Témakör: Teljesítményelektronika
Hogyan tervez az okos hardvermérnök egyszerűen tápegységet?
Megjelent: 2021. augusztus 10.
Ez a „mini” bemutató áttekintést nyújt a tápegységek tervezésének lehetőségeiről, alapvető és gyakran használt szigetelt és nem szigetelt tápegység-topológiákkal, valamint azok előnyeivel és hátrányaival. Kitér az elektromágneses interferenciára (EMI) és a szűrési szempontokra is. A bemutató célja, hogy leegyszerűsítse a tápegységek tervezésének művészetét, és új nézőpontból ismertesse meg azt.
A legtöbb elektronikus rendszer valamilyen átalakítást igényel az energiaellátás feszültsége és a táplálandó áramkörök feszültsége között. Mivel a feszültségátalakítókat, más néven tápegységeket szinte minden elektronikus rendszerben használják, az évek során különböző célokra optimalizálták őket. Természetesen az optimalizálás szokásos céljai a megoldás méretének minimalizálása, az átalakítás hatékonyságának növelése, az EMI és a költségek csökkentése.
A legegyszerűbb tápegység: az LDO
A tápegységek egyik legegyszerűbb formája az LDO (low dropout) szabályozó. Az LDO-k lineáris szabályozók, szemben a kapcsolószabályozókkal. A lineáris szabályozók egy beállítható ellenállást helyeznek a bemeneti és a kimeneti feszültségek közé, ami azt jelenti, hogy a kimeneti feszültség fix, függetlenül attól, hogy a bemeneti feszültség hogyan változik, és milyen terhelési áram folyik az eszközön keresztül. Az 1. ábra mutatja ennek az egyszerű feszültségátalakítónak az alapelvét.
1. ábra A lineáris szabályozó egy feszültséget alakít át egy másik feszültséggé
Sok éven át egy tipikus áramátalakító egy 50 Hz-es vagy 60 Hz-es transzformátorból állt, amely az elektromos hálózathoz csatlakozott, és egy bizonyos tekercselési aránnyal nem szabályozott kimeneti feszültséget állított elő, amely néhány volttal magasabb volt, mint a rendszerben szükséges tápfeszültség. Ezután egy lineáris szabályozót alkalmaztak az elektronika által igényelt jól szabályozott feszültség átalakítására. A 2. ábra ennek a koncepciónak a blokkdiagramját mutatja.
A 2. ábrán látható alapfelépítéssel az a probléma, hogy az 50 Hz/60 Hz-es transzformátor viszonylag terjedelmes és drága. Emellett a lineáris szabályozó elég sok hőt termel, így a rendszer teljes hatásfoka alacsony, és a keletkező hőtől való szabadulás nagy rendszerteljesítmény mellett nehézkes.
2. ábra Egy hálózati transzformátor, amelyet egy lineáris szabályozó követ
A kapcsolóüzemű tápegység a megoldás
A 2. ábrán látható tápegységek hátrányainak elkerülésére találták fel a kapcsolóüzemű tápegységeket, amelyek nem hagyatkoznak az 50 Hz-es vagy 60 Hz-es váltakozó feszültségre. Egyenfeszültséget vagy egyenirányított váltakozó feszültséget magasabb frekvenciájú váltakozó feszültséggé alakítanak át a sokkal kisebb transzformátor érdekében, nem szigetelt rendszerekben a feszültséget egyenirányítják, és egy LC-szűrővel kimeneti egyenfeszültséget hoznak létre.
Előny a kis megoldási méret és a viszonylag alacsony költség. Az előállított váltakozó feszültségnek nem kell szinuszos feszültség-hullámformának lennie. Egy egyszerű PWM jelforma is tökéletesen működik, és könnyen előállítható egy PWM generátorral és egy kapcsolóval.
