Teljesítményelektronikai ötletek – 21

Sokszor gondoljuk, hogy egy ismert kapcsolás ismert részletét nem is tudjuk elrontani. Robert idei első tippje bemutatja a tápegységek hibaerősítőinek tervezésekor leggyakrabban elkövetett hibákat, és ötletet ad az elkerülésükre.

Kerüljük el a hibajel-erősítők szokásos hibáit!

Íme egy rövid összefoglaló azokról a „csapdákról”, potenciális hibalehetőségekről, amelyeknek a tápegységek hibajel-erősítőinek megvalósítása során „szokás” áldozatul esni, noha könnyen elkerülhetők lennének. Köztük van a a hibaerősítő erősítésének helytelen számítása, vagy ha olyasmit várunk a hibaerősítőtől, amit nem képes megtenni, vagy akár a helytelenül tervezett nyomtatott huzalozás közben elkövethető jellegzetes hibák.
A lehetséges fontosabb hibákat az 1. ábrán látható tipikus tápegységen mutatjuk be. Ez olyan vezérlő IC-vel működik, amely beépítetten tartalmazza a hibaerősítőt. Az erősítő neminvertáló bemenete egy belső referenciafeszültség-forrásra csatlakozik, az invertáló bemenetet az IC-ből az FB csatlakozóponton, a hibaerősítő kimenetét pedig a COMP ponton vezetik ki. A tápegység kimeneti feszültségét az R5 és R7 ellenállásokból álló feszültségosztó állítja be.

1. ábra A vezérlő IC a beépített hibaerősítővel

A hibaerősítő erősítésének hibás számítása

Az első, könnyen elkövethető – és gyakran elkövetett – tervezési hiba a hibaerősítővel kapcsolatban az R5 ellenállás figyelembevétele az erősítő váltakozó áramú, kisjelű erősítésének számításakor, noha erre az R5 gyakorlatilag semmilyen hatással nincs. Ha a hibaerősítőt ideálisnak tekintjük, bemenetei virtuális földpontok. Ez azt jelenti, hogy az R5-ön nem folyik váltakozó áram, ezért a kisjelű váltakozó áramú erősítését egyáltalán nem befolyásolja. Erről könnyen meggyőződhet az olvasó, ha felrajzolja a hibaerősítőre kapcsolódó hálózat Thevenin-helyettesítő képét a bemenet felől nézve (lásd a függeléket).

A hibaerősítő sávkorlátozásának fi gyelmen kívül hagyása

A második gyakori hiba olyan erősítést várni a beépített hibaerősítőtől, amelyre az nem képes. A 2. ábra illusztrálja ezt a szituációt. Látható rajta az erősítőtől elvárt amplitúdó–frekvencia függvény, az erősítő erősítése és az elvárt paraméterek helyett – a hibaerősítő korlátai miatti - valóságos teljesítőképesség. Az erősítő korlátozott sávszélessége miatt nem tudja teljesíteni az elvárt nagyfrekvenciás erősítést. A rajzon ugyan nem ábrázoltuk, de a szükséges fázismenet is csak nagyon durva közelítéssel teljesül. Ez utóbbi különösen az olyan feszültség-üzemmódú egyenfeszültségátalakítók problémája, mint amilyen az 1. ábrán is látható, mivel ezeknél nagy frekvencián is nagy erősítésre van szükségünk. Ha a hibaerősítő frekvenciakompenzációját megtervezzük, fordítsunk fokozott figyelmet a sávszélességből adódó korlátozásokra, különben lesz egy oszcilláló (mérnöki szleng szóhasználattal „gerjedős” – A ford. megj.) tápegységünk.

