magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 4 reszA cikksorozat e havi folytatása bemutatja, hogyan lehet egyszerű feszültségcsökkentő DC/DC-tápegységvezérlővel egy tőle látszólag „idegen”, negatív kimenőfeszültségű feszültségnövelő/csökkentő áramköri funkciót is megvalósítani.

.
 
 

 

Buck-boost[1]-tápegység építése buckkonverter vezérlő felhasználásával  

 

Az elektronikus áramkörök működtetésére tipikusan használt, szabályozott, pozitív tápfeszültséget gyakran buckkonverterek állítják elő.

Ha negatív tápfeszültségre is szükség van, ugyanazt a buckkonvertert buck-boost topológiájú, feszültségnövelő/-csökkentő áramkörré is lehet konfigurálni. A negatív kimenőfeszültségű buck-boost konvertert, amelyet negatív flyback áramkörnek is szokás nevezni, 50%-os kitöltési tényezővel működtetve a bemeneti és kimeneti feszültség nagysága azonos, de ellentétes előjelű. Ugyanakkor van lehetőség arra is, hogy a kimeneti feszültséget csökkentsük vagy növeljük annak érdekében, hogy a kitöltési tényező változtatásával megvalósuló szabályozás kiküszöbölje a bemeneti feszültség változásából következő kimenőfeszültség-változásokat. Az 1. ábrán egy buck-boost áramkör egyszerűsített vázlata látható, amelyen az induktivitáson mérhető kapcsolófeszültség-jelalakot is feltüntettük. Azonnal szembetűnik, hogy az áramkör hasonlít egy normál buckkonverter felépítésére. Valójában ez tényleg azonos egy buckkonverterrel, azzal a különbséggel, hogy a kimeneti feszültség és a földelés „helyet cserélt”. Ez az elrendezés szinkron buckkonverterként működik. Viszont ez az a pont, ahol a hasonlóság a buck- vagy szinkron buckkonverterekkel véget ér, mivel – mint látni fogjuk – az áramkör a buckkonvertertől eltérően működik.

 

ti_powertips_4_1_abra

1. ábra A buck-boost átalakító induktivitásán a be- és kikapcsolt állapot feszültség–idő-szorzatának egyensúlyban kell lennie

 

Az induktivitáson a kapcsolófet bekapcsolása alatt mérhető feszültség ugyanis másmilyen, mint a buckkonverternél. Ugyanakkor a buckkonverterhez hasonlóan kell kiegyenlíteni a feszültség–idő-szorzatot (V·μs) annak érdekében, hogy megelőzzük az induktivitás vasmagjának telítődését. Amíg a fet bekapcsolt állapotban van – ahogy az 1. ábrán látható –, a teljes bemeneti feszültség az induktivitásra jut. Ez – az induktivitás „pontozott” végén pozitív – feszültség egy lineáris áramnövekedést okoz. Ebből ered az induktivitáson keletkező feszültség–idő-szorzat a bekapcsolás tartama alatt. Amikor a fet kikapcsol (toff), az induktivitás feszültsége előjelet vált, hogy az áramot fenntarthassa, negatív irányba „húzva” az induktivitás „pontozott” végét. Ezzel egy időben az induktivitás áramának meredeksége előjelet vált, az áram a továbbiakban csökkenő irányban változik. Az áramkör ilyenkor a terhelésen, a kimeneti kondenzátoron folyik, és az áramkör a diódán keresztül záródik. A kikapcsolás és a bekapcsolás alatti feszültség–idő-szorzatnak azonosnak kell lennie. Mivel a bemeneti (VIN) és a kimeneti VOUT) feszültség állandó, könnyen belátható, hogy a D kitöltési tényező az alábbiak szerint számítható.