2000-ig a bipoláris tranzisztorok voltak a leggyakrabban használt kapcsoló eszközök. Jól működtek, de viszonylag lassú volt a kapcsolási átmenet sebessége. Nem voltak túl energiahatékonyak, a kapcsolási frekvenciát 50 kHz-re vagy esetleg 100 kHz-re korlátozták. Ma már a bipoláris tranzisztorok helyett kapcsoló MOSFET-eket használnak, amelyek sokkal gyorsabb kapcsolási átmenetet tesznek lehetővé, alacsonyabb kapcsolási veszteségeket eredményezve, és akár 5 MHz-es kapcsolási frekvenciát is elérve. Az ilyen magas kapcsolási frekvenciák lehetővé teszik nagyon kis méretű induktivitások és kondenzátorok használatát a teljesítményfokozatban.
A szabályozóváltás számos előnnyel jár. Általában energiahatékony feszültségátalakítást nyújtanak, lehetővé teszik a feszültség fel- és leszabályozását, továbbá viszonylag kompakt és alacsony költségű konstrukciókat kínálnak. Hátrányuk, hogy nem olyan egyszerű a tervezésük és optimalizálásuk, valamint a kapcsolási átmenetek és a kapcsolási frekvencia miatt EMI-t generálnak.
A kapcsolóüzemű tápegység-szabályozók elérhetősége, valamint az olyan tápegységtervezési eszközök, mint az LTpowerCAD® és az LTspice® nagymértékben leegyszerűsítették ezt a nehéz tervezési folyamatot. Ilyen eszközökkel a kapcsolóüzemű tápegységek áramköri tervezési folyamata félig automatizálható.
Izoláció a tápegységekben
Egy tápegység tervezésekor az első megválaszolandó kérdés, hogy szükséges-e galvanikus leválasztás vagy sem. A galvanikus leválasztást több okból is alkalmazzák. Biztonságosabbá teheti az áramköröket, lehetővé teszi a lebegő rendszer működését, és megakadályozza, hogy a zajos földáramok egy áramkörön belül különböző elektronikus eszközökön keresztül terjedjenek. A két leggyakoribb szigetelt topológia a flyback és a forward konverter. Nagyobb teljesítmény esetén azonban más izolált topológiákat, például push-pull, félhíd és teljes híd topológiákat használnak.
Ha nincs szükség galvanikus leválasztásra, a legtöbb esetben nem leválasztott topológiát használnak. A szigetelt topológiákhoz mindig transzformátorra van szükség, és az ilyen eszköz általában drága, terjedelmes, és gyakran nehéz beszerezni raktárról azt, ami pontosan megfelel az egyedi tápegység által igényelt követelményeknek.
Leggyakoribb topológiák, amikor nincs szükség szigetelésre
A leggyakoribb nem szigetelt kapcsolóüzemű tápegység-topológia a buck konverter. Ezt step-down átalakítóként is ismerik. Pozitív bemeneti feszültséget fogad, és a bemeneti feszültségnél alacsonyabb kimeneti feszültséget állít elő. Ez a három legalapvetőbb kapcsolóüzemű tápegység-topológia egyike, amelyhez csak két kapcsoló, egy induktivitás és két kondenzátor szükséges.
A 3. ábra mutatja ennek a topológiának az alapelvét. A magas oldali kapcsoló a bemenetről áramot impulzál, valamint a bemeneti feszültség és a földfeszültség között váltakozó kapcsolócsomóponti feszültséget generál. Az LC-szűrő a kapcsolócsomóponton lévő impulzusfeszültséget veszi, és egyenáramú kimeneti feszültséget állít elő. A magas oldali kapcsolót vezérlő PWM jel munkaszünetétől függően különböző szintű egyenáramú kimeneti feszültség keletkezik. Ez a DC-DC buck konverter nagyon energiatakarékos, viszonylag könnyen megépíthető, és kevés alkatrészt igényel.
