magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 1 reszA teljesítményelektronika nehezen „megkerülhető” része az elektronikának: szinte minden készülékben jelen van, természetesen szélsőségesen különböző teljesítménytartományban, és nagyon gyakran „marginális”, az elektronikus berendezés fő funkciójától erősen elkülönülő szerepben. Ezért aztán nem is mindig túl „népszerű” feladat vele foglalkozni. Ezzel a cikkünkkel egy hosszú sorozat veszi kezdetét, amely a Texas Instruments alkalmazástechnikai szakembereinek ötleteivel kívánja megkönnyíteni a tervezők dolgát. Fogadják szeretettel!

.
 

 Hogyan válasszuk meg helyesen a kapcsolóüzemű tápegység üzemi frekvenciáját?

 

A kapcsolóüzemű tápegység működési frekvenciájának megválasztása összetett feladat, a méret, a hatásfok és az ár kompromisszuma. A tápegység terjedelmének jelentős részét a szűrő foglalja el, amelynek méretei fordítottan függnek a kapcsolási frekvenciától. Minden kapcsolási tranziens véges idő alatt hajtódik végre, és közben energiaveszteség keletkezik. Minél nagyobb az üzemi frekvencia, annál nagyobb a kapcsolási veszteség, és annál kisebb a hatásfok. A nagyobb frekvenciájú működés viszont csökkenti a szűrő alkatrészeinek számát, ami a tápegység árát jelentősen mérsékli. A következőkben egy egyszerű, feszültségcsökkentő (buck) kapcsolóüzemű tápegység példáján mutatjuk be ezeket az összefüggéseket.

 

texas-powertips-1_2011_1-2_abra_1

1. ábra A kapcsolóüzemű tápegység alkatrészeinek mérete a működési frekvencia függvényében

 

Az 1. ábra egy feszültségcsökkentő kapcsolóüzemű tápegység kapcsolási rajzát mutatja egy olyan diagrammal együtt, amely az alkatrészek térfogatát ábrázolja a kapcsolási frekvencia függvényében. Az alacsonynak mondható, 100 kHz-es frekvencián a tekercs mérete a domináns az egész tápegység térfogatában. Ha feltételezzük, hogy az induktív alkatrész mérete a benne tárolt energiától függ, térfogata a frekvencia növekedésével arányosan csökken. Ez a becslés egy kicsit optimista, mert bizonyos frekvenciától felfelé a vasmag vesztesége válik a legfontosabbá, és ez korlátozza a további méretcsökkentést. Ha a tápegységbe kerámiakondenzátorokat tervezünk be, a kimeneti kondenzátor térfogata a frekvencia növekedtével csökken, mivel a szükséges kapacitásérték is csökken. Másrészt viszont a bemeneti kapacitást a lökésszerű áramterhelés csúcsértékének megfelelően kell megválasztani. Ez nem változik lényegesen a frekvenciával, ezért a bemeneti kondenzátor mérete a frekvenciától független, nagyjából állandó. Végül, a tápegységben felhasznált félvezetők mérete független a kapcsolási frekvenciától. Következésképpen az alacsony frekvenciájú kapcsolóüzemű tápegységek térfogatában a passzív alkatrészek foglalják el a legnagyobb helyet. A frekvencia növelésével a félvezetők térfogata válik egyre dominánsabbá.

 

Azonban a félvezetők állandó méretének feltételezése csak a helyzet túlzott leegyszerűsítése esetén igaz. A félvezetők működéséhez kétféle veszteség társul: a vezetési és a kapcsolási veszteség. A vezetési veszteség a MOSFET-ekben keletkezik és fordítottan arányos a csipfelülettel. Minél nagyobb a MOSFET területe, annál kisebb az ellenállása, és ezzel a benne keletkező vezetési veszteség.  

A kapcsolással összefüggő veszteség attól függ, milyen gyors a MOSFET-kapcsoló be- és kikapcsolt állapota közötti  mindkét irányú állapotváltás, és milyen nagyok a MOSFET be- és kimeneti kapacitásai. Egy nagyobb méretű eszköznek lassabb az átkapcsolása és nagyobbak a kapacitásai. A 2. ábrán látható diagram két különböző kapcsolási frekvencián mutatja ezeket a trendeket. A vezetési veszteségek (Pcon) függetlenek a kapcsolási frekvenciától, ellenben a kapcsolási veszteségek (Psw F1 és Psw F2) egyenesen arányosak vele. A nagyobb F2 frekvenciájú megoldást nagyobb kapcsolási veszteségek terhelik.

texas-powertips-1_2011_1-2_abra_2

2. ábra A kapcsoló MOSFET csipmérete és a veszteség összefüggése kétféle üzemi frekvencián

 

A teljes veszteség minimális értéke annál a kapcsolási frekvenciánál adódik, ahol a kapcsolási és a vezetési veszteségek azonosak. Nagyobb frekvencián ennél nagyobb veszteség keletkezik.

A nagyobb kapcsolási frekvencia mellett szól az a tény is, hogy ilyenkor az optimális csipméret kisebb, és ez olcsóbb alkatrészárban jelentkezik. A gyakorlatban viszont, ha az alacsony üzemi frekvenciánál a teljesítményveszteséget a megfelelő csipméretű MOSFET-kapcsoló kiválasztásával kívánjuk optimalizálni, ez ár szempontjából nem jelent elfogadható megoldást. Ezzel szemben, amint egyre nagyobb működési frekvenciát választunk, elkezdhetjük a veszteséget a csipméret megválasztásával optimalizálni, azaz csökkenthetjük a tápegységben felhasznált félvezetők össztérfogatát. Ennek árnyoldala, hogy ha nem férünk hozzá megfelelő félvezető-választékhoz, vagy nem tudjuk annak minőségét javítani, a hatásfok csökken.

A működési frekvencia növelése csökkentheti a tápegység árát. Nagyobb kapcsolási frekvenciánál kisebb az induktív alkatrész térfogata, és a maganyag révén is megtakarítás keletkezik. Ezenkívül csökken a kimeneti kondenzátor iránti követelmény is. Kerámia kivitelű kondenzátoroknál kisebb kapacitású vagy kisebb számú kondenzátor válik szükségessé. Csökkenhet a félvezetők csipmérete is, amely hozzájárul az ár mérséklődéséhez. A megfelelő üzemi frekvencia kiválasztásához értékelni kell a méret, a hatásfok és az ár kompromisszumait. A kisfrekvenciás megoldás bizonyára a legjobb hatásfokú, de egyben a legnagyobb méretű és a legköltségesebb is. A frekvencia növelésével csökken a méret és az ár, de ezért a hatásfok romlásával kell fizetnünk.

A folytatásban azzal foglalkozunk, hogyan lehet „megszelídíteni” egy zajos tápegységet.

 

www.power.ti.com

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

 

 

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.