magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 72 reszSzinkronizálás teszi a „jól viselkedő” tápegységet

A korszerű tápellátó rendszerek egyik fontos trendje a több tápfeszültséget előállító, összetett kapcsolóüzemű tápegységek terjedése. Robert cikksorozatának ebben a részében az ilyen rendszerek szinkron működésének előnyeire hívja fel a figyelmet.

 

 

 

Az energiaellátó rendszerek az évek során egyre bonyolultabbá váltak, egyebek közt a több tápfeszültséges rendszerek sajátos követelményei következtében. Ezek kielégítésére gyakran több kapcsolóüzemű tápegységet tartalmazó megoldások szolgálnak. Ennek tervezése során az egyik meghatározó lépés annak eldöntése, hogy szinkronizáljuk-e az egyes tápegységek kapcsolási frekvenciáját, vagy hagyjuk azokat egymástól függetlenül működni. A szinkronizálatlan megoldások egyszerűbb áramkörökkel is megoldhatók, míg a szinkronizálás segíthet a tápfeszültségszűrés költségének csökkentésében és az elektromágneses zavarkibocsátás (ElectroMagnetic Interference – EMI) csökkentésében.
Az aszinkron működés hatásának bemutatása érdekében elkészítettük az 1. ábrán látható áramkör P-SPICE-szimulációját.

 

Figure 01 Kollman

1. ábra A két aszinkron működésű tápegységnél fellépő „lebegési” jelenség miatt megnő a bemeneti feszültség hullámossága

 

Az áramgenerátorok képviselik a tápegységek bemeneti áramát. Az 1. ábra mutatja a két tápegység áramhullámformáit és a kondenzátoron mérhető feszültség hullámosságát. Ez a hullámosság akkor minimális, amikor a két konverter ellenfázisban működik, és akkor maximális, ha azok azonos fázisban működnek. Ebben az esetben majdnem kétszeres különbség tapasztalható a kimeneti feszültség hullámosságának mértékében az azonos és az ellenfázisú működés esetén. Ez a szinkronizálás megvalósítása mellett szóló erős érvek egyike. A bemeneti feszültség hullámossága tehát csökkenthető, ha megfontoltan választjuk meg, milyen fázisban működjenek a több tápfeszültséges rendszer egyes tápegységei. A második előny az, hogy az áram hullámosságát is csökkenteni tudjuk. Esetünkben tehát, ha a tápegységek fázisa 0,25-ös kitöltési tényezővel el van tolva, az eredő kitöltési tényező 0,5 lesz, így az áram hullámosságát az alábbi egyenlet határozza meg:

 Texas powertips 72 abra

Amikor az áramok fázisban vannak, az eredő kitöltési tényező 0,25, de az áramváltozás csúcsértéke 2 × Io, amiből 0,87 × Io nagyságú áram-effektívérték adódik. Az áram effektív értékének valódi nagysága valahol a kettő között található, de mindenképpen jelentősen megnöveli a bemeneti kondenzátor megengedett áramhullámosságára vonatkozó követelményt, amely miatt szinte biztos, hogy megéri vállalni a tápegységek szinkronizálásával járó többletköltségeket.

 

Figure 02 Kollman

2. ábra A bemeneti feszültség szimulált értékének Fourier-transzformáltja azt mutatja, hogy nincsenek összeg- és különbségi frekvenciájú összetevői

 