3. ábra Egy egyszerű buck step-down konverterelv
A buck konverter a bemeneti oldalon impulzusos áramot ad, míg a kimeneti oldalon folyamatos áram érkezik az induktivitásból. Ez az oka annak, hogy a buck konverter a bemeneti oldalon nagyon zajos, a kimeneti oldalon pedig kevésbé. Ennek megértése fontos, amikor alacsony zajszintű rendszereket kell tervezni.
A buck topológia mellett a második alapvető topológia a boost vagy step-up topológia. Ez ugyanazt az öt alapvető teljesítménykomponenst használja, mint a buck konverter, de átrendezve úgy, hogy az induktivitás a bemeneti oldalon, a magas oldali kapcsoló pedig a kimeneti oldalon helyezkedik el. A boost topológiát ott alkalmazzák, ahol egy bizonyos bemeneti feszültséget magasabb kimeneti feszültségszintre kell emelni.
A boost konverter (4. ábra) kiválasztásakor fontos megjegyezni, hogy az adatlapjaikon mindig a maximális névleges kapcsolási áramot és nem a maximális kimeneti áramot adják meg. Egy buck átalakítóban a maximális kapcsolóáram közvetlenül kapcsolódik a maximálisan elérhető kimeneti áramhoz, függetlenül a bemeneti feszültség és a kimeneti feszültség közötti feszültségaránytól. Egy boost szabályozóban a feszültségarány közvetlenül befolyásolja a lehetséges maximális kimeneti áramot egy rögzített maximális kapcsolóáram alapján. A megfelelő boost szabályozó IC kiválasztásakor nemcsak a kívánt kimeneti áramot, hanem a fejlesztés alatt álló kialakítás bemeneti és kimeneti feszültségét is ismerni kell.
4. ábra Egy egyszerű boost up konverterelv
A boost átalakító nagyon alacsony zajszintű a bemeneti oldalon, mivel a bemeneti csatlakozással soros induktivitás megakadályozza az átfolyó áram gyors változásait. A kimeneti oldalon azonban ez a topológia meglehetősen zajos. Csak a külső kapcsolón keresztül látunk impulzusszerű áramváltozásokat, és így a kimeneti hullámzás nagyobb gondot jelent a buck topológiához képest.
A harmadik alaptopológia, amely csak az öt alapkomponensből áll, az invertáló buck-boost konverter. A név onnan ered, hogy ez az átalakító a pozitív bemeneti feszültséget negatív kimeneti feszültséggé alakítja át. Emellett a bemeneti feszültség lehet magasabb vagy alacsonyabb, mint az invertált kimeneti feszültség abszolút értéke. Például a bemeneten lévő 5 vagy 24 V-ból 12 V kimeneti feszültséget lehet előállítani. Ez különösebb áramköri módosítások nélkül lehetséges. Az 5. ábra mutatja az invertáló buck-boost konverter áramköri koncepcióját.
Az invertáló buck-boost topológiában az induktivitás a kapcsolócsomóponttól a földhöz csatlakoztatott. Az átalakítónak mind a bemeneti, mind a kimeneti oldalán impulzusáram folyik, így ez a topológia viszonylag zajos mind a bemeneti, mind a kimeneti oldalon. Az alacsony zajszintű alkalmazásokban ezt a jelleget további bemeneti és kimeneti szűrés hozzáadásával kompenzálják.
Az invertáló buck-boost topológia egyik nagyon pozitív aspektusa az, hogy bármilyen buck kapcsolószabályozó IC használható ilyen átalakítóhoz. Ez olyan egyszerű, mint a buck áramkör kimeneti feszültségének csatlakoztatása a rendszer földeléséhez. A buck IC áramkör földje lesz a beállított negatív feszültség. Ez a tulajdonság széles lehetőséget nyújt a piacon lévő kapcsolószabályozó IC-k közötti kiválasztásban.
