magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 3 reszKellő átgondolás híján még egy olyan egyszerű áramkör is okozhat kellemetlen meglepetéseket, mint egy kapcsolós tápegység bemeneti szűrője. Erre mutat példát és ajánl megoldást Robert Kollmann teljesítményelektronikai cikksorozatának következő része.

.

 

 

A kapcsolóüzemű tápegység bemeneti szűrőjének csillapítása

 

A kapcsolóüzemű feszültségszabályozókat gyakran azért választják a lineáris üzeműek helyett, mivel az előbbiek jóval  nagyobb hatásfokkal képesek a bemeneti teljesítményt a terhelés által felhasználhatóvá átalakítani. Sokféle tápegység-topológia ismeretes, de ezek általában hasonlítanak egymásra abból a szempontból, hogy hatásfokuk nagyjából állandó a teljes bemenetifeszültség-tartományban. Ez azt jelenti, hogy a bemeneti teljesítményfelvétel többé-kevésbé állandó, ha a bemeneti feszültség változik is: ha a bemeneti feszültség csökken, az áramfelvétel növekszik, amint azt az 1. ábrán látható diagram is mutatja. Ennek meredeksége (amelynek fizikai tartalma a tápegység bemenete által képviselt dinamikus impedancia) negatív érték. Egy kis „matekkal” – a bemeneti feszültség és az áramfelvétel hányadosát kiszámítva – is igazolható, hogy a meredekség (azaz a dinamikus impedancia) negatív. Ez természetesen túlságosan leegyszerűsített modell, mivel a vezérlőhurok befolyásolja a bemeneti impedancia frekvenciafüggését. Sokszor azonban, ha áram üzemmódú vezérlést tételezünk fel, ez az egyszerűsítés megengedhető.

 

texas-powertips-3_2011_4_abra_1

1. ábra Egy kapcsolóüzemű tápegység bemenete negatív impedanciát képvisel

 

texas-powertips-3_2011_4_keplet1

 

A kapcsolóüzemű tápegységeknek nem folytonos a bemeneti árama, amely szűrés híján lehetetlenné teheti akár az egész rendszer működését is. A legtöbb tápellátó rendszerbe a 2. ábrán láthatóhoz hasonló bemeneti szűrőt építenek be. A kondenzátor alacsony impedanciát képvisel a kapcsoló áramára nézve. Az induktivitás nagy impedanciát képvisel a kondenzátoron keletkező, hullámzó feszültségjelalakra. Ez a nagy impedancia minimálisra csökkenti a kacsoló áramát. Ha a szűrő forrásimpedanciáját ábrázoljuk a frekvencia függvényében, látható, hogy alacsony frekvencián az gyakorlatilag megegyezik az induktív reaktanciával. A frekvencia növekedésével ez növekszik. Magas frekvencián azonban a kimeneti kondenzátor söntöli ezt az impedanciát. Közepes frekvencián azt látjuk, hogy az induktivitás és a kapacitás rezonanciajelenséget produkál, amelynek következtében a forrásimpedancia erősen megnövekszik. A legtöbb esetben a csúcsértéket úgy lehet megbecsülni, hogy kiszámítjuk a szűrő kimeneti karakterisztikus impedanciáját (Zout), amely az induktivitás és a kapacitás hányadosának négyzetgyöke. Ez az impedancia a rezonanciafrekvencián egyenlő az induktivitás és a kapacitás impedanciájával. Ezek után vegyük figyelembe a kondenzátor ekvivalens soros ellenállása (ESR) és a tekercs ellenállásának eredőjét, és számítsuk ki az áramkör Q jósági tényezőjét. Ezekkel és a Z0 és a Q szorzatának kiszámításával elvégezhető a forrásimpedancia csúcsértékének becslése.

 

texas-powertips-3_2011_4_abra_2

2. ábra Rezonancián a szűrő rezisztív (ohmos) forrásimpedanciát képvisel

 

A 3. ábra mutatja a problémát. Két ellenállást látunk rajta, egyenlő értékkel, de ellenétes előjellel. Ha egy ilyen feszültségosztó osztásviszonyát ki szeretnénk számítani, nullával kellene osztani – ez arra utal, hogy a rendszer csillapítatlanul rezgő oszcillátorként viselkedik. Stabilan, rezgés nélkül működő tápellátó rendszert úgy készíthetünk, ha gondoskodunk arról, hogy a rendszer forrásimpedanciája mindig sokkal kisebb legyen, mint a tápegység bemenő impedanciája. Ennek még minimális bemeneti feszültségnél és maximális terhelésnél is teljesülnie kell, amikor a legalacsonyabb a bemeneti impedancia.

 

texas-powertips-3_2011_4_abra_3

3. ábra Egy rezonáns szűrőből és egy kapcsolóüzemű tápegységből könnyen építhetünk oszcillátort

 

Összefoglalva tehát az eddigieket: láttuk, hogyan válhat a szűrő által képviselt forrásimpedancia fázistolás nélküli, ohmos ellenállássá, és hogyan kerülhet ez kölcsönhatásba egy kapcsolóüzemű tápegység negatív bemeneti impedanciájával. Szerencsétlen esetben ezek az impedanciák akár azonos nagyságúak és ellentétes előjelűek is lehetnek: az eredmény egy önfenntartó oszcilláció. Ennek elkerülésére általános szabályként fogalmazhatjuk meg, hogy a bemeneti szűrő forrásimpedanciája legalább 6 dB-lel legyen kevesebb (azaz legyen fele akkora), mint a kapcsolóüzemű szabályozó bemeneti impedanciájának abszolút értéke. Ezt úgy tekinthetjük, mint egyfajta „biztonsági sávot”, amely minimálisra csökkenti az esélyt az oszcilláció feltételének teljesülésére.