Ha az 1. ábrára nézünk, az a benyomásunk támadhat, hogy a hullámformának összeg- és különbségi frekvenciájú összetevői is vannak. Érdekes módon, ha elvégezzük a hullámforma Fourier-transzformációját a 2. ábrán látható eredménnyel, azon csak olyan összetevőket látunk, amelyek a kapcsolási frekvenciákkal függnek össze: az áramgenerátorok 180 és 200 kHz-en működnek, és a Fourier-transzformációból származó frekvenciaspektrumban csak ezeknek a frekvenciáknak az alap- és felharmonikusai találhatók. Ahhoz, hogy összeg- és különbségi frekvenciák is létrejöjjenek, szorzásra van szükség, amelyet nemlineáris karakterisztikájú alkatrészek – mint például kapcsolódiódák vagy tranzisztorok – képesek végrehajtani (ugye emlékszünk még a trigonometrikus azonosságra sin(u)sin(v)=1/2(cos(u-v)-cos(u+v)?).
Ha viszont megvizsgáljuk az átlagos feszültséget, amelyből a tápegység az energiát nyeri az 1. ábra minden egyes ciklusára vonatkoztatva, azt látjuk, hogy a változás frekvenciája a két kapcsolási frekvencia különbsége. Ez a változás megtalálja az utat a kimenetre, ha a tápegység hangfrekvenciás tartományú szűrése nem megfelelő. Ezt a nem eléggé hatásos feszültség-előrecsatolás, a vezérlés hiszterézises jellege vagy a hatástalan áramüzemmódú vezérlés okozhatja, és rendszerint másodrendű hatást képvisel.
Egy másik lehetséges mód, ahogy ez a „lebegési” jelenség eljuthat a feszültségellátó rendszer kimenetére, a rosszul tervezett földelési rendszer. A földáram a szomszédos kapcsolóüzemű tápegységekben a 2. ábrához nagyon hasonló jelalakokat képes előállítani. Volt is egy tápellátó rendszerünk, ami ilyen jelenségeket mutatott. A hibalehetőség bizonyítására végeztünk egy kísérletet. Megnöveltük a bemeneti kondenzátort, de semmiféle hatást nem tapasztaltunk. Ezután kis értékű induktivitást kötöttünk sorba a tápegységek bemeneti tápvezetékeivel. Ekkor azt találtuk, hogy minimálisra csökkent a két tápegység egymásra gyakorolt hatása, azaz az egyik tápegység áramának hullámossága nem hatott a másik tápegységre.

 

Figure 3 Kollman

3. ábra A tápegység kapcsolása különbségi frekvenciájú összetevőt hoz létre


Ennek a jelenségnek egy példáját a 3. ábrán láthatjuk. Ha a lila színnel kirajzolt feszültség-hullámosságot és a kapcsolt csomópont zölddel ábrázolt hullámfomáját összevetjük egymással, azt látjuk, hogy a feszültség-hullámosság hirtelen változik, amikor a kapcsolt csomópont alacsony állapotba vált. Ez arra utal, hogy a második kapcsolóüzemű tápegység árama valahogyan hozzáadódik az elsőéhez, ahelyett, hogy a bemeneti feszültséget modulálná.
A végső érv a tápegységek szinkronizálására az, hogy ezen a módon ellenőrizhetjük a nagyteljesítményű kapcsolók kapcsolási fázisát, és ezáltal a kapcsolási időpontokat a rendszer többi tápegységéhez viszonyítva. Ha a tápegységek nincsenek szinkronizálva, előfordulhat, hogy több teljesítménykapcsoló kapcsolási időpontja egybeesik. Minden ilyen átmenet jelentős zajt generál, amely kaotikus működéshez vezethet, és ez felülírhatja a többi tervezési döntésünket, amelyek a nem szinkronizált működést részesítenék előnyben.

 

Összefoglalás

A több tápegységből álló rendszerek szinkronizálása számos előnnyel rendelkezik. Csökkentheti a bemeneti szűrőkondenzátorokon az áram hullámosságát. A kisebb áramhullámosságra méretezett kondenzátor választásával költséget takaríthatunk meg, de csökkenthetjük a tápegység bemeneti feszültségének hullámosságát is. A szinkronizálás kiküszöböli a tápellátó rendszer be- és kimenetein mutatkozó, és a kapcsolási frekvenciák különbségén jelentkező összetevőket is. Ha a kapcsolási időzítést pontosan kézben tartjuk, a több tápfeszültséget előállító tápegység kevésbé lesz hajlamos a kaotikus működésre.

 

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

67. rész

68. rész

69. rész

70. rész

71. 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.