5. ábra Egy egyszerű invertáló buck-boost konverterelv
Speciális topológiák
A korábban tárgyalt három alapvető, nem szigetelt kapcsolóüzemű tápegység-topológián kívül még számos elrendezés létezik. Ezek mindegyike azonban további tápegységeket igényel. Ez jellemzően magasabb költséggel és alacsonyabb teljesítményátalakítási hatékonysággal jár. Bár vannak bizonyos kivételek, de általában véve a további alkatrészek hozzáadása a tápellátási útvonalhoz növeli a veszteségeket. Néhány, a legnépszerűbb topológiák közül: a SEPIC, a Zeta, a Ćuk és a 4 kapcsolós buck-boost. Ezek mindegyike – a három alaptopológia által nem kínált – további funkciókkal rendelkezik.
Az egyes topológiák legfontosabb jellemzői:
• SEPIC
A SEPIC pozitív bemeneti feszültségből pozitív kimeneti feszültséget tud előállítani, amely lehet magasabb vagy alacsonyabb a kimeneti feszültségnél. A SEPIC tápegység tervezéséhez boost szabályozó IC-ket lehet használni. Ennek a topológiának a hátránya, hogy szükség van egy második induktivitásra vagy egy kapcsolt induktivitásra és egy SEPIC kondenzátorra. (Single Ended Primary Inductor Converter)
• Zeta
A Zeta konverter hasonló a SEPIC-hez, de képes pozitív vagy negatív kimeneti feszültség előállítására. Emellett nem rendelkezik jobb félsíkú nullával (RHPZ), ezáltal egyszerűsíti a szabályozási hurkot. Egy ilyen topológiához egy buck konverter IC használható.
• Ćuk
A Ćuk konverter a pozitív bemeneti feszültséget negatív kimeneti feszültséggé invertálja. Két induktivitást használ, egyet a bemeneti oldalon és egyet a kimeneti oldalon, így a bemeneti és a kimeneti oldalon meglehetősen alacsony zajszintet biztosít. Hátránya, hogy nem túl sok kapcsolóüzemű teljesítményátalakító IC támogatja ezt a topológiát, mivel a szabályozási hurokhoz negatív feszültség-visszacsatolási lábra van szükség. (Nevét Slobodan Ćukról, a California Institute of Technology munkatársáról kapta.)
• 4-kapcsolós Buck-Boost
Ez az átalakítótípus meglehetősen népszerűvé vált az elmúlt években. Pozitív bemeneti feszültségből pozitív kimeneti feszültséget kínál. A bemeneti feszültség lehet magasabb vagy alacsonyabb, mint a beállított kimeneti feszültség. Ez az átalakító sok SEPIC-konstrukciót helyettesít, mivel nagyobb teljesít-ményátalakítási hatékonyságot kínál, és csak egy induktivitás szükséges.
A leggyakoribb szigetelt topológiák
A nem szigetelt topológiák mellett egyes alkalmazások galvanikusan szigetelt teljesítménykonvertereket is igényelnek. Ennek okai lehetnek biztonsági megfontolások, a lebegő földelés szükségessége nagyobb rendszerekben, ahol különböző áramkörök vannak összekapcsolva, vagy a földáramhurok megelőzése zajérzékeny alkalmazásokban. A leggyakoribb szigetelt átalakító topológiák a flyback és a forward átalakítók.
A flyback átalakítót jellemzően 60 W-ig terjedő teljesítményszinteknél alkalmazzák. Az áramkör úgy működik, hogy a bekapcsolási idő alatt az energia egy transzformátorban tárolódik. A kikapcsolási idő alatt ez az energia az átalakító szekunder oldalán szabadul fel, és táplálja a kimenetet. Ezt az átalakítót egyszerű megépíteni, de viszonylag nagy transzformátorokat igényel a megfelelő működéshez szükséges összes energia tárolásához. Ez a szempont a topológiát alacsonyabb teljesítményszintekre korlátozza. A 6. ábra felül egy flyback átalakítót, alul pedig egy forward átalakítót mutat.
