magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 43 reszA digitális elektronikai áramköröknél ma dominánsnak tekinthető CMOS-technológia kis fogyasztásának kulcsa, hogy a kapuáramkörök csak tranziens állapotban fogyasztanak áramot számottevő mértékben. Ennek két következménye van: az egy közös órajellel vezérelt rendszerek­-ben az egyidejűleg állapotot váltó sok kapuáramkör áramfogyasztása jelentős csúcsértékű tranziensekké adódik össze, és az átlagfogyasztás az órafrekvencia növekedésével arányos. A cikk­sorozat következő két folytatása a gyors áram­változások hatásait elemzi.

 

Gyors áramváltozások kezelése – 1. rész

Sok mikroprocesszor (CPU, MCU) esetén a specifikációk megkívánják, hogy a tápegység nagymértékben és gyorsan változó kimeneti áram leadására is képes legyen. Különösen igaz ez, amikor a processzor működési módot vált. Például egy 1 V-os rendszerben az a követelmény, hogy a tápfeszültség 3%-on belül maradjon stabil még 100 A/μs sebességű terhelésváltozások esetén is. Ezt a követelményt kielégíteni csak akkor tudjuk, ha belátjuk, hogy ez nemcsak a tápegység, hanem a tápáramelosztó hálózat problémája is, és ezek csak akkor oldhatók meg maradéktalanul, ha a tápellátó rendszert egységes rendszerként kezeljük. 

A magas di/dt iránti igény kielégítésének fontos feltétele, hogy a feszültségforrás induktivitása nagyon alacsony legyen. Rendezzük át az alábbi kifejezést úgy, hogy a megengedett forrásinduktivitást fejezzük ki belőle:

TexasPowertips 43 cikk ME 2015 4-1 fit2

ahol e a megengedett maximális feszültségváltozás (az 1 V-os tápfeszültség 3%-a, azaz 30 mV). 

Ilyen gyors áramtranziensnél tehát mindössze csak 0,3 nH induktivitás engedhető meg a terhelőáram útjában. Az összehasonlítás kedvéért egy négyrétegű NyÁK egyetlen 0,1” (0,25 cm) szélességű, 1 cm hosszúságú sávjának induktivitása 0,3 nH. Egy tipikus huzalkötés egy integrált áramkör belsejében önmagában is 1 nH nagyságrendű, és a NyÁK egyetlen furatgalvanizált átmenetének (via) induktivitása is 0,2 nH körül van.

 

TexasPowertips 43 cikk ME 2015 4-18

1. táblázat A kerámiakondenzátorok méretének és parazita induktivitásának összefüggése


Van továbbá a hidegítőkondenzátoroknak is egy soros, szórt induktivitása is, amint az az 1. ábrán látható. A felső görbe egy négyrétegű NyÁK-ra ültetett, 22 μF-os, X5R-típusú, 16 V-os, 1210-méretű kerámiakondenzátor impedanciáját mutatja a frekvencia függvényében. Amint az várható, 100 kHz alatt az impedancia a frekvencia növekedtével csökken. Ugyanakkor 800 kHz-en van egy soros rezonancia, amelytől a frekvenciát tovább növelve a kapacitás induktivitásként kezd el viselkedni. Ez az induktivitás, amint az
a kondenzátor kapacitásából és a soros rezonanciafrekvenciából kiszámítható, 1,7 nH, amely jóval meghaladja a példában megengedett 0,3 nH értéket. Szerencsére van mód arra, hogy csökkentsük az ekvivlanens soros szórt induktivitás (ESL) értékét azzal, hogy több kondenzátort kapcsolunk párhuzamosan. Az 1. ábra alsó görbéje két párhuzamosan kapcsolt kondenzátor impedanciamenetét mutatja, amelyről leolvasható az induktivitáscsökkenés hatása. Érde­kes megfigyelni, hogy a rezonancia kicsit elcsúszott a kisebb frekvenciák felé az egy kondenzátoros megoldáséhoz képest, ami annak a következménye, hogy a helyettesítő kép induktivitása nem pontosan feleződött meg. A rezonanciafrekvenciából visszaszámolva két kondenzátor eredő induktivitása 1 nH, ami – az elvárt 50% helyett – 40%-os csökkenés ahhoz képest, amit egy induktivitásnál mérhettünk. Ez a hatás két okkal magyarázható: a két kondenzátorhoz járuló hosszabb huzalozás megnövekedett induktivitásával és a két kondenzátor között mérhető kölcsönös induktivitással.

 

TexasPower43 1abra

1. ábra Két kondenzátor párhuzamos kapcsolásának hatása a parazita induktivitásra


A parazita induktivitást az összekapcsolt áramkörök huzalozása által közrefogott terület, és egy bizonyos mértékig a hurok területének az alkatrészek méretéből adódó növekedése határozza meg. A méretek és a szórt induktivitás összefüggését az 1. táblázat mutatja, amely különböző méretű felületszerelt kondenzátorok parazita induktivitását tartalmazza. Általában mondhatjuk, hogy a nagyobb méretű kondenzátorok parazita induktivitása is nagyobb. Ez a táblázat nem foglalja magában a kondenzátoroknak az áramköri lapra szereléséből adódó induktivitástöbbletet, amelyről a korábbi méréseink kimutatták, hogy 1 nH-ről 1,7 nH-re növeli az induktivitást. Egy másik érdekességet is megfigyelhetünk: a csatlakozópontok elhelyezése is jelentős befolyással van az induktivitás nagyságára.
A 0805-méretű kondenzátornak a rövidebb végén van az áram-hozzávezetés, a 0508-as méretűnek pedig a hosszabb oldalán. Ez csaknem a felére csökkenti az áramút hosszát, viszont megnöveli a szélességét, amelynek a szórt induktivitás csökkenése a következménye: a 0508 méretű kondenzátor induktivitása negyedrésze a 0805 méretűének.

Összegezve: a gyors áramváltozásokat okozó terheléseknél a hidegítő-áramkörök gondos megtervezésével őrizhetjük csak meg a tápfeszültség dinamikus stabilitását. A felületszerelt kondenzátorokat extrém kis távolságra kell szerelni a terhelés mellé annak érdekében, hogy minimálisra csökkentsük a huzalozás induktivitását. A kondenzátoroknak maguknak is van parazita induktivitása, amely megakadályozhatja a megfelelő csatolásmentesítést. A kondenzátorok párhuzamos kapcsolása a parazita induktivitás csökkentése érdekében hatásos eszköz, de a párhuzamos kapcsolás kivitelezéséhez szükséges megnövekedett huzalozás és a kondenzátorok kölcsönös szórt induktivitása csökkenti a módszer hatékonyságát. A rövidebb áramutakat tartalmazó kondenzátorok alkalmazása szintén hatásos megoldás. Ez fizikailag kisebb méretű, vagy kedvezőbben elrendezett kivezetésekkel rendelkező alkatrészek választásával valósítható meg.
Sorozatunk következő részében folytatjuk annak vizsgálatát, hogyan kell figyelembe venni a gyorsan változó (nagy di/dt) áramterhelések hatását a megfelelő tápegységek tervezésénél és vizsgálatánál.
A továbbiakban a lokális hidegítés elemzése után rátérünk a tápegységek tervezésével kapcsolatos egyéb megfontolásokra is.

 

www.ti.com/power-ca

 

A cikksorozat korábbi 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

 

 

 

 

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.