magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

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

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 30 resz

Sokszor fel sem tűnik, hogy a mérnöki munka során hányszor kell kompromisszumkereséssel megoldanunk egy-egy feladatot. Robert Kollman teljesítményelektronikai ötletsorozatának ez a folytatása ezúttal (is) egy ilyen feladaton vezeti végig az olvasót – ezúttal kissé a teljesítményelektronikai integráltáramkör-tervezők fejével gondolkodva.

.

 

Találjuk meg a szinkron feszültségcsökkentő áramkör MOSFET-jeinek helyes ellenállásarányát

 

Ebben a cikkben azt keressük, hogyan lehet optimálisan beállítani egy szinkron feszültségcsökkentő DC/DC-feszültségszabályozó vezetési teljesítményveszteségét a kitöltési tényező és a fet jellemző ellenállásainak aránya függvényében. Ennek a kompromisszumkeresésnek az eredménye hasznos kiindulópontul szolgálhat az alkalmas kapcsolófet típusválasztásához.
    A tervezési folyamat kiindulópontjaként rendszerint megkapjuk a specifi­kációs követelményeket, köztük a bemeneti feszültségtartományt és az előírt kimeneti feszültséget, és az a feladatunk, hogy ennek alapján válasszuk ki a megfelelő kapcsolófet típust. Ugyancsak gyakori, hogy megkapjuk a tervezett áramkör költségkeretét, amely a fet maximális beszerzési árát is tartalmazza, de – például IC-tervezésnél – a tokozat (és ezáltal a csip maximális mérete) is előírt paraméter lehet. Mindezek a bemenő adatok arra használhatók fel, hogy a hatásfok maximalizálása érdekében optimálisan oszthassuk fel a kapcsoló MOSFET-ek számára rendelkezésre álló, korlátozott csipterületet.
    Egy fet ellenállása első közelítésben fordítottan arányos a csip területével. Eszerint tehát, ha – például IC-tervezésnél – előre megszabott terület áll rendelkezésünkre a teljesítménykapcsoló fetek számára, és a felsőoldali teljesítménykapcsolót  ellenállásának csökkentése érdekében nagyobbra méretezzük, ez az alsóoldali kapcsolófettől veszi el a területet, amelynek ellenállása ennek következtében növekszik. Másodszor azoknak az időtartamoknak az aránya, amely alatt a felső- vagy alsóoldali kapcsoló vezet, a kimeneti és a bemeneti feszültség arányától (VOUT/VIN – konverziós tényező) függ, amely első közelítésben egyenlő a felsőoldali kapcsoló bekapcsolt állapotának D kitöltési tényezőjével. A felsőoldali fet tehát az idő D hányadát tölti vezető állapotban, míg az alsóoldali fetre né­zve a teljes idő (1-D)-szerese a bekapcsolt állapot időtartama. Az 1. ábra  vízszintes tengelyén a normalizált vezetési veszteség látható annak a fet alapterületnek a függvényében, amennyit a felsőoldali MOSFET-kapcsoló megvalósítására tartunk fenn; a görbesereg egyes görbéi pedig a konverziós tényező különböző értékeihez tartoznak. Nyilvánvaló, hogy a konverziós tényező valamely rögzített értékéhez a csipterület felső- és alsóoldali kapcsolófet közötti felosztásának egy optimális aránya rendelhető, amelynél a teljes áramkör összes vezetési vesztesége minimális értékű. Érthető, hogy ez a felosztás meglehetősen kritikus például egy olyan áramkörnél, amely 12 V-os bemenőfeszültségből 1,2 V-os kimenetet állít elő (ehhez nagyjából 10%-os kitöltési tényező tartozik). Ha viszont a kimenőfeszültséget – a csipterületek változatlan aránya mellett – 3,6 V-ra növeljük, a vezetési veszteség 30%-kal, ha pedig 6 V-os kimenőfeszültséget választunk, 80%-kal növekszik meg. Végül is jó, ha észrevesszük, hogy az összes görbe ugyanazon a ponton metszi egymást, ahol 50-50% arányban osztjuk fel a csiperületet a felső- és alsóoldali kapcsolófet között. Ennek az az oka, hogy a két fet ellenállása ebben az esetben azonos.
    Az 1. ábrából leolvashatjuk tehát, hogy a legrosszabb esetben az optimalizált vezetési veszteség az 50%-os konverziós aránynál adódik. Viszont lehetőségünk van arra, hogy a vezetési veszteséget – az 50%-tól eltérő konverziós arányoknál – e szint alá csökkentsük.

 

1.ábra A vezetési veszteség a fetek ellenállásaránya és a kitöltési  tényező függvényében

1.ábra A vezetési veszteség a fetek ellenállásaránya és a kitöltési tényező függvényében

 

2.ábra Létezik egy optimális arány adott konverziós tényező esetében. (Megjegyzés: az ellenállások aránya a csipterületek arányának reciprok értéke)

2.ábra Létezik egy optimális arány adott konverziós tényező esetében. (Megjegyzés: az ellenállások aránya a csipterületek arányának reciprok értéke)


A függelék tartalmazza az optimalizálás matematikai hátterét, az eredményt pedig a 2. ábra mutatja. Eszerint extrém kis értékű konverziós arányok esetében a fetek számára fenntartott csipterületnek jóval nagyobb hányadát kell a felsőoldali fet megvalósítására felhasználni. Hasonlóképpen a konverziós arány magas értékeinél a fetek számára fenntartott területből az alsóoldali kapcsoló részére kell a nagyobb területet fenntartani. Ezek az eredmények természetesen csak első közelítésnek tekintendők, mivel egyáltalán nem veszik figyelembe például a felső- és alsóoldali kapcsolók fajlagos ellenállása közötti különbséget. Ez utóbbinak pedig következményei vannak a kapcsolási sebességre, valamint az árra és a tokozással összefüggő ellenállásértékekre nézve is. Ennek ellenére ez a számítás jó kiindulópontot jelent a két kapcsolófet ellenállásai közötti arány megállapításánál, vagy – diszkrét áramköri elemekben gondolkodva – a fetek típusának megválasztásánál.

 

texas3

 

A következő folytatásban megtárgyaljuk a SEPIC-feszültségsza­bályozóhoz szükséges csatolt tekercsek szórt induktivitására vonakozó követelményeket. Erről – és más teljesítményelektronikai megoldásokról is – az alábbi weblapon találnak további információt.


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

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

27. rész

28. rész

29. 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