6. ábra Flyback konverter (fent) és forward converter (lent)
A flyback konverter mellett a forward konverter is nagyon népszerű. Ez más módon használ transzformátort, mint a flyback.
A bekapcsolási idő alatt, miközben áram folyik a primer oldali tekercselésen keresztül, áram folyik a szekunder tekercselésen keresztül is. A transzformátor magjában nem szabad energiát tárolni. Minden egyes kapcsolási ciklus után meg kell győződnünk arról, hogy a mag összes mágnesezettsége nullára csökken, hogy a transzformátor ne tudjon telítődni több kapcsolási ciklus után. Ez az energia felszabadítása a magból különböző technológiákkal érhető el. Az egyik népszerű módszer az „aktív zár” (active clamp) használata egy kis kiegészítő kapcsolóval és kondenzátorral.
A 7. ábra az LTspice szimulációs környezetben az ADP1074-et használó forward aktív zár kialakításának vázlatát mutatja.
A forward konverterben a kimeneti útvonalba a flybackhez képest egy további induktivitás kerül, ahogyan az a 6. ábrán látható. Bár ez egy további alkatrész, amely hely- és költségvonzattal jár, a flyback konverterhez képest alacsonyabb zajszintű kimeneti feszültséget eredményez. Emellett a forward konverterhez szükséges transzformátor mérete is sokkal kisebb lehet, ugyanolyan teljesítményszint mellett, mint a flybacké.
7. ábra Az ADP1074-et alkalmazó forward aktívzár-áramkör izolált kimeneti feszültség előállítására, LTspice-ban szimulálva
Fejlett izolált topológiák
A flyback és a forward topológiák mellett nagyon sokféle transzformátoralapú galvanikusan leválasztott átalakító koncepció létezik. Az alábbi lista néhány nagyon alapvető magyarázatot ad a leggyakoribb átalakítókról:
• Push-Pull
A push-pull topológia hasonló a forward konverterhez. Azonban egy low-side kapcsoló helyett ez a topológia két aktív low-side kapcsolót igényel. Emellett egy középső csapolású primer transzformátor-tekercselésre van szükség. A push-pull előnye, hogy a forward konverterhez képest általában kisebb zajjal működik, és kisebb transzformátorra van szükség. A transzformátor BH-görbéjének hiszterézisét két kvadránsban használják ki, nem pedig csak egyben.
• Half-Bridge/Full-Bridge – fél híd/teljes híd
Ezt a két topológiát jellemzően nagyobb teljesítményű kialakításoknál alkalmazzák, néhány száz wattos teljesítménytől kezdve egészen néhány kilowattig. Ezek az alacsony oldali kapcsolók mellett magas oldali kapcsolókat is igényelnek, de kis transzformátorokkal viszonylag nagy teljesítményátvitelt tesznek lehetővé.
• ZVS
Ez a kifejezés gyakran felmerül, amikor nagy teljesítményű szigetelt átalakítókról beszélünk. A nulla feszültségű kapcsolást jelenti. Az ilyen átalakítók másik megnevezése az LLC (induktivitás-induktivitás-kondenzátor) átalakítók. Ezek az architektúrák nagyon magas hatásfokú átalakításra törekszenek. Rezonancia-áramkört hoznak létre, és úgy kapcsolják a teljesítménykapcsolókat, hogy a kapcsolókon átmenő feszültség vagy áram közel nulla, így a kapcsolási veszteségek minimálisra csökkennek. Az ilyen konstrukciókat azonban nehéz lehet megtervezni, és a kapcsolási frekvencia nem rögzített, ami néha EMI-problémákat eredményez.
