magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 52 reszEgy nemlineáris áramkör matematikai modellezése – a valóságot csak messziről közelítő, legegyszerűbb modelleket kivéve – papír-ceruza módszerekkel gyakorlatilag kivitelezhetetlen. A modellezőszoftverek azonban képesek hatékonyan elvégezni ezt a papírmunkát, ezért a mérnök szinte biztosra mehet a prototípus-tervezésnél. Egy tápegység-szabályozóhurok modellezése meglehetősen összetett feladat, de szimulátorral elkerülhető a „próba-szerencse” alapú tervezés.

 

A P-Spice (vagy bármely más szimulátor) nagyon hatékony segédeszköz lehet a tápegységek szabályozóhurkának szintézisénél. Ebben a cikkben a P-Spice használatával tervezzük meg az 1. ábrán látható kapcsolóüzemű, integrált, szinkron feszültségcsökkentő áramkör vezérlőhurkát. Ez az áramkör egy transzkonduktív[1] hibaerősítőt és belső referenciaforrást tartalmaz. A kimeneti feszültséget a hibaerősítő az R6 és R7 ellenállásokból álló feszültségosztón keresztül érzékeli, és a leosztott feszültséget egy 0,8 V-os referenciafeszültséggel hasonlítja össze. A hibaerősítő kimenete az IC 8-as kivezetésén (COMP) megjelenő áram, amely a különbségi jellel arányos. Az áram ezután a kompenzáló áramkör elemein keresztül a földelés felé záródik, és azon egy olyan feszültséget hoz létre, amely az L1 áramán keresztül végzi a kimeneti feszültség szabályozását. Az IC áramüzemmódú szabályozást végez (Current Mode Control – CMC) annak érdekében, hogy az L1 kimeneti induktivitást hatékony áramgenerátorrá alakítsa át. Az L1 árama arányosan változik a COMP-csatlakozópont árama által a kompenzálóhálózaton ejtett feszültséggel. Az induktivitás árama aztán részben a kimeneti kondenzátort tölti, részben a terhelésen folyik át, és a kondenzátor (és egyben a kimenet) feszültségén át záródik a szabályozóhurok.

figure1

1. ábra Ez az áramüzemmódú, integrált kapcsolóüzemű tápegységvezérlő 3-as típusú kompenzációval növeli meg a szabályozóhurok sávszélességét

 

figure2

2. ábra A P-Spice modellbe beépített T1 késleltetővonal a szabályozóhurok mintavételi késleltetését modellezi


A 2. ábra mutatja az 1. ábra kapcsolási rajza alapján készített P-Spice-modellt. Az R3, C3 és C13 elemekből álló kompenzálóhálózat és az R6‑R7 feszültségosztó az elvi kapcsolási rajznak megfelelően, változatlanul megtalálható a P-Spice-modellben.
A különbségek az elvi kapcsolási rajz és a modell között a következők:

  • a transzkonduktancia-erősítőt és a teljesítményfokozatot feszültségvezérelt áramgenerátorral modelleztük,

  • az Reramp ellenállás hozzáadásával és a C7 kondenzátor megnövelésével a hibaerősítő parazita tulajdonságait vettük figyelembe,

  • a C11 kimeneti kapacitás értékének 47 μF-ról 30 μF-ra csökkentésével vettük figyelembe azt a kapacitáscsökkentő hatást, amely az egyenfeszültség-komponens nagyságával arányos[2],

  • egy váltakozó feszültségű feszültségforrást (VAC) is beépítettünk, amellyel a hurokerősítés a beinjektált feszültség és a visszacsatolt feszültség arányával vált kifejezhetővé,

  • beépítettünk egy T1 késleltetővonalat. Ezzel a változtatással a szabályozó áramkör mintavételi késleltetését jelképezzük. Ugyanis eltelik egy bizonyos idő attól kezdve, hogy a kapcsolótranzisztor állapotát meg kell változtatni addig az időpontig, míg ez a változás ténylegesen meg is történik. Ez átlagosan a kapcsolási periódusidő fele, ezért ekkora késleltetést építettünk be a modellbe,