Egy bemeneti szűrő tervezése rendszerint egy bemeneti kapacitás (CO) kiválasztásával kezdődik (4. ábra) azon az alapon, hogy ennek kell korlátoznia a szűrő kimeneti feszültségének hullámosságát. A következő lépés rendszerint az LO induktivitás megválasztása, amelynek fő szempontja a megfelelés a készülékre vonatkozó elektromágneses zavarási (EMI) feltételeknek. Amint a fentiekben láttuk, a rezonancia közelében e két alkatrész eredő impedanciája nagy és bizonytalan érték, amely könnyen okozhat instabil működést. A 4. ábra módszert kínál ennek az impedanciának a befolyásolására aképpen, hogy egy ellenállásból (RD) és egy kapacitásból (CD) álló soros tagot kapcsolunk párhuzamosan a bemeneti szűrő kimenetével. A szűrő csillapítására elvileg egyetlen, a CO-val párhuzamosan kapcsolt ellenállás is elég lenne, de az általa okozott teljesítményveszteség legtöbbször elfogadhatatlan mértékben rontaná a hatásfokot. Alternatív megoldás lehet az is, ha egy induktivitásból és ellenállásból álló soros tagot kapcsolunk a szűrő LO induktivitásával párhuzamosan.

texas-powertips-3_2011_4_abra_4

4. ábra Az RD-CD soros tag csillapítja a bemeneti szűrő impedanciáját

 

Érdekes megfigyelni, hogy ha a szűrő többi elemét már kiválasztottuk, az RD csillapító-ellenállásnak van egy optimális értéke. Az 5. ábra mutatja a szűrő kimeneti impedanciájának változását a csillapító-ellenállás különböző értékeinél. A piros görbe azt az esetet mutatja, amikor a csillapító-ellenállás túl nagy. Ennek szélsőséges esete, ha szakadás van a helyén. Ebben az esetben az impedancia csúcsértéke igen nagy, és csak a CO és LO megválasztásával lehet befolyásolni. A kék görbe azt az esetet mutatja, ha a csillapító-ellenállás  kis értékű, szélsőséges esetben rövidzár. Ilyenkor a rezonanciát a CO és a CD kapacitás összege és az LO határozza meg. A zöld görbe mutatja az optimális csillapítás impedanciamenetét. Ezt az értéket könnyű meghatározni numerikus módszerekkel. Az. [1] irodalom zárt formulát ad a számításhoz.

 

texas-powertips-3_2011_4_abra_5

5. ábra Adott CD/CO-arány esetén találhatunk egy optimális RD csillapítóellenállás-értéket

 

A 6. ábra nagyon jól használható a csillapító alkatrészek értékének megválasztásához. A diagram az R.D. Middlebrook által kidolgozott, zárt formulán alapuló számítás alapján készült. Az ábra vízszintes tengelyén a csillapított szűrő és a csillapítatlan szűrő Zo = (Lo/Co)1/2 kimeneti impedanciájának aránya van feltüntetve. A függőleges tengelyen két érték szerepel: a CD csillapító- és a CO szűrőkondenzátor aránya (N), valamint az RD csillapító-ellenállás és a karakterisztikus impedancia aránya. Az ábrát úgy használjuk, hogy először megválasztjuk az LO és CO értékét a kívánt ZO-nak megfelelően. Ezt követően megállapítjuk a bemeneti szűrő forrásimpedanciájának maximális értékét oly módon, hogy a tápegység bemeneti impedanciájának minimális értékét kettővel osztjuk (azaz 6 dB-lel csökkentjük). A tápegység minimális bemeneti impedanciája Vinmin2/Pmax.. Ebből kiszámítható a 6. ábrán látható diagram vízszintes tengelyén adódó érték. Ezután egyszerűen leolvassuk a csillapító- és a szűrőkondenzátor arányát, valamint a csillapító-ellenállás és a karakterisztikus impedancia arányát.

 

texas-powertips-3_2011_4_abra_6

6. ábra Az LO és CO megválasztása után az RD és CD értékeket a maximális megengedhető forrásimpedancia alapján e diagram szerint lehet megválasztani

 

Példa: egy 10 μH induktivitásból és 10 μF-os kondenzátorból álló szűrő karakterisztikus impedanciája ZO=(10 μH/10 μF)1/2 = 1 Ω. Ha ezzel egy olyan tápegységet szűrünk, amely 12 W maximális kimenőteljesítményt állít elő 12 V minimális bemeneti feszültségű forrásból, a tápegység bemeneti impedanciája Z=V2/P=122/12=12 Ω. A maximális forrásimpedanciát (ZSmax) célszerű ennek a felére, 6 Ω-ra választani. Keressük meg most a diagram vízszintes tengelyén a ZSmax/ZO= 6 Ω/1 Ω értéket, és itt leolvasható, hogy CD/CO=0,1 (azaz CD=1 μF), illetve RD/ZO=3 (azaz RD=3  Ω).

Sorozatunk következő folytatása bemutatja, hogyan lehet egy feszültségcsökkentő (buck), kapcsolóüzemű DC/DC-átalakítót egy feszültségcsökkentő/növelő (buck/boost) tápegység felépítéséhez felhasználni.

 

 

Irodalom

[1] R.D. Middlebrook: Design Techniques for Preventing Input-Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators (Proceedings Powercon 5, 1978)  

 

www.power.ti.com

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

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. 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.