Teljesítményelektronikai ötletek – 17

A félvezetők magfeszültsége egyre csökken, ahogy azt az energiafogyasztás csökkenése megkívánja. Az abszolút érték csökkenésével azonban a relatív bizonytalanság részére megengedhető „játéktér” is csökken – a korszerű, kis feszültségű energiaellátó rendszerek tervezőinek tehát egyre nagyobb pontossági követelményekkel kell megküzdeniük. Robert Kollman sorozatának következő cikke egy kis „vigaszt” nyújt a tervezőknek.

A feszültségszabályozó kimenőfeszültsége pontosabb, mint gondolhatnánk

A feszültségszabályozók kimeneti feszültsége csökken, és a szabályozási specifikációk mind szigorúbbá válnak. A tervező sorsa mégsem olyan nehéz, mint azt a felszínes megítélés alapján gondolhatnánk. Ha a tervező arra kényszerül is, hogy – költségmegfontolásokból – 1%-os vagy még annál is enyhébb toleranciájú ellenállásokat használjon, mégis van lehetősége arra, hogy nagyon pontos értékű kimeneti feszültség előállítására alkalmas feszültségszabályozót tervezzen. 

1.ábra A kimeneti pontosság az osztásviszonytól, a referen­cia­pontosságtól és a hibaerősítő ofszetjétől függ

Az 1. ábra egy tápegység tipikus feszültségszabályozó áramkörét mutatja. A kimeneti feszültséget leosztjuk és egy referenciafeszültséggel hasonlítjuk össze. A különbséget felerősítve a szabályozóhurok vezérlésére használjuk. Első ránézésre azt mondhatnánk, hogy ennek az elrendezésnek a pontosságát az ellenállás-tolerancia kétszerese korlátozza. Szerencsére ez nem igaz, mert a pontosság a kimeneti feszültség és a referenciafeszültség arányától is erősen függ. Három különböző értékkombináció megvizsgálása elegendő arra, hogy láthatóvá tegyük az osztásviszonytól való függőséget. Az első kombinációban egyáltalán nincs leosztás. Más szóval: a kimeneti feszültség egyenlő a referenciafeszültséggel. Ilyenkor nincs feszültségosztó, tehát magától értetődően nem keletkezik az ellenállások okozta leosztási hiba sem. A második szituációban a kimeneti feszültség sokkal nagyobb a referenciafeszültségnél. Ebben az esetben R1 sokkal nagyobb R2-nél. A feszültségosztó osztásarányának hibája kétszerese az ellenállások toleranciájának (Ez szigorúan véve akkor igaz, ha a két ellenállást azonos toleranciájú értéksorból választjuk – ami a gyakorlati esetek túlnyomó többségében valóban teljesül, és a cikk ezzel a feltételezéssel él. Pontosabban szólva az osztó hibája az azt alkotó ellenállások toleranciájának összege – A szerk. megj.), és ez a hibaszituáció akkor áll elő, ha legrosszabb esetben az R1-ellenállás pontos értéke a hibasáv egyik szélére, az R2-ellenállásérték pedig a hibasáv másik szélére tolódik.

A harmadik esetet könnyű elképzelni – tegyük fel, hogy a kimeneti feszültség a referenciafeszültség kétszerese. Ez eset ben a két ellenállás névleges értéke azonos. Ha most a két ellenállás értéke a hibasáv ellentétes vége felé tolódik, a hányados számlálója a tolerancia értékével tolódik el, a nevező (a két ellenállás érté kének összege) változatlan marad.

A 2. ábra a kimeneti feszültség pontosságát ábrázolja a referencia és a kimeneti feszültség arányának függvényében. (A részletes levezetést a Függelék tartalmazza). Az egyszerűsített megoldás az, hogy az amely összhangban van az előzetes vizsgálat során tett háromféle feltételezéssel.

2. ábra A kimeneti pontosság összefüggése (1%-os ellenállásokat feltételezve) egyszerű: (1-V_ref/V_out)*2*tolerancia)

Ez az egyenlet egyszerűsített ugyan, de a közelítés a szokásos ellenállás-toleranciákat feltételezve elegendően pontos. Érdekes módon ez nagyobb pontosságot eredményez a kisebb kimeneti feszültségeknél. Sok integrált referenciaforrás feszültsége a 0,6…1,25 V tartományba esik, amely 1% vagy jobb pontosságot tesz lehetővé, ha a kimeneti feszültség is ebbe a tartományba esik.

Az 1. táblázat néhány olyan információt mutat meg, amelyre a tervező nem biztos, hogy gondol.

1. táblázat Az ellenállás-toleranciához hozzáadódó további hibatényezők

Ezt a táblázatot egy tipikus ellenállás-adatlap adataiból állítottuk össze, az ellenállások hibájának eredetét is figyelembe véve. Az ilyen listákat nagyon nehéz értelmezni egy tervezési folyamat során, ezért a legtöbb mérnök megáll a kezdeti toleranciaértéknél. Azonban vannak olyan hibaösszetevők, amelyekről valószínűleg nem célszerű megfeledkezni. Ennek a táblázatnak minden egyes eleméből nehezen követhető hatások következnek. Például nincs tartomány megadva a hőfoktényezőre, miközben a valóságban mindkét ellenállás valószínűleg ugyanolyan irányú értékváltozást szenved el a hőmérséklet hatására, és minden bizonnyal nem a lehetséges eltérési tartomány ellenkező szélsőségei felé változik. Ha egy tapasztalt tervezőmérnök futólag átvizsgálja ezeket a hibatényezőket, kiderül, hogy az 1%-os toleranciájú ellenállás esetében 2,5%-os maximális hibát feltételezni elfogadható kompromisszum az értékek legrosszabb kombinációja és az elfogadható ár között. 

Összegezve: egy alacsony kimeneti feszültségű feszültségszabályozónál viszonylag jó pontosságot elérni nem egy ijesztő feladat, ha alacsony és megfelelően pontos az osztásarány.

A következő alkalommal egy érdekes tápegységtopológiát vizsgálunk meg negatív tápfeszültségek előállítására.

www.power.ti.com

http://www.ti.com/ww/hu/cikkek-szakirodalom.html

A cikksorozat korábbi részei: