magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

texas_01A prototípuskészítők rémálma, ha egy tápegység frissen elkészült „őspéldánya” rögtön a bekapcsoláskor „elszáll”, még a hiba elemzésére sem hagyva időt. Előfordulhat, hogy az ilyen eseményeket  nem tervezett rezonaciajelenségek okozzák. Cikksorozatának e havi folytatásában Robert az ilyen jelenségek „kivédésére” ad tanácsot.

 

 

.

 

 

Figyeljünk a „nem tervezett” rezonanciákra

 

Előfordult már önnel, hogy rákapcsolta a bemeneti feszültséget a tápegységre, majd azt tapasztalta, hogy az azon nyomban tönkrement? A bemeneti feszültség gyors felfutása és egy nagy jósági tényezőjű rezonáns áramkör valahol a tápegységben – ezek „találkozásakor” akár a bemeneti feszültség kétszerese is kialakulhat, és ez lehet a probléma forrása. Hasonló kárt okozhatunk azzal is, ha hirtelen megszakítjuk egy induktív alkatrész áramát. Ilyen jelenségekre számíthatunk például az üzem közben cserélhető (hot swap vagy hot plug) tápegységeknél, vagy ha megpróbáljuk nyitni egy elektromágneses zavarszűrő (EMI-szűrő) áramkörét.

 

texas_04

1. ábra Egy szűrő egységugrásra adott válaszfüggvénye olyan túlfeszültséget okoz, amely károsíthatja a továbbmenő elektronikát

 

Az 1. ábrán egy kapcsolóval megszakítható tápegységbemenet egyszerűsített helyettesítő képét láthatjuk. Az áramkör induktivitását akár szándékosan beépített alkatrész is adhatja, de előfordulhat, hogy egy hosszú hozzávezetés parazita hatása jelentkezik például egy Etherneten vezetett tápellátás (Power over Ethernet – PoE) esetében. Az ábrán az is látható, hogy egységugrás-alakú bemeneti feszültség hatására hogyan alakul a kimeneti feszültség egynél kisebb csillapítási tényezőt feltételezve (ha a csillapítási tényező egynél nagyobb, nem alakul ki túllövés). Az egynél kisebb csillapítású esethez tartozó kimeneti időfüggvény az alábbi egyenlet szerint alakul:

 

texas_02

 

Az ábrán tehát egy soros rezgőkört látunk, amelynek Q jósági tényezője egyszerűen meghatározható. Ehhez a rezgőkör karakterisztikus impedanciáját kell a soros ellenállással elosztani:

 

texas_03

 

Egy nagy Q jósági tényezőjű (kis csillapítású) rendszer alulcsillapított viselkedésű, ezért a szűrő kimeneti feszültségének túllövése a bemeneti egységugrás-feszültség (Vin) kétszeresét is elérheti. Egy kisebb jóságú, erősebben csillapított rendszer korlátozza a feszültség túllendülésének mértékét.

A 2. ábra a túllövés százalékos értékét mutatja a csillapítási arány függvényében. Ebből látható, hogy ha a csillapítás értéke 0,4 (Q = 1,25), a feszültségtúllövés mértéke a bemeneti ugrásfeszültség 130%-ára korlátozódik. Egyszerű megoldásnak tűnik a csillapító-ellenállás megnövelése, azonban ez mégsem mindig célszerű, mint ahogy a kondenzátorral sorosan kapcsolt ellenállás sem az. Ha az áramkör nem tudja elviselni a mesterségesen bevitt veszteséget, további áramköri elemek beépítésére van szükség. Például az áramkör csillapítását úgy is lehet növelni, hogy a C1 kapacitással párhuzamosan soros RC-tagot építünk be. Használhatunk ezenkívül olyan „hot swap-áramkört”, amely korlátozza a szűrőn folyó áram csúcsértékét, vagy diódát kapcsolhatunk az induktivitással párhuzamosan, amelyen keresztül a kapacitás kis forrásimpedanciával töltődhet.

 

texas_05

2. ábra Növekvő csillapítás (=csökkenő jósági tényező) csökkenti a túllövést

 

A dolgok nem mindig olyan rosszak, mint amilyennek látszanak. Amikor például az induktivitáson folyó áram annyira megnövekszik, hogy annak vasmagja telítésbe mágneseződik, a kondenzátor a vártnál jóval kisebb induktivitáson keresztül töltődhet. Telített induktivitásnál a szűrő karakterisztikus impedanciája és a jósági tényező erősen lecsökken, amelynek eredménye a kisebb túllövés. Annak ellenőrzésére, hogy egy nagy jósági tényezőjű rendszer hogyan viselkedik, a bekapcsolási áramlökést számítsuk ki úgy, hogy a bemeneti feszültségugrást osszuk el a helyettesítő képből számított karakterisztikus impedanciával. Ez a legrosszabb eset. Az induktivitás adatlapjából kiderül, hogy ennél az áramerősségnél történik-e telítődés.

Összegzés

A szűrők bemenetére kapcsolt ugrásfeszültség olyan csillapodó rezgés okozója lehet, amely kárt okozhat a továbbmenő elektro-nikában. Ez a probléma fokozottan jelentkezik az olyan rendszerekénél, mint a PoE, ahol kis veszteségű kapacitásokat használnak, a szórt, parazita induktivitások pedig – vasmag hiányában – nem telítődnek. Ha a feszültség elfogadhatatlanul magas szintet ér el (azaz túllépi a továbbmenő elektronika határadatait), a rendszerbe járulékos csillapítást kell beépíteni – áramkorlátozást vagy alternatív töltőáramutat jelentő diódát. Az alábbiakban közlünk egy egyszerű módszert, amellyel a probléma felderíthető.

      • Döntsük el, hogy a rendszerünk ki van-e téve alacsony forrásimpedanciájú meghajtásból származó, ugrásszerű bemeneti feszültségváltozásnak, és határozzuk meg a várható felfutási időt. A feszültségugrás tipikusan az üzem közben cserélhető (hot swap) vagy kapcsolt bemeneti feszültségnél fordul elő.

      • Végezzünk becslést a bemenettel soros induktivitásnak és a szűrő kapacitásának értékére. A kábelinduktivitást 6 nH/cm értékkel vehetjük figyelembe.

      • Határozzuk meg a teljes ellenállást az induktivitás, a kábel és a csatlakozó ellenállásainak és a kondenzátor ekvivalens soros veszteségi ellenállásának (ESR) összegzésével.

      • Számítsuk ki a rezonanciafrekvenciát, és határozzuk meg, hogy a bemeneti feszültség felfutási ideje sokkal rövidebb-e a szűrő válaszfüggvényének felfutási meredekségénél.

      • Számítsuk ki a csillapítási tényezőt, és a 2. ábra diagramjáról olvassuk le az ehhez tartozó túllövés értékét.

       

      Olvassa el következő folytatásunkat is, ahol a hibajelerősítők különféle konfigurációval 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

      18. 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.