Kapcsolt kondenzátoros átalakítók
A lineáris szabályozók és a kapcsolóüzemű tápegységek mellett létezik a teljesítményátalakítóknak egy harmadik csoportja is: a kapcsolt kondenzátoros átalakítók. Ezeket töltőszivattyúnak is nevezik. Kapcsolókat és kondenzátorokat használnak a feszültségek szorzására vagy invertálására. Nagy előnyük, hogy nincs szükségük induktivitásra. Az ilyen átalakítókat általában alacsony, 5 W alatti teljesítményszinteken használják. A közelmúltban azonban jelentős fejlesztések történtek, amelyek lehetővé teszik a sokkal nagyobb teljesítményű kapcsolt kondenzátoros átalakítók alkalmazását. A 8. ábra az LTC7820-at mutatja 120 W-os kivitelben, 98,5%-os hatásfokkal, 48 V-ot 24 V-ra alakítva.
Digitális tápegységek
Az ebben a cikkben tárgyalt tápegységek mindegyike megvalósítható analóg vagy digitális tápegységként. Mik is valójában a digitális tápegységek? A tápellátásnak mindig egy analóg tápfokozaton kell keresztülhaladnia kapcsolókkal, induktivitásokkal, transzformátorokkal és kondenzátorokkal. A digitális szempontot két digitális építőelem vezeti be. Az első a digitális interfész, amely lehetővé teszi, hogy egy elektronikus rendszer „beszéljen” és „figyeljen”, kommunikáljon a tápegységgel. A különböző paraméterek menet közben is beállíthatók, hogy a tápegységet a különböző működési körülményekhez optimalizálják. A tápegység kommunikálhat a főprocesszorral is, és figyelmeztető vagy hibajelzéseket adhat ki. Például a terhelőáramot, egy előre beállított küszöbérték átlépését vagy a tápegység túlzott hőmérsékletét a rendszer könnyen ellenőrizheti.
A második digitális építőelem az analóg szabályozási hurkot digitális hurokkal helyettesíti. Ez sikeresen működhet, de a legtöbb alkalmazás esetében az optimális egy szabványos analóg visszacsatolási hurok, néhány paraméterre gyakorolt digitális befolyással, például a hibaerősítő erősítésének menet közbeni beállításával vagy a hurokkompenzációs paraméterek dinamikus beállításával, hogy stabil, de gyors visszacsatolási hurkot lehessen létrehozni. A tisztán digitális szabályozási hurokkal rendelkező eszközre példa az Analog Devices ADP1046A áramköre. Egy példa egy digitálisan illesztett, digitális hatásokkal optimalizált analóg szabályozási hurokkal rendelkező buck szabályzóra az LTC3883 tipusú integrált áramkör.
8. ábra Az LTC7820 fix arányú, nagy teljesítményű töltőszivattyús DC-DC kontrollera
EMI megfontolások
Az elektromágneses interferencia (EMI) mindig olyan téma, amelyre a kapcsolóüzemű tápegységek tervezésekor figyelmet kell fordítani. Ennek oka, hogy a kapcsolóüzemű tápegységek nagyon rövid időn belül nagy áramáramot kapcsolnak be és ki. Minél gyorsabb a kapcsolás, annál jobb a rendszer teljes hatékonysága. A gyorsabb kapcsolási átmenetek csökkentik azt az időt, amely alatt a kapcsoló részben bekapcsolva van. Ez alatt a részleges bekapcsolási idő alatt keletkezik a legtöbb kapcsolási veszteség.
A 9. ábra egy kapcsolóüzemű tápegység kapcsolási csomópontjának hullámformáját mutatja. Képzeljünk el egy buck konvertert. A magas feszültséget a magas oldali kapcsolón keresztül folyó áram, az alacsony feszültséget pedig a magas oldali kapcsolón keresztül folyó áram hiánya határozza meg.
