magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 71 reszVálasszunk megfelelő egyenirányítót a többkimenetű flyback-átalakítókhoz

Sorozatunk 69. részében megvizsgáltuk, hogyan használható a súlyozott visszacsatolás a többkimenetű flyback-feszültségátalakítók keresztszabályozásának[1] javítására. Egy másik fontos tervezési szempont a kimeneti egyenirányítók helyes megválasztása, mivel ez is befolyásolja a keresztszabályozás összefüggését a terheléssel, a hőmérséklettel, a hatásfokkal és a transzformátor tervezésével. Tekintsük most át ezeket a kölcsönhatásokat egy flyback szabályozón, amely 3,3 V/0,5 A-es és 5 V/2 A-es kimenettel rendelkezik.

 

Vizsgált áramkörünkhöz (1. ábra) egyenirányítókat választunk a D1 és D3 pozícióra, majd meghatározzuk a transzformátor 3,3 V-os és az 5 V-os kimenetekhez tartozó menetszámarányait. Az első, amit el kell döntenünk, az egyenirányítók szükséges feszültségtűrése. Ezt a paramétert a következők határozzák meg: a kimeneti feszültség és a primer tekercs felől „visszatükrözött” feszültség különbsége, amelyet a lengések és a paraméterromlás miatt biztonsági ráhagyással növelünk meg. Ezt figyelembe véve 30 V-os megengedett zárófeszültségű diódák szükségesek a 3,3 V-os, és 40 V-osak az 5 V-os kimenethez.

 

01 abra TI

1. ábra A kétkimenetű flyback tápegységnél megvalósított keresztszabályozás költségmegtakarítást hoz

 

Ezután kiválasztjuk az egyenirányító jellegét a következők közül: ultragyors feléledésű dióda, Schottky-dióda vagy MOSFET.
A 2. ábra mutatja mindegyik változat áram-feszültség-karakterisztikáját széles áramtartományban, –40…+125 °C hőmérsékleten. Az a maximális áram, amit a tápegységnek szolgáltatnia kell, rendszerint adott, viszont a minimális áramra vonatkozó követelményről alig kapunk támpontot azonkívül, hogy a tápegységnek néha terheletlenül is működnie kell. Emiatt jelentős változásokra kell számítani a feszültségesésben, amely tönkreteszi a szabályozás minőségét, mégpedig – amint azt látni fogjuk – különösen a kisfeszültségű kimeneten.
A tervezők gyakran előterhelő ellenállásokat tesznek a tápegység kimenetére a terhelőáram-tartomány korlátozása érdekében. Azt is figyelembe kell venni, hogy a nem folytonos működésű flyback-áramkörök esetén a dióda csúcsárama a kimeneti terhelőáram négyszerese, azaz 1 A-es kimeneti áramnál a diódának 4 A csúcsáramot kell elviselnie. A 2. ábrán a gyors feléledésű (fast recovery) diódának a legnagyobb a feszültségesése, amely 0,6 V-os feszültségváltozást okoz az előírt áramtartományban. A Schottky-dióda feszültségesése kisebb az előbbinél, bár még ez is 0,4 V feszültségváltozást okoz a terhelőáram-tartomány szélső értékei között.
A legkisebb feszültségesést a MOSFET adja, ezért ez okozza a legkisebb kimenőfeszültség-változást. Ugyanakkor ez a legköltségesebb mindhárom közt, ráadásul meghajtóáramkört is igényel, ami tovább növeli az anyagköltséget és az áramkör méreteit.

 

1 tablazat TI

1. táblázat Az egyenirányítón eső feszültség nagy változásai lerontják a keresztszabályozás minőségét

 

