magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 2 reszFolytatjuk Robert Kollman, a Texas Instruments alkalmazástechnikai szakembere teljesítményelektronikai sorozatát, amely olyan ötleteket tárgyal tömör, lényegre törő stílusban, amelyek a tervezőknek segíthetnek mindennapi döntési helyzeteikben. Ezúttal a szerző a tápegységek egyik igen kellemetlen tulajdonságát, a zajt „veszi célba”.

.

 

 

Hogyan „szelidítsünk meg” egy zajos tápegységet?

 

Ha egy új rendszert tervezünk, egy jó tápegység-elrendezés nélkülözhetetlen feltétele annak, hogy a termék „érett” változatának előállításához minimális laboridőre legyen szükség. Ha néhány órát, esetleg csak perceket fordítunk az elrendezés áttekintésére és a nyilvánvaló hibák előzetes kiszűrésére, ezzel napokig tartó hibakereséstől kímélhetjük meg magunkat.
Az 1. ábra egy tápegységben található zajérzékeny áramköri részlet tömbvázlatát mutatja. A kimeneti feszültséget a referenciafeszültséggel hasonlítjuk össze, és ezzel állítjuk elő a hibajelet. Ezt azután egy fűrészfeszültséggel hasonlítjuk össze, amelynek eredménye egy olyan szélességmodulált (PWM) jel, amellyel a teljesítményfokozat közvetlenül vezérelhető.

 

texas-powertips-2 resz_1_abra

1. ábra Egy impulzusszélesség-modulátor alacsony szintű jeleket hordozó, zajérzékeny pontjai

 

Ebbe az áramkörbe a zaj három ponton léphet be: a hibaerősítő be- és kimenetén, a referenciafeszültség-forrásnál és a fűrészjel-generátornál. Ezeknek az „érzékeny pontoknak” a gondos elektromos és fizikai tervezése minimálisra csökkentheti az egész áramkör ellenőrzésére, bemérésére fordított időt. Általában a zaj ezeken a kis jelszintű pontokon a kapcsolójelekből kapacitív úton csatolódik be. Egy jó NyÁK-terv  gondoskodik arról, hogy ezek a kisszintű áramkörök ne terjengősen, hanem kis felületű, kompakt megoldással legyenek huzalozva, távol a nagy teljesítményű kapcsolóüzemű jeleket hordozó vezetékektől. A helyesen alkalmazott földsíkok árnyékoló tulajdonságát is kihasználhatjuk.
A hibaerősítő bemenete valószínűleg az egész tápegység leginkább zavarérzékeny pontja, mivel a legtöbb alkatrész ide csatlakozik. Ha ehhez hozzávesszük a hibaerősítő nagy erősítését és nagy impedanciájú bemenetét, máris kész a katasztrófa receptje.
A NyÁK-tervezés folyamán a csomópont vezetékeinek méretét minimalizálni kell. A bemeneti (Zbe) és visszacsatoló (Zvcs) impedanciát megvalósító alkatrészeket olyan közel kell elhelyezni a hibaerősítőhöz, amennyire ez fizikailag egyáltalán lehetséges. Ha a visszacsatoló hálózatban nagy sebességű integráló kondenzátor van, azt az erősítőkimenethez a legközelebb kell elhelyezni, és ezt kövessék a visszacsatoló hálózat többi alkatrészei. Ha például a kompenzációs hálózatot a soros RC-tag alkotja, és a nagyfrekvenciás zaj az ellenállás és a kapacitás közös pontját éri, a zaj a bemenet felől elhelyezkedő ellenállás nagy impedanciáján át csatolódik a bemenetre, nem pedig a kis impedanciájú kondenzátoron keresztül.
A másik potenciálisan zavarérzékeny terület a fűrészjel. Ennek előállítása kétféleképpen történhet: egy kondenzátor feszültséggenerátoros töltésével (feszültségüzemmód) vagy a tápárammal (áramüzemmód). A feszültségüzemmód rendszerint nem okoz problémát, mivel a kondenzátor kis impedanciája kerül szembe a nagyfrekvenciás zavarójelekkel. Az áram üzemmódú fűrészjel-előállítás sokszorta kényesebb és érzékenyebb a kapcsolójelek felfutó élén keletkező „tüskék”, a viszonylag kis amplitúdójú fűrészjel és a teljesítménykapcsoló fokozat parazita impedanciái miatt. A 2. ábra az áram üzemmódú fűrészjel-előállítás néhány problémájára mutat példát. Az első idődiagram a felfutó élnél keletkező „tüskét” és az azt követő áram üzemmódú fűrészjelet mutatja. A komparátornak – sebességétől függően – további két potenciális zavarfelvételi pontja van. Az eredmény: a vezérlés kaotikus működése, ami „szalonnasütésre” emlékeztető, sistergő hangról ismerhető fel. Ezt a problémát a legjobb úgy megoldani, hogy a vezérlő integrált áramkör bemenetét letiltjuk a zavart okozó, felfutó él időtartamára. Ez figyelmen kívül hagyja az áramhullámalak rövid, kezdeti szakaszát. A hullám nagyfrekvenciás szűrése is megoldás lehet. És nem győzzük eleget ismételni: helyezzük a fűrészgenerátor kondenzátorát olyan fizikai közelségbe a vezérlő IC-bemenetéhez, amennyire csak lehetséges.