A 9. ábrán látható, hogy egy kapcsolóüzemű tápegység nemcsak a beállított kapcsolási frekvenciából származó zajt generál, hanem a kapcsolási átmenet sebességéből eredő zajt is, amely sokkal magasabb frekvenciájú. Míg a kapcsolási frekvencia általában 500 kHz és 3 MHz között mozog, a kapcsolási átmenet ideje néhány nanoszekundum hosszú lehet. 1 ns kapcsolási átmenetidő esetén 1 GHz-nek megfelelő frekvenciát látunk a spektrumban. Legalábbis mindkét frekvencia sugárzott és vezetett sugárzásként fog megjelenni. Más frekvenciák is megjelenhetnek, amelyek a szabályozási hurok rezgéséből vagy a tápegység és a szűrők közötti kölcsönhatásokból származnak.
Az EMI-t két okból kell csökkenteni. Az első ok az adott tápegység által táplált elektronikus rendszer működésének védelme. Például a rendszer jelútjában használt 16 bites ADC nem veheti fel a tápegységből származó kapcsolási zajt. A második ok az, hogy megfeleljen bizonyos EMI-előírásoknak, amelyeket a kormányok világszerte a különböző elektronikus rendszerek megbízható működésének egyidejű védelme érdekében hoztak.
Az EMI kétféle formában jelentkezik: sugárzott és vezetett EMI. A sugárzott EMI csökkentésének leghatékonyabb módja a NYÁK elrendezés optimalizálása és olyan technológiák alkalmazása, mint az Analog Devices Silent Switcher® technológiája. Természetesen az is hatékony, ha az áramkört árnyékolt fémdobozba helyezzük. Ez azonban nem feltétlenül praktikus, és a legtöbb esetben nagyon költséges.
A vezetéses EMI-t általában további szűréssel lehet csillapítani. A következő fejezetben a vezetéses sugárzás csökkentésére szolgáló további szűréseket tárgyaljuk.
9. ábra A kapcsolási átmenet sebessége és a kapcsolási frekvencia egy kapcsolóüzemű tápegységnél
Szűrés
Az RC-szűrők alapvetően aluláteresztő szűrők. A tápegységek tervezésénél azonban minden szűrő nem más, mint egy LC-szűrő. Gyakran elég, ha csak némi induktivitást adunk sorba, mivel az a kapcsolóüzemű tápegység bemeneti vagy kimeneti kondenzátorával együtt LC- vagy CLC-szűrőt alkot. Néha csak kondenzátorokat használnak szűrőként, de figyelembe véve a tápkábeleken vagy nyomvonalakon lévő parazitainduktivitást, egy kondenzátorral együtt szintén LC-szűrőt képezünk. Az L induktivitás lehet egy maggal rendelkező induktivitás, vagy lehet egy ferritgyöngy. Az LC-szűrő célja valóban az aluláteresztő hatás, hogy az egyenáram átfusson, és a magasabb frekvenciájú zavarok nagymértékben csillapodjanak. Az LC-szűrőnek kettős pólusa van, így 40 dB/dekád magas frekvenciájú csillapítást kapunk. Ennek a szűrőnek viszonylag éles lecsengése van. Egy szűrő tervezése nem rakétatudomány; mivel azonban az áramkör parazita-összetevői, például a nyomvonal-induktivitás hatása, a szűrő modellezése a főbb parazitahatások modellezését is megköveteli, ez elég időigényessé teheti a szűrő szimulálását. Sok szűrőtervezési tapasztalattal rendelkező tervező tudja, hogy mely szűrők váltak be korábban, és egy új tervezéshez iteratív módon optimalizálhatnak egy bizonyos szűrőt.
A szűrőtervezés során nemcsak a kis jelek viselkedését kell figyelembe venni, például a szűrő átviteli függvényét egy Bode-diagramon, hanem a nagy jelek hatására is oda kell figyelni. Minden LC-szűrőben a teljesítmény az induktivitáson keresztül halad át. Ha erre a teljesítményre a kimeneten már nincs szükség egy hirtelen terheléses tranziens miatt, az induktivitásban tárolt energiának valahová el kell mennie – feltölti a szűrő kapacitását. Ha a szűrőt nem a „legrosszabb esetekre” tervezték, akkor ez a tárolt energia feszültségtúllövéseket okozhat, amelyek esetleg károsíthatják az áramköröket.