 

ti_powertips_4_1_egyenlet

 

A vezérlőáramkör határozza meg a helyes kitöltési tényezőt ahhoz, hogy fenntartsa a kimeneti feszültség előírt értékét. Ez a kifejezés és az 1. ábrán látható hullámforma feltételezi, hogy az áramkör folytonosan vezető üzemmódban működik. A buck-boost induktivitásnak olyan áramszinten (IL) kell működnie, amely magasabb a kimeneti terhelő áramnál. Ezt az alábbi kifejezés adja meg:

 

ti_powertips_4_2_egyenlet

 

amely egyszerűen szólva azt jelenti, hogy az induktivitáson a bemenő- és a kimenőáram összege folyik. Egy olyan negatív kimenőfeszültség előállításához, amelynek nagysága azonos a bemeneti feszültségével, az áramkör D = 0,5 kitöltési tényezővel működik, azaz az induktivitáson a kimeneti terhelő áram kétszeresét mérhetjük.

Érdekes módon kétféleképpen választhatjuk meg, hova kapcsoljuk a bemeneti kapacitás visszavezető végét, és ettől függ az, hogy mekkora effektív értékű áram folyik a kimeneti kondenzátoron. Eltérően a tipikus elrendezéstől, melyben a bemeneti kondenzátor a +VIN és a földpont (GND) közé kapcsolódik, a bemeneti kondenzátort lehet a +VIN és ‑VOUT közé is kapcsolni. A bemeneti kondenzátornak ez az elhelyezése csökkenti a kimeneti kondenzátoron folyó áram effektív értékét. Ha viszont a bemeneti kondenzátort a föld helyett a –VOUT-ra kapcsoljuk, a –VOUT ponton egy kapacitív feszültségosztó jön létre. Ez bekapcsoláskor, mielőtt a vezérlő működésbe lépne, a kimeneten egy pozitív feszültséglökést produkál. Ennek a hatásnak a minimalizálására rendszerint a legjobb az a megoldás, hogy a bemeneti kapacitás sokkal kisebb a kimenetre kapcsolódó kondenzátor értékénél. Ezt a helyzetet az áramkörben a 2. ábra szemlélteti. A bemeneti kondenzátor felváltva kétféle üzemmódban működik. Egyrészt a kimeneti egyenáramot állítja elő, másrészt egy átlagos egyenáram értékkel töltődik a bemenet felől. Az effektív áramterhelés akkor nagyobb, ha az alacsony bemeneti feszültséghez magas bemeneti áramérték társul. A kondenzátortípus kiválasztásánál ügyelnünk kell arra, hogy annak ekvivalens, soros ellenállása (ESR) ne legyen túl nagy. Erre a célra gyakran a polimer vagy kerámia szigetelésű kondenzátorok a legalkalmasabbak.

 

ti_powertips_4_2_abra

2. ábra A buckvezérlő „kettős szerepben” egy buck-boost konverterben

 

A kontrollert úgy kell kiválasztani, hogy már a megengedett legkisebb bemeneti feszültségnél egy „diódányival” kisebb tápfeszültségről is „be tudjon indulni”, viszont működés közben legyen képes elviselni még a VIN+VOUT nagyságú tápfeszültséget is. A fet és a dióda zárófeszültség-tűrését is ugyanerre az értékre kell méretezni. A kimeneti feszültség szabályozásához szükséges, hogy egy visszacsatoló ellenállást kapcsoljunk a kimenet földpontjára, mivel a kontroller földpontja valójában a negatív kimeneti feszültségre kapcsolódik.

Végeredményben tehát néhány alkatrész értékének gondos megválasztásával és kisebb áramköri változtatásokkal a buckkontroller kettős szerepet tölthet be egy negatív kimeneti feszültségű buck-boost topológiában.

A szerző megköszöni John Betten (Texas Instruments) segítségét a cikk előkészítése során.

A következő folytatásban azzal foglalkozunk, hogyan lehet helyesen megmérni egy tápegység kimeneti feszültségének hullámosságát.

 

www.power.ti.com

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

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. 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.

 

 

 



 

[1] Buckkonverter: olyan (feszültségcsökkentő) DC/DC-átalakító, amelynek kimeneti feszültsége alacsonyabb a bemeneti feszültségénél.
Boostkonverter: feszültségnövelő egyenfeszültség-átalakító, amely a bemeneti feszültségénél nagyobb kimenőfeszültséget állít elő. Ezeknek a fogalmaknak nincs hasonlóan rövid, gördülékenyen használható magyar fordítása, ezért – a körülményes mondatokat elkerülendő – a cikkben az egyébként is közismert angol változatokat használjuk. (A ford. megj.)