magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 53 reszAz analóg jelfeldolgozó áramkörök zajának egy részéért a tápfeszültségből származó zaj a felelős. Ez indokolja, hogy a tápegység alacsony zajszintjéről külön kell gondoskodni. A sorozat jelen folytatásában ennek egy megoldását mutatja be a szerző.

 

 

 

 

Bizonyos alacsony zajszintű alkalmazások megkövetelhetik, hogy tápegységük kimeneti feszültségének hullámossága a kimeneti feszültség 0,1%-ánál kisebb legyen. Ezt a követelményt könnyű átfogalmazni úgy, hogy a tápfeszültségszűrő csillapításának jelentősen meg kell haladnia a 60 dB-t, tehát egyfokozatú szűrővel gyakorlatilag nem lehet teljesíteni.
Vegyünk példának egy 570 kHz kapcsolási frekvenciájú feszültségcsökkentő szabályozót, amelynek bemeneti feszültsége 12 V, kimeneti feszültsége 3 V. Terhelhetősége 5 A, és a kimeneti feszültség hullámossága nem haladhatja meg a 100 μVpp (40 dBμVpp) értéket. A kapcsolási frekvencia alapharmonikusa a kapcsolási ponton 5 Vpp (135 dBμVpp) nagyságrendű, amelyből a szükséges csillapításra átszámítva 95 dB érték adódik. Ez jelentősen meghaladja a 60 dB-t, amelynek a megvalósítását – a passzív alkatrészek parazita komponensei miatt – egyáltalán még meg lehetne kísérelni. Ha viszont eldöntöttük, hogy kétfokozatú szűrőt (1. ábra) tervezünk, a törésponti frekvenciákat és az alkatrészértékeket kell meghatároznunk.

 

1.ábra

1. ábra 90 dB csillapítású, kétfokozatú szűrő, jól csillapított tranziensátvitellel


Ebben a tervezési megközelítésben az L1 kimeneti induktivitás megválasztása – bármely feszültségcsökkentő szabályozóhoz hasonlóan – az első lépés az áram hullámosságának figyelembevétele, az első szűrőkondenzátor (C1) értékét pedig annak megfelelően választjuk meg, hogy az első szűrőfokozatra 60 dB csillapítást írunk elő. A második fokozat egy erősen csillapított szűrő lesz, amelynek ezek után már csupán szerény, 35 dB csillapítást kell realizálnia. Az első (C1) és második (C2) szűrőfokozat kondenzátorainak arányát pedig 1:10 értékre választjuk, amellyel több célt érünk el:

 

  • szétválasztjuk a kétfokozatú szűrő rezonanciáit,

  • alacsony értékűvé tesszük a második fokozat karakterisztikus impedanciáját, ami megkönnyíti a szükséges csillapítás megvalósítását,

  • a kimeneti kapacitás többségét a második fokozatra koncentrálja, ami csökkenti a további terhelőkapacitások hatását, és jó tranziensviselkedést eredményez,

  • minimálisra csökkenti a második fokozat rezonanciájának „élességét”, amellyel megkönnyíti a szabályozóhurok kompenzációjának tervezését.

 

Ha az áram váltakozó áramú összetevőjét – csúcstól csúcsig mérve – 1 A-re (a névleges terhelőáram 20%-ára) állítjuk be, ebből a kimeneti induktivitás (L1) értékére 6,8 μH adódik. Ennek impedanciája a kapcsolási frekvencián 24 Ω. Ahhoz, hogy az első szűrőfokozat csillapítása 60 dB legyen, a kapcsolási frekvencián 24 mΩ impedancia szükséges, amelyet egy nagyjából 10 μF-os kondenzátorral lehet megvalósítani. A korábban eldöntött C1:C2 arányból (1:10) kiszámítható a második szűrőfokozat C2 kapacitása (100 μF), ami a kapcsolási frekvencia alapharmonikusán 2,8 mΩ impedanciájú. A 2. szűrőfokozat induktivitását (L2) úgy választjuk meg, hogy a csillapítás értéke kissé haladja meg a szükséges 35 dB értéket, mivel a második fokozatot még csillapítanunk is kell az RD ellenállással. 40 dB-es csillapításhoz 240 mΩ induktív impedancia szükséges, amelyet egy 68 nH értékű induktivitással lehet megvalósítani.

 

2.ábra

2. ábra Helyettesítő kép a hullámossági tulajdonságok szimulációjához


A laboratóriumi tesztáramkörben 220 nH értékű induktivitást használtunk, ami ad még egy kis tartalékot. Végül pedig a 2. fokozatot csillapítani is kell. Az értéket annak alapján választottuk, hogy a csillapító ellenállás értéke legyen egyenlő a második fokozat induktivitásának impedanciájával a kapcsolási frekvencián.
Itt az alkalom, hogy a P-SPICE szimulációs szoftverrel megvizsgáljuk, hogyan befolyásolják az alkatrészértékek a szűrő teljesítőképességét. A P-SPICE arra is használható, hogy az időtartományban szimuláljuk a feszültség váltakozó áramú komponensét, valamint arra is, hogy a szabályozóhurok viselkedését a frekvenciatartományban vizsgáljuk, amint azt a cikksorozat előző részében[1] is bemutattuk. A 2. ábra az időtartománybeli szimulációhoz szükséges helyettesítő képet mutatja. A szűrő alkatrészei és a terhelés közvetlenül felismerhetők. Két feszültségforrást (V1 és V2) használunk a feszültségcsökkentő tápegység teljesítményfokozatának szimulációjára. A V2 a tápegység kimeneti feszültségét állítja be kezdeti feltételként, amely közvetlenül átjut a szűrőn, míg a V1 a tápegység teljesítménykapcsolójának hatását szimulálja. A kapcsolási periódusidőt 1,75 μs-ra állítottuk be, amely jól közelíti az 570 kHz frekvenciájú kapcsolójel periódusidejét; a kitöltési tényezőt pontosan 25%-ra választottuk. A 3. ábra mutatja a szimuláció eredményét, amely hasonló az első körben elvégzett számításainkéhoz. A szimuláció pontosságát tovább javíthatjuk, ha az alkatrészek parazita komponenseit, például a kondenzátorok ekvivalens soros ellenállását (ESR) és induktivitását (ESL), valamint az induktivitások szórt kapacitását is bevonjuk a szimulációba. Ezek alapján az várható, hogy a szűrés csillapításának további növelése szükséges, különösen akkor, ha a C2 ESL-jét is figyelembe vesszük.

 

3.ábra

3. ábra A szimulált eredmény jól egybeesik a kézi számításéval


Ez a szimuláció – tréfásan szólva – amolyan „hősies”, de önmagában nem elegendő „erőlködés” a kapcsoló-
üzemű tápegység kimeneti zajának 100 μV alá történő „szelidítésére”. Ugyanis a szűrő alkatrészeinek parazita komponensei, valamint a második szűrőfokozatra kapacitív és induktív csatolással közvetlenül „rászóródó” zaj hatása jelentősen rontja a szűrő csillapítását a szimulált értékhez képest. Ezért nagyon valószínű, hogy a második fokozatot és a terhelést árnyékolással kell védenünk a rendszer többi részétől. Ezenkívül fontos az is, hogy olyan kondenzátorokat válasszunk, amelyeknek kicsi az ekvivalens soros induktivitásuk.
Összefoglalva, a P-SPICE jó kiindulópont lehet egy tápegység kimenetére kapcsolódó kétfokozatú szűrő tervezésénél. A bemutatott módszer időtartománybeli szimulációval jelezte előre a kimeneti feszültség hullámosságának mértékét. Olyan tervezési stratégiát javasoltunk, amely maximalizálja a kapacitást a második fokozatban, és külön gondoskodik annak csillapításáról. A sorozat következő részében megmutatjuk, hogyan segít ez a stratégia a tápegység sávszélességének növelésében, és hogyan csökkenti minimális mértékűre azoknak a kapacitásoknak a hatását, amelyeket a felhasználó ad hozzá a kimeneti terheléshez.

 

Robert KollmanTexas Instruments

www.ti.com/power-ca

 


[1] Teljesítményelektronikai ötletek – 52. Magyar Elektronika 2016. 3. 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

52. 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.