magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 44 reszA sorozat elmúlt havi folytatásában – a jelen cikk első részében – bemutattuk a zavarszűrésre használt kondenzátorok iránti követelményeket olyan környezetben, ahol gyors áramváltozásokkal kell számolnunk. Témánkat a gyorsan változó árammal terhelt tápegységek dinamikus stabilitásának kérdéseivel folytatjuk.

 

 

 

Gyors áramváltozások kezelése – 2. rész

Előző folytatásunkban megvizsgáltuk a kapacitív terhelésszűrés követelményeit gyorsan változó terhelőáram esetén. Azt találtuk, hogy „kötelező” alacsony ekvivalens soros induktivitással (ESL-el) jellemzett kondenzátorokat használni, és azokat a lehetőség szerint kis távolságban, rövid huzalozással csatlakoztatni a terheléshez. Számításaink szerint már 0,5 nH parazita induktivitás is elfogadhatatlan feszültségtranzienseket eredményez. Ahhoz, hogy elegendően kis induktivitást érjünk el, több párhuzamosan kapcsolt terhelésszűrő kondenzátort kell alkalmazni, és azt több ponton csatlakoztatni a terheléshez (például egy processzor tápfeszültség-csatlakozó kivezetéseihez). Ezúttal azt vizsgáljuk meg, mekkora szűrőkondenzátorokat kell a tápegység kimenetén használni a valós alkalmazásokban megfigyelhetőhöz hasonló di/dt-követelmények között. 

Az 1. ábra mutatja a példaként választott tápegység P-SPICE szoftvermodelljét. Az ábra egy tápegység-kompenzáló áramkört, modulátort (G1) és kimeneti kondenzátort tartalmazó helyettesítő képét ábrázolja. Látható az áramköri részeket összekapcsoló vezeték induktivitása és a szűrőkondenzátorral ellátott terhelőáramkör modellje DC-terhelésnél, illetve ugrásszerűen változó terhelőáram esetén.

 

Texas 44 1abra

1.ábra Egyszerű P-SPICE-modell a rendszertervezéshez


Először is el kell döntenünk, hogy a tápegységet és a terhelést két külön „fekete dobozként” kezeljük-e, vagy inkább egyetlen, összefüggő rendszernek tekintsük. Ha az utóbbi „rendszer-megközelítést” választjuk, figyelembe vehetjük, hogy a terhelésszűrő kondenzátor értéke beleszámít a kimeneti kapacitásba, amelyet emiatt kisebb értékű, tehát olcsóbb kondenzátorral lehet megvalósítani. Ha viszont a „fekete dobozos” szemléletet választjuk, a tápegységet és a terhelést két független egységként vizsgálhatjuk. Bármelyik megoldást választjuk is, meg kell határoznunk, mekkora szűrőkapacitást kell a terhelés közelében elhelyeznünk.
Állapítsuk meg becsléssel a tápegységet a terheléssel összekapcsoló kábelezés induktivitását és ellenállását! A „kábelezési impedancia” induktív komponense (Linterconnect) a hidegítőkondenzátorral (Cbypass) aluláteresztő szűrőt alkot. Tételezzük fel, hogy a tápegység kimeneti impedanciája alacsony. Az aluláteresztő szűrő karakterisztikus impedanciáját (Z0), az áramugrás nagyságát (Istep) és a megengedett feszültségváltozást (dV) felhasználva állapítsuk meg a hidegítőszűrő iránti követelményeket (1. és 2. egyenlet).

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 5-1

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 2


A 2. egyenletet Z0-ra megoldva és az 1. egyenletbe helyettesítve kapjuk a 3. egyenletet:

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 3


Érdekes megfigyelni, hogy a szükséges kapacitásérték a terhelőáram és a megengedhető zavarfeszültség-amplitúdó hányadosának a négyzetével arányos, azaz erre a két paraméterre az áramkör tulajdonságai fokozottan érzékenyek, és ezért igen gondosan kell azokat meghatároznunk.
A kábelezés induktivitása igen széles tartományban változhat: néhány tized nH is lehet a tápegységgel gyakorlatilag egybeépített terhelésnél, de néhány száz nH is lehet, ha a tápegységtől nagyobb távolságra elhelyezett terhelésre kell csatlakoztatnunk. Jó ökölszabály, ha centiméterenként 6 nH-vel számolunk. 10 A-es ugrásszerű terhelésváltozásnál, 30 mV amplitúdójú feszültségtranzienst megengedve, a terhelés-szűrő kondenzátor értéktartománya az 5 nH kábelezési induktivitásnál adódó 500 μF-tól a nevetségességig túlzott 50 mF-ig terjed, amely utóbbi 500 nH kábelinduktivitás esetén adódik.
A szűrő azonban csökkenti a tápegység kimenetén jelentkező áramnövekedés sebességét is. Ha egy veszteségmentes szűrőt négyszögjel alakú árammal hajtunk meg, az induktivitás árama szinuszos lesz. Az induktivitás áramának (Iind) változási sebességét az áram-időfüggvény idő szerinti differenciálásával kapjuk a 4., 5., 6., 7. egyenletek szerint.