Végül, a szűrőknek van egy bizonyos impedanciájuk. Ez az impedancia kölcsönhatásba lép a szűrőhöz csatlakoztatott teljesítménykonverterek impedanciájával. Ez a kölcsönhatás instabilitáshoz és rezgésekhez vezethet. Az Analog Devices által kínált szimulációs eszközök, mint például az LTspice és az LTpowerCAD nagy segítséget jelenthetnek mindezen kérdések megválaszolásában és a tökéletes szűrő megtervezésében.
A 10. ábra a szűrőtervező grafikus felhasználói felületét mutatja az LTpowerCAD tervezési környezetben. Ezzel az eszközzel a szűrőtervezés nagyon egyszerű.
10. ábra Bemeneti szűrő tervezése egy buck konverterhez az LTpowerCAD segítségével
Silent Switcher technológia
A kibocsátott sugárzást nehéz blokkolni. Speciális árnyékolásra van szükség valamilyen fémből készült anyaggal. Ez nagyon költséges lehet. A mérnökök sokáig keresték a módját annak, hogyan lehetne csökkenteni a kapcsolóüzemű tápegységek által keltett kisugárzást. Néhány évvel ezelőtt nagy áttörést jelentett a Silent Switcher technológia. A kapcsolóüzemű tápegységek „forró hurkaiban” lévő parazitainduktivitások csökkentésével, valamint a forró hurkokat két részre osztva és nagyon szimmetrikusan kialakítva a sugárzott emissziók többnyire kioltják egymást. Ma már számos Silent Switcher eszköz kapható, amelyek sokkal alacsonyabb kisugárzást garantálnak, mint a korábbi termékek. A kisugárzott emisszió csökkentése lehetővé teszi a kapcsolási átmenet sebességének növelését komoly EMI-büntetés nélkül. A kapcsolási átmenetek gyorsabbá tétele csökkenti a kapcsolási veszteségeket, és így sokkal nagyobb kapcsolási frekvenciákat tesz lehetővé. Ennek az innovációnak egyik példája az LTC3310S, amely 5 MHz-es kapcsolási frekvencián képes működni, és rendkívül kompakt kialakításokat tesz lehetővé nagyon alacsony költségű külső alkatrészekkel (11. ábra).
11. ábra Az LTC3310S Silent Switcher kialakítása a legalacsonyabb kibocsátott sugárzási értékek érdekében
Az energiagazdálkodás szükséges, de élvezetes is lehet!
Ebben a cikkben a tápegységek tervezésének számos aspektusát vizsgáltuk, beleértve a különböző tápegység-topológiákat és azok előnyeit, valamint hátrányait. A tápegységekkel foglalkozó mérnökök számára ezek az információk alapvetőek lehetnek, de a szakértők és a nem szakértők számára egyaránt hasznosak az olyan szoftvereszközök, mint az LTpowerCAD és az LTspice, amelyek segítik a tervezési folyamatot. Ezekkel az eszközökkel a teljesítményátalakítók nagyon rövid idő alatt megtervezhetők és optimalizálhatók. Remélhetőleg ez a bemutató inspirálta Önt, hogy várakozással tekintsen a következő tápegységtervezési kihívásra.
További műszaki és kereskedelmi információkat az Analog Devices hivatalos hazai forgalmazójától, az Arrow Electronics Hungary-től kaphatnak.
Szerző: Frederik Dostal – Alkalmazástechnika mérnök, Analog Devices
Arrow Electronics Hungary
1138 Budapest, Váci út 140.
Bihari Tamás, Senior Field Application Engineer
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
Tel.: +36 30 748 0457
www.arrow.com