 

Texas-Powertips-2 resz_2_abra

2. ábra Két gyakori probléma az áramüzemmódú fűrészjel-előállításnál

 

Egy másik gyakori probléma a szubharmonikus oszcilláció, amelynek jelei mindkét idődiagramon felfedezhetők. A keskeny és széles jelek váltakozása annak a jele, hogy nem megfelelő a fűrészjelhullám kompenzációja. Ha a fűrészjel alakú áramjelhez több feszültség-fűrészjellel arányos jelet adunk, a probléma megoldható.
Tegyük fel, hogy a tápegység elrendezését a lehető legnagyobb gondossággal tervezték, de a prototípus mégis zajos. Ilyenkor mit lehet tenni? Elsőként meg kell vizsgálni a visszacsatoló hurok válaszfüggvényét, hogy kiküszöböljük a problémát okozó instabilitást. Érdekes, hogy egy-egy zajprobléma a tápegység határfrekvenciájának instabilitásában is megnyilvánulhat. Ami ilyenkor valójában történik, az, hogy a  hurok megpróbálja kijavítani a beinjektált zajt mint hibajelet, mégpedig olyan sebességgel, amelyre a saját időállandói révén képes. Ilyenkor a legcélszerűbb folytatás annak meghatározása, hogy a zaj az említett három terület: a hibaerősítő, a fűrészjel vagy a referencia közül melyiknél lép be. Az áramkört egyszerűen fel kell osztani és egyenként megvizsgálni – az „oszd meg és uralkodj” elve :) itt is segít.
Az első lépésben helyezzük mérőszondánkat a kérdéses csomópontokra. Ezzel láthatóvá válik, ha például a fűrészjel feltűnően nemlineáris, vagy nagyfrekvenciás jelváltozások vannak a hibaerősítő kimenetén. Ha nem tudunk semmi jellegzetest felfedezni, vegyük ki az áramkörből a hibaerősítőt, és helyettesítsük a kimeneti feszültségét egy „tiszta”, zajmentes feszültségforrással. Ennek óvatos változtatásával a tápegység kimeneti feszültsége is változik. Ha ez beválik, a vizsgálatot le lehet szűkíteni a referenciaforrásra és a hibaerősítőre. 
Néha előfordul, hogy a vezérlő IC-be integrált referenciaforrás érzékeny a kapcsolójelekre. Ez további (vagy helyesen kivitelezett) hidegítéssel javítható. Ezenkívül a kapumeghajtó ellenállásokon levő kapcsolójelek „lassítása” is segíthet. Ha a probléma forrása a hibaerősítő, a kompenzáló hálózat impedanciájának csökkentése is segíthet, mert ezzel csökken a beinjektált zaj amplitúdója is.
Ha minden kísérletünk kudarcot vall, „emeljük fel”, távolítsuk el a hibaerősítő csatlakozópontjait a NyÁK-lapról. A kompenzációs hálózat „légvezetékes” huzalozása segíthet abban, hogy meghatározhassuk, hol keletkezik a probléma. 
Zajmentes tápegységet véletlenül csinálni nem lehet. Az áramkör működésének megértése szükséges ahhoz, hogy az alkatrészeket megfelelően helyezhessük el és huzalozhassuk össze. Általában bizonyos labortapasztalat is szükséges ahhoz, hogy a zajproblémákat behatárolhassuk és megszüntethessük. 
A következő folytatásban a bemeneti szűrő csillapításával foglalkozunk.

www.power.ti.com

http://www.ti.com/ww/hu/cikkek-szakirodalom.html

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. 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.