Miután tisztáztuk a különféle egyenirányítók feszültségesésének mértékét, határozzuk meg a transzformátor szekunder menetszámát. A minimális menetszámot a telítés által maximált fluxusváltozás vagy a vasveszteség határozza meg. Ezt a minimális menetszámot felhasználva építhetjük fel az 1. táblázatot. Az 1. esetben ez a táblázat egy menetet tételez fel a transzformátor 3,3 V-os és 5 V-os kimenete között, és az 5 V-os kimenetet a tökéletesen szabályozott 3,3 V-os kimenőfeszültség feltételezésével mutatja. Ilyenkor az 5 V-os kimenet 5,2 V-ra növekszik (ami 4% értékhibának felel meg) a diódák névleges feszültségesése és kétmenetes, 3,3 V-os tekercs esetén. A hiba valójában ennél nagyobb, amelyet olyan parazitikus hatások okoznak, mint a transzformátortekercs ellenállása és induktivitása.
A 2. eset a feszültség szélső értékeit mutatja nagy terhelésű 3,3 V-os és kis terhelésű 5 V-os kimenet esetén. A hiba ez esetben 13%. A 3. és 4. esetben az 5 V-os kimeneten a Schottky diódát gyors feléledésű diódára cseréltük, ami nem túl fényes eredményre vezet: a névleges értéknél mérsékelt emelkedést tapasztalunk, de a legrosszabb esetben 20%-os csökkenés adódik.
A 5-8. esetben korrigáltuk a menetszámokat annak érdekében, hogy jobb kombinációt találjunk. A 7. és a 8. esetek egyértelműen jobb eredményt adnak a maguk 5%-os értékhibájával. Ebben kompromisszumot kell kötnünk, mivel a nagyobb menetszámokkal jelentősen megnövekszik a szekunder tekercs rézvesztesége (a tekercs ohmos ellenállásán eső feszültség – A ford. megj.) Minden menet keresztmetszete megfeleződik, kétszeresére növelve a menetenkénti ellenállást. Továbbá a tekercselt huzalhossz is megkétszereződik, amely ismét csak megkétszerezi az ellenállást. A végeredmény az, hogy az értékhiba négyszeresére növekszik. A 9. eset adja a legjobb eredményt, amely a MOSFET kis feszültségesésének köszönhető: a névleges feszültségesésnél nincs beállítási hiba.

 

02 abra TI

2. ábra A MOSFET csillapítja az egyenirányítón eső feszültség változását, amely tönkretenné a keresztszabályozás minőségét

 

Összegzés

A kisfeszültségű flyback feszültségátalakítók egyenirányítóin eső feszültség jelentősen lerontja a keresztszabályozás minőségét.
A problémát tovább bonyolítja, ha a terhelőáram széles tartományban változik, amelynek következtében az egyenirányító nyitófeszültsége nagy mértékben változik. Az előterhelés segíthet a maximális és minimális terhelőáramok arányának csökkentésével, amelynek ára a teljesítményveszteség növekedése és a hatásfok csökkenése. A legjobb szabályozási eredményt a kis feszültségesésű egyenirányítókkal érhetjük el.
A szinkronegyenirányítóként használt MOSFET-ek adják a legjobb eredményt, amelyet viszont az ár, a bonyolultság és a méretek növekedésével kell megfizetnünk. Az ezt követő legjobb választás a Schottky dióda, a legkevésbé kedvező pedig a rétegdióda. Ezentúl a transzformátor menetszámait iteratív módszerrel lehet optimalizálni, amely kompromisszumkeresés az értékbeállítási pontosság és a transzformátor veszteségei között.
További részleteket talál az olvasó a Texas Instruments portál PowerLab blogjában, és ha már úgyis arra jár, tekintse meg a közel 1400 megépített, letesztelt és dokumentált, szabadon felhasználható referenciatervből álló választékot.

A következő részben megvizsgáljuk, miért érdemes szinkronizálni a tápegységeket.

 

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat 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

53. rész

54. rész

55. rész

56. rész

57. rész

58. rész

59. rész

60. rész

61. rész

62. rész

63. rész

64. rész

65. rész

66. rész

67. rész

68. rész

69. rész

70. rész

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítmény-elektronikában 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 BSEE diplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett.
A cikksorozattal kapcsolatban a  powertips@list.ti.com címen érhető el.

 

 

[1]A „keresztszabályozás” minőségjellemző paraméter azt fejezi ki, hogy egy több kimenetű tápegység egyik kimenetén létrejött terhelésváltozás milyen arányban befolyásolja a másik kimenet feszültségét – A ford. megj.