományból. Több tényező is van, ami ezt a gyenge minőséget okozza. Az első önmagában az 5 V-os kimenet nyílt hurkú, szabályozatlan kialakítása. Ezenkívül a szabályozott hurkon kívül eső tekercselésszakasz vezetékellenállása és a két szekunder tekercs közötti kölcsönös, szórt induktivitás is rontja az 5 V-os kimenet szabályozottságát. Ez az oka annak is, hogy az ábrán két diagramot is feltüntettünk az 5 V-os kimenet terhelésfüggéséről a 3,3 V-os kimenet terhelésének függvényében. Ráadásul a 3,3 V-os kimenet terhelésének növelése hatására az 5 V-os kimenet feszültsége megemelkedik. Egy példa erre az az effektus, amit a 3,3 V-os kimenetet egyenirányító dióda okoz: nagyobb kimeneti áramoknál a diódán eső feszültség is megemelkedik, a szabályozó hurok pedig megnöveli a transzformátor primer feszültségét a dióda feszültségesésének kompenzálása érdekében. Ez a megnövekedett primer feszültség arányosan megnöveli az 5 V-os kimenet feszültségét. Ez tehát az oka annak, hogy az 5 V-os kimeneti feszültség görbéi a 3,3 V-os kimenet növekvő terhelőárama hatására növekednek.

 

02 Texas Instruments

2. ábra A 3,3 V-os kimenet szabályozása esetén csak az 5 V-os kimenet léphet ki a szabályozási tartományból. 


A példánkban eddig azt tapasztaltuk, hogy a 3,3 V-os kimenet bőven belül marad a specifikált tűréstartományán, míg az 5 V-os kilép a sajátjából. Elvileg megpróbálkozhatnánk, hogy azzal javítsuk a szabályozást, hogy az 5 V-os kimenetet szabályozzuk. Ebben az esetben azonban azt tapasztalnánk, hogy a helyzet megfordul: lenne egy jól szabályozott 5 V-os kimenetünk és egy 3,3 V-os kimenet ±10%-os toleranciával, ami nyilvánvalóan nem felel meg a specifikációnak. Olyan tervet kell tehát készítenünk, amely a két szélsőség közé esik, és optimálisan használja ki mindkét kimenet megengedett szabályozási tűréstartományát. Ezt az R12 és R18 ellenállások beépítésével tehetjük meg.
Az elfogadható kimeneti változás meghatározásához először egy, a 2. ábrához hasonló diagramot kell készítenünk, és ennek segítségével számítsuk ki a kimenőfeszültség-toleranciákat.
A 3,3 V-os kimenetet állandónak tartjuk, az 5 V-os kimenet ±12%-ot változik. Ha a változásokat szét akarjuk osztani a kimenetek között, 2%-os változást engedhetünk meg a 3,3 V-os kimeneten és 9%-osat az 5 V-oson, 1-1%-os biztonsági ráhagyással mindkét kimeneten.
Az osztó ellenállásainak kiszámításához először írjuk fel az áramkört leíró egyenletrendszert az R15 ellenállás áramának meghatározásához a szélső értékekkel, majd abból határozzuk meg az ellenállások arányát. Azt találjuk, hogy az ellenállások aránya egyszerűen azonos a megengedett feszültségváltozások arányával:

 

1 keplet


Vonjuk ki egymásból a két egyenletet és oldjuk meg az ellenállások arányára:

2 keplet, azaz 

R12 = 0,15 . R18

Ha az arányokat ezen a módon meghatároztuk, válasszunk értéket az R12, R15 és R18 ellenállások egyikének, és azzal számítsuk ki a másik kettőt. Például, ha az első lépésben megválasztottuk az R18 értékét, az R12 a fenti arányból kiszámítható. Ezt követően számítsuk ki az áramot a két ellenálláson. Végül pedig az R15 is kiszámítható annak ismeretében, hogy rajta 1,25 V feszültségnek kell esnie, és az árama az R12 és az R18 ellenállások áramának összege. A 3. ábra mutatja, hogyan sikerült ezzel a megoldással az áramkört a specifikációnak megfeleltetni azon az áron, hogy valamennyit engedtünk a 3,3 V-os kimenet pontosságából.

 

03 Texas Instruments

3. ábra A 3,3 V-os kimenet szabályozási minőségének megengedett határon belüli csökkentése a specifikációnak megfelelő feszültségtűrést eredményezi az 5 V-os kimeneten

Összefoglalás

Nem feltétlenül szükséges több feszültségszabályozó hurkot kialakítani ahhoz, hogy egy többkimenetű tápegység minden kimenete megfeleljen a terhelésszabályozás követelményeinek. Bizonyos megoldásokkal – mint az előterhelés és a szoros csatolású tekercselés – lehetséges a teljes szabályozás minőségének javítása. Ezenkívül pedig, több kimenet súlyozott mértékű együtt szabályozásával lehetővé válik a relatív szabályozási tűrések ellenőrzött módon történő szétosztása a kimenetek között. Egy többlet-ellenállás beiktatásával jelentős mennyiségű áramköri elem beépítését takaríthatjuk meg.

 

A sorozat következő cikkében megvizsgáljuk egy nem szigetelt DC/DC-konverterben mérhető jelalakokat.

 

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 teljesítmény-elektronikában 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.

 

 


[1]Ezt a kifejezést használjuk a többkimenetű tápegység azon tulajdonságának megnevezésére, hogy az egyik kimenetet érő hatások (például terhelésváltozás) mekkora hatással vannak a másik kimeneti feszültségre. – A ford. megj