  • beépítettük az Rdl (50 Ω) lezáróimpedanciát, amelynek célja a T1 késleltetővonal lezárása a hullámimpedanciájával.

figure3

3. ábra A szabályozóhurok mért sávszélessége nagyjából a kapcsolási frekvencia egyharmada

 

A 3. ábra az 1. ábrán bemutatott tápegység hurokerősítésének mért értékeit mutatja. A tápegység kapcsolási frekvenciája 600 kHz, az egységerősítéshez tartozó frekvencia közel 200 kHz – a kapcsolási frekvencia egyharmada. Ha az egységerősítési és kapcsolási frekvencia között ilyen nagy az arány, a modulátor fáziskésése jelentőssé válik. Ugyanis már 300 kHz-en (a kapcsolási frekvencia felénél) is a mintavételi késleltetés 90°-os fáziskésést okoz.
A 4. ábra a hurokerősítés és a fázistolás szimulált eredményeit mutatja. Két görbepárt mutatunk be: az erősítés és a fázis értékét a késleltetővonallal és anélkül. A szimulált erősítés jó egyezést mutat a mért erősítéssel. A késleltetővonal nélkül szimulált fázis viszont jelentősen eltér a mért görbétől. Az eltérés nagyjából a kapcsolási frekvencia egytizedénél válik szembetűnővé, és az egységerősítéshez tartozó frekvencián már kb. 65° az eltérés. Ha viszont a késleltetővonalat is beépítjük a modellünkbe, az erősítés és a fázis is jó egyezést mutat.
Minél közelebb visszük az egységerősítési frekvenciát a kapcsolási frekvenciához, annál kritikusabb a késleltetővonal beépítése a modellbe annak érdekében, hogy a szimulációs és a mért eredmények megfelelő hasonlóságot mutassanak.

figure4

 

4. ábra A késleltetővonal beépítése javítja a modell nagyfrekvenciás pontosságát

Összegzés

Egy tápegység vezérlőhurkának modellezése egyszerű feszültségvezérelt forrásokkal is jól megvalósítható. Ebben az áramkörben ugyan feszültségvezérelt áramgenerátorokat használtunk a transzkonduktancia-erősítő és a teljesítményfokozat erősítésének modellezésére, de feszültségvezérelt feszültséggenerátorokat is használhatnánk a feszültség-üzemmódú szabályozás modellezésére. Ha feszültség-üzemmódú szabályozást kellene modelleznünk, az feszültségvezérelt feszültséggenerátorokkal lenne megvalósítható. Fontos, hogy a modellben szereplő passzív alkatrészeknél figyelembe kell venni az egyenáramú előfeszítés miatti értékváltozásokat: az egyenfeszültség-komponens hatását a kapacitás, az egyenáram hatását az induktivitás értékére. Ha a szabályozóhurok egységerősítési frekvenciája meghaladja a kapcsolási frekvencia egytizedét, szükségessé válik a mintavételi késleltetés modellezése, amely késleltető művonal beépítetésével lehetséges. Még ha a tápegységtervezésben akár csak ilyen egyszerű modelleket használunk is, az jelentősen csökkentheti a hardvermodelleken végzett hibakeresési munka időszükségletét.

A következő folytatásunkban néhány további szimulációs ötletet ismerhet meg az olvasó.

Robert KollmanTexas Instruments

www.ti.com/power-ca

 

___________________

[1] Feszültségvezérelt áramgenerátorral modellezhető erősítő, amelynek transzfer tulajdonságát egy vezetőképesség- (meredekség-) típusú mennyiség, a kimeneti áram és a bemeneti feszültség hányadosa jellemzi. – A ford. megj.

[2] Lásd Teljesítményelektronikai ötletek – 48. (Magyar Elektronika 2015. 10. szám)

 

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 

44. rész

45. rész

46. rész

47. rész

48. rész

49. rész

50. rész

51. 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.