Teljesítményelektronikai ötletek – 30

Sokszor fel sem tűnik, hogy a mérnöki munka során hányszor kell kompromisszumkereséssel megoldanunk egy-egy feladatot. Robert Kollman teljesítményelektronikai ötletsorozatának ez a folytatása ezúttal (is) egy ilyen feladaton vezeti végig az olvasót – ezúttal kissé a teljesítményelektronikai integráltáramkör-tervezők fejével gondolkodva.

Találjuk meg a szinkron feszültségcsökkentő áramkör MOSFET-jeinek helyes ellenállásarányát