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 4

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 5

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 6

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 7

 

5 nH kábelinduktivitást és 500 μF-os szűrőkondenzátort feltételezve a 10 A-es terhelőáram-ugrás 0,2 A/ μs áramváltozási sebességgel jár. Ha nagyobb az induktivitás, kisebb a di/dt áramváltozási sebesség. Ezek sokkal alacsonyabb értékek, mint amit a rendszertervezők – szokásosan – specifikálnak.
A rendszerszemléletű megközelítésben tehát minimalizáltuk a teljes kapacitásértéket, miközben maximalizáltuk a szabályozóhurok sávszélességét. Most térjünk át a „fekete dobozos” megközelítés vizsgálatára. Eszerint készítenünk kell egy tápegységet, amely hidegítőkondenzátor nélkül is, valamint a legnagyobb feltételezett hidegítőkondenzátorral is egyaránt stabil. Ahogy az előbbiekben állítottuk, a kábelezés induktivitása miatt növekszik a szükséges terhelésszűrő-kapacitás. Ez viszont – a fekete dobozos szemlélet szerint – hatással van a tápegység kimenetére építendő kapacitás értékére. A beépített kapacitás nagyságrendje viszont meghatározza a tápegység törésponti frekvenciatartományát. Mind feszültség-, mind áramüzemmódú működés esetén az összefüggés lineáris. Maximalizálhatjuk a törésponti frekvenciát a terhelőkapacitás figyelembevétele nélkül is, de ha a terhelést rákapcsoljuk a tápegységre, a törésponti frekvencia jelentősen csökken.
Az 1. táblázatban összehasonlítottuk a mintarendszerünkben szükséges kapacitásértéket háromféle kábelezési induktivitás esetén. Az adatokat úgy állítottuk elő, hogy változtattuk a kábelezési induktivitást, kiszámítottuk az ehhez szükséges terhelési hidegítő­kondenzátort, és megterveztük a tápegység ehhez alkalmazkodó kimeneti fokozatát és a vezérlőhurkot. Az első esetben a terhelés és a tápegység egybe van építve, a másodikban mérsékelt, a harmadikban pedig extrém nagy értékű kábelezési induktivitást tételeztünk fel. A szükséges hidegítőkondenzátor értéke közvetlenül a kábelezési induktivitástól függ. A 3. esetben a közepes induktivitás százszorosát tételeztük fel, és ehhez ugyanilyen arányban megnöve­kedett terhelésszűrő kondenzátor szükséges. Ez pedig „begyűrűzik” a tápegységtervezésbe, mivel a „fekete dobozos” szemlélet szerint tervezett tápegységnek stabilnak kell lennie a rákapcsolt terhelésszűrő kondenzátorral és anélkül is. Világosan látszik, hogy az elsőként alkalmazott rendszerszerű megközelítés a kedvezőbb, mert jóval kisebb kapacitásértéket igényel, ami kevesebbe kerül. A második eset ésszerűen korlátozott kábelezési induktivitása esetén csak mérsékelten növekszik az igényelt kapacitás nagysága. A harmadik esetben igen nagynak feltételezett kábelezési induktivitásnak azonban már jelentős költségkövetkezményei vannak. A 2. és 3. eset viszont kényelmesebb abból a szempontból, hogy a tápegységet önmagában is lehet tesztelni.

 

Texas Powrtips 44  cikk ME 2015 tablazat

1. táblázat A rendszerszemléletű tervezés alacsony szinten tartja a költségeket


A 2. ábrán látható szimulációs eredmény azt hasonlítja össze, milyen hatást gyakorolnak a terhelőáram-tranziensek a terhelés feszültségére kicsiny és nagy kábelezési induktivitásnál.

 

Texas 44 2abra

2. ábra A feszültséglengés amplitúdója és időtartama problémát okozhat, ha nagy a kábelezés induktivitása


A kis induktivitásnál kialakuló feszültségtranziens gyorsan csillapodik, míg nagy induktivitásnál a csillapodás nem ilyen gyors, ezért a beállás sokkal tovább tart. Ennek oka a magasabb karakterisztikus impedancia és az alacsonyabb rezonanciafrekvencia. Ráadásul, ha az impulzusszerű terhelőáram periodikus, és a frekvenciája azonos a rezonanciafrekvenciával, extrém széles, és akár károsodást okozni képes feszültségváltozások is kialakulhatnak.

Összegezve: a nagy sebességgel változó terhelőáram a terhelésszűrés gondos tervezését igényli annak érdekében, hogy a tápegység megfelelően stabilizálja a dinamikusan változó terhelés feszültségét. A tápegységet, illetve a terhelésszűrő kondenzátort a terheléssel összekapcsoló vezetékezés alacsony induktivitása alapvetően fontos. A legkisebb költségű megoldást a rendszerszemléletű tervezés eredményezi. Sok tervezőmérnök azonban – a tápegység kényelmes tesztelhetősége érdekében – eltekint attól a potenciális költségtakarékosságtól, ami a tápegység kimenetére épített kondenzátor elhagyásából adódik.

Következő folytatásunkban tapasztalati vizsgálatokkal határozzuk meg egy szinkron feszültségcsökkentő szabályozó kapumeghajtási időzítésének optimumát.

 

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

43. 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.