Teljesítményelektronikai ötletek – 22

Nem ritka, hogy egy statikus terheléssel jól működő tápegység gyors terhelésváltozásoknál „megvadul”, lengéseket, túllövéseket produkál. Ez nemcsak az oszcilloszkópon „mutat rosszul”, hanem a terhelés épségét is veszélyeztet­heti. Robert e havi cikke a terhelési tranziensek „megszelidítésére” próbál rávezetni.

Tápegység viselkedésének javítása tranziens terhelésváltozásnál – 1. rész

Ebben a cikkben egy olyan szigetelt tápegységet vizsgálunk, amely zárt hurkú szabályozást valósít meg egy TL431^[1]-alapú söntszabályozó áramkörrel. Bemutatunk egy olyan módszert, amellyel megnövelhetjük a szabályozó hurok sávszélességét a terhelés és a bemeneti feszültség tranziensváltozásaira adott válasz javítása érdekében. Az 1. ábra egy offline, szigetelt flyback DC-feszültségátalakító tipikus kapcsolási rajzát mutatja. A kimeneti feszültség leosztott értékét a TL431 (U3) beépített 2,5 V-os referenciafeszültségével hasonlítjuk össze. Ha a kimeneti feszültség túl magas, a TL431 katódján söntáram folyik. E söntáram egy része az optocsatoló (U2) diódáján folyik át, és nyitás felé vezérli az optocsatoló fototranzisztorát. A fototranzisztor emitterárama átfolyik (egyebek közt) az R16 ellenálláson is, és növeli a rajta eső feszültséget. Ennek hatására – a hatáslánc további részletezése nélkül – csökken a Q1 teljesítmény-MOSFET kapcsoló csúcsárama, amely a tápegység kimeneti feszültségcsökkenését okozza.

1. ábra A cikkben leírt söntszabályozós tápegység kapcsolási vázlata

 Érdekes módon két visszacsatolási útvonal is vezet az opto­csatolón keresztül: az egyik a TL431-en , a másik a kimeneti feszültségre kapcsolódó R8 ellenálláson át. A TL431-en át vezető visszacsatolási útvonal eléggé magától értetődő annyiban, hogy a kimeneti feszültségből leosztással előállított „mintát” egy referenciaforrás feszültségével hasonlítjuk össze, az eredményt erősítjük, és a visszacsatoló útvonal galvanikus leválasztásáért felelős optocsatoló meghajtására használjuk. Az R8-csatlakozás hatását is könnyű követni: a rajta átfolyó áramot a kimeneti feszültség és a TL431 katódjának feszültsége közti különbség nagysága határozza meg. Az R8-on folyó áram arányos a kimeneti feszültséggel – függetlenül attól, mennyi a TL431 katódfeszültsége. Ha a kimeneti feszültség növekedni próbál, az R8 ellenálláson folyó áram is növekszik, amely végeredményben a kimeneti feszültség csökkenése irányába hat.
A 2. ábrán a tápegység visszacsatoló hurkainak egyszerűsített vázlata látható. A rendszer két kivonó funkcióból áll, amelyeket előrevezető erősítőblokkok követnek. Az első kivonással a kimeneti feszültséget hasonlítjuk össze a referenciafeszültséggel, és a hibajelnek tekinthető különbséget a TL431 erősíti. A kimeneti feszültséget ezután az erősített hibajelből vonjuk ki. Ez a különbség áthalad a rendszer többi erősítő funkcióján, beleértve az R8 áram–feszültség átalakítását, az optocsatoló áramvezérelt áramgenerátorának átvitelét, az R16-on végbemenő áram–feszültség átalakítást és a tápegység többi részének átvitelét a kimenetig.

2. ábra Az R8-csatlakozás kétutas visszacsatolást hoz létre

    A blokkvázlat többféle értelemben is figyelemreméltó. Az első az, hogy két visszacsatoló hurkot találunk ott, ahol a legtöbb ember egyet várna. Valószínűleg sikerrel érvelhetnénk amellett is, hogy valójában még kettőnél is több visszacsatoló hurok van az áramkörben, hiszen a hibaerősítőre ráépülő frekvenciakompenzáció is hurkot alkot, sőt, az áramütemmódú teljesítményfokozat maga is visszacsatoló hurokként képzelhető el. Valóban a 2. ábra egyszerűsített ábrázolásnak tekinthető. A második érdekes megfigyelés, hogy a kimeneti feszültséget semmilyen más átalakításnak, „jelkondicionálásnak” nem vetjük alá. Az ábrán jobb oldalt feltüntetett hurok esetében pontosan ez a helyzet, mivel a TL431 kimeneti feszültségét közvetlenül hasonlítjuk össze a kimeneti feszültséggel az R8-on keresztül. A bal oldali hurok esetében ez ilyen könnyen nem felismerhető, mivel a kimeneti feszültséget leosztjuk, mielőtt a referenciával összehasonlítanánk. Viszont amint azt az előző számban megjelent cikk függelékében kimutattuk, ez a leosztás nem számít bele az erősítés kifejezésébe.
    De akkor miért ilyen bonyolult a második visszacsatoló hurok felépítése? A válasz: azért, mert ezzel javítjuk a rendszer tranziens viselkedését. Egy egyhurkos rendszerben bármilyen zavarójelnek először át kell haladnia a hibaerősítőn, mielőtt a rendszer többi részére hatást gyakorolhatna. Ennél a kéthurkos felépítésnél viszont a nagyfrekvenciás zavarkomponensek hatékonyan megkerülik a hibaerősítőt, ezért ez gyorsan generálódó hibajelként hat a rendszer többi részére. Ennek a „belső huroknak” a működését könnyen kikapcsolhatjuk, ha az R8 felső végét egy lineáris feszültségszabályozóra kapcsoljuk. Ettől ugyan egyszerűbb gondos­kodni a visszacsatoló hurok stabilitásáról, de a járulékos alkatrészek helyfoglalása és ára drágítja a rendszert, a hurok működése pedig lassul.
Talán szokatlan, hogy mielőtt a most megkezdett témát, a szige­telt tápegység tranziens viselkedésének javítását lezárnánk a jelen foly­tatás második, befejező részében, előtte a következő számunkban egy kis „elméleti kitérőt” teszünk.

www.ti.com/power-ca