2. ábra A hibaerősítő sávszélessége korlátozza az elérhető erősítést

Hibás elrendezés és nyomtatott áramköri tervezés

A legsúlyosabb parazitakapacitás-problémát rendszerint a visszacsatoló bemenet (FB) és a hibaerősítő frekvenciakompenzációs csatlakozópontja(i) közötti szórt kapacitások okozzák. Ennek oka a hibaerősítő nagy bemeneti impedanciája, nagy erősítése és a kompenzációs pontra csatlakozó alkatrészek nagy száma. Az 1. ábrán megjelöltük egy tipikus vezérlő áramkörnek ezt a „kényes” pontját, és a legvalószínűbb zavarforrásként működő csomópontot – azzal a megjegyzéssel, hogy egynél több ilyen „zavarsugárzó” pont is elképzelhető. A Q1 és a D1 közös pontján nagyon nagy a feszültségváltozás sebessége (0,1…1 V/ns), amely akár 1 pF parazita kapacitáson át is képes 1 mA áramot kelteni. Az FB és a kompenzációs pontok impedanciája jellegzetesen 1…10 kΩ nagyságrendű, tehát a szórt kapacitáson folyó – mA nagyságrendű – áram jelentős zavarófeszültséget kelthet a hibaerősítő bemenetén. Ez rendszerint hibás (pontatlan időzítésű vagy szükségtelen) nyitóimpulzusok megjelenését okozza a kapcsolóelem kapuelektródáján, vagy feltűnő oszcillációt okoz, miközben a tápegység megpróbálja „kiszabályozni” a zajforrásból becsatolódó hamis hibajelet. A sikeres konstrukciók készítői felismerik ezt a tényt és az elvi kapcsolási rajzon eleve a hibaerősítő szomszédságába helyezik a frekvenciakompenzáló áramkör elemeit, amely szinte sugallja a javasolt nyomtatottáramköri elrendezést. Gondoskodjunk arról, hogy a kompenzálóelemeket „tömören” rendezzük el a hibaerősítő bemenete közelében, és használjunk rövid csatlakozósávokat. Ugyancsak figyeljünk arra is, hogy ne kerüljön a kompenzáló alkatrészek közelébe nagy feszültségváltozási meredekségű (nagy dV/dt) vezetősáv (ilyenek például a kapcsolótranzisztor és a kapuelektródáját meghajtó jelek).

A visszacsatoló hálózat impedanciájának hibás megválasztása

Egy másik szokásos probléma forrása, ha nem megfelelő impedanciákat használunk a visszacsatoló áramkörben. A hibaerősítő meghajtóképessége korlátozott, ezért nem tud elegendően nagyfeszültséget létrehozni a visszacsatoló alkatrészeken. Az 1. ábra áramkörében például a hibaerősítő mindössze 100 μA-t tud meghajtani, és ezzel kell volt nagyságrendű feszültséget létrehozni a visszacsatoló hálózat alkatrészein. Ezért a hibaerősítő kimenetére kapcsolódó impedanciáknak nem szabad 10 kΩ-nál kisebbeknek lenniük. De ügyeljünk arra is, hogy a visszacsatoló hurokban ne használjunk túl nagy impedanciát, mivel ez megnöveli a csatlakozópont érzékenységét a kapcsolóponton keletkező és a szórt kapacitáson keresztül becsatolódó zajokra. Az 1. ábra arra is példa, hogyan legcélszerűbb elrendezni a visszacsatoló áramkör alkatrészeit a hibaerősítő körül. A nagyimpedanciás FB-hibaerősítő bemenetre inkább az ellenállásokat csatlakoztassuk, ne a kondenzátorokat. Ez csökkenti az R6/C9 és az R4/C3 zaj érzékenységét, mivel kellőképpen alacsony impedanciával kapcsolódik az erősítőbemenetre. A kondenzátorok másik kivezetése alacsony impedanciájú pontra kapcsolódik, ezzel is csökkentve a zaj becsatolódásának lehetőségét.
Összegezve: sok lehetőség van arra, hogy a hibaerősítő alkalmazásakor tervezési hibákat kövessünk el. Ebbe beletartozik a hibaerősítő erősítésének helytelen számítása éppúgy, mint amikor az erősítőtől olyan teljesítőképességet várunk, amellyel az nem rendelkezik, de a helytelenül tervezett nyomtatott huzalozás és elrendezés is okozhat problémákat. Ha egy kis figyelmet szánunk ezekre a követelményekre a tervezés során, hosszú órákat takaríthatunk meg a laboratóriumi hibakeresési munkafolyamatban.

Függelék

A 3. ábra alapján számítható a hibaerősítő erősítése a feszültségbeállító alkatrészekkel:

3. ábra Thevenin-helyettesítőkép számítása a hibaerősítő bemenete felől nézve

Következő cikkünkben tovább vizsgáljuk a DC/DCkonvertereket szabályozó visszacsatoló hurok működésének alapjait.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: