magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

texas_powertips_cikksorozat_lid_melletti_abra_18_reszA tápegységek tervezői tipikusan pozitív tápfeszültségek előállításához  vannak szokva. Jóval ritkábban van szükség negatív tápfeszültségre. Még ritkább, ha az utóbbiból is többfélét és aránylag nagy abszolútértékűt kell előállítani szigorú ár, hatásfok és szabályozási pontossági követelményekkel. Erre ad ötletet a sorozat újabb folytatásában a szerző.

.

 

 

 

Hogyan állítsunk elő egyszerűen több negatív tápfeszültséget?

 

Mi a feladat?

Az IP-protokollos, internetes hangátvitelen alapuló (VoIP-) telefonok tervezésénél visszatérő probléma a több különféle, nagy abszolút értékű, negatív tápfeszültség előállítása. Ezek a tápfeszültségek hajtják meg ugyanis a telefonvonalat. Általában szükség van egy –24 V-os tápfeszültségre, amely a hurokáramot táplálja beszélgetés-üzemmódban, és egy vagy két további negatív tápfeszültségre a telefoncsengő táplálásához. A feladat jellegéből fakad, hogy ezeken a tápfeszültségeken időben egymást kizáró módon jelenik meg terhelés: nem csengetünk beszélgetés-üzemmódban és viszont. Ha ezzel szemben egy rendszeren belül több telefonvonalat is kezelni kell, az előbbi egyszerű helyzethez képest többféle terhelési kombináció is előfordulhat. Ezeket a rendszereket általában egy 12 V-os forrásból táplálják, amely önmagában is szigetelt a saját tápforrásától, ezért a negatív tápfeszültségeket előállító egységnek már nem kell szigeteltnek lennie. A teljesítményigény rendszerint kisebb 25 W-nál, a szabályozási pontosságnak pedig mindhárom tápfeszültségre nézve 10%-on belül kell lennie.

 

Miért nem jó a flyback-topológia?

Az alkalmazás megvalósítására a flyback-topológia magától értetődő választásnak tűnik. Először is a flyback alkalmas a kívánt teljesítményszint előállítására, több negatív tápfeszültségre is könnyen tervezhető, és nem lényegtelen, hogy a flyback-topológia működése könnyen érthető. Ugyanakkor a flyback alkalmazása bizonyos problémákat is felvet: a teljesítménykapcsoló feszültségtranziensei nincsenek korlátozva, és jelentős „lecsengésre” (csillapodó rezgéssel történő beállásra) is számítani kell. Ezért rendszerint kétfokozatú kimeneti szűrőt kell felépíteni, és a „keresztreguláció” (az egyik terhelésnek a másik tápfeszültségre gyakorolt hatásából számított szabályozási tényező) a 3%-ot rendszerint bőven meghaladja.

 

Mi a megoldás?

Az 1. ábrán egy alternatív megközelítést láthatunk. A topológia működésének és kellemes tulajdonságainak megértéséhez tételezzük fel először, hogy egyedül a –27 V-os kimeneten van terhelés. A C16 kondenzátor Q1 teljesítménykapcsolón kikapcsoláskor „megfogja” a feszültségugrást, a kapcsoló bekapcsolásakor pedig megakadályozza az ugrást a D2 kimeneti egyenirányítón. Ebből következik, hogy a flyback-topológiára jellemző „lecsengő” beállás nem jelentkezik. Az is előnyös, hogy a csatolt tekercsen az áram ugrásszerűen nem változhat, tehát a be- és kimeneti áramban sincs ugrás, amit sokkal egyszerűbb felépítésű be- és kimeneti szűrővel lehet szűrni. Ezt a topológiát C’uk-konverternek nevezik. Megvalósításának a leggyakoribb akadálya az, hogy a tervezőmérnökök rendszerint nem értik jól a működését. Ez a legfőbb oka annak, hogy a C’uk-konverter megoldást csak ritkán választja a fejlesztő, sőt még tervezési alternatívaként is alig jön számításba.

ti_powertips_18_1_abra_ok

1. ábra A szokatlan topológia igen jó keresztstabilitást produkál

 

Egy VoIP-telefon tipikus tömegcikk, amelynek tervezésekor erős nyomás nehezedik a tervezőre, hogy kis anyagköltségű készüléket tervezzen. Ezért a tápegysége is rendkívül árérzékeny. Az eszköz rendszerint akkumulátoros táplálású, amelynek tervezésekor minden wattért „harcolni” kell, tehát kicsiny a megengedett teljesítményveszteség. A keresztstabilitációra is magas a követelmény (az 5%-ot nem haladhatja meg), és  a készülék felé irányuló adatfolyamot érzékelő „downstream”-erősítők védettségéről megbízhatóan kell gondoskodni. A követelményeknek ez a kombinációja nehezen teljesíthető egy egyszerű flybackkonverterrel, amely egyrészt lecsengő túllövéseket állít elő a teljesítménykapcsolón. A keresztstabilitás fokozására használt „olcsó” módszert, a terhelőáram relatív változásait csökkentő előterhelések alkalmazását teljesítményveszteséggel kell megfizetnünk, a kimenet további aktív stabilizálása pedig az anyagköltséget növeli. Ezzel szemben a C’uk-konverter – amint az 1. táblázaton is látható – jobban teljesít ebben az alkalmazásban.

 

ti_powertips_18_1_tablazat_ok

1. táblázat A kimeneti feszültségek relatív változása minden terheléskombinációban kisebb 5%-nál

 

A táblázat a keresztreguláció értékeit mutatja a legrosszabb terhelési kombinációt jelentő szélsőséges értékeknél. A példákban a kimeneti feszültségek egyenlő mértékben vannak szabályozva, amelyről az R17, R18 és R20 ellenállásokkal súlyozott áramok gondoskodnak. Ez középre tolja a hibasávot és 5%-nál jobb keresztregulációt tesz lehetővé előterhelés vagy további aktív szabályozóelemek beépítése nélkül. Az ellenállásarányok megváltoztatásával növelni lehet valamelyik kimenet stabilizációs pontosságát a többi kimenet pontosságának rovására. A hatásfok 2%-kal haladja meg a flyback-áramkörét még akkor is, ha feltételezzük, hogy a flyback-stabilizátort előterhelés nélkül használjuk. Ráadásul mindezt az előnyt kisebb határfeszültségű kapcsolókkal és diódákkal – következésképpen olcsóbb alkatrészekkel – tudjuk elérni.

Összegzés

Bár nem gyakran alkalmazzák, a C’uk-konverter kiválóan meg felel az olyan esetekben, amely

  • nem igényel szigetelést,

  • pozitív bemeneti feszültséget negatívra konvertál,

  • több kimenete van,

  • jó keresztszabályozást várunk el tőle,

  • jó a hatásfoka, és végül

  • olcsó és kevés alkatrész felhasználásával kell megvalósítani.

Az áramkör működéséről és méretezéséről többet is megtudhat az olvasó a szerző és John Betten http://www.edn.com/article/CA84883.html webhelyen található „How to Make Residential Phones Regulate their own Power” című cikkéből.

A következő folytatásban a nemkívánatos rezgéseket mutató megoldások problémáival foglalkozunk.

 

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

 

 

 

 

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.

 

   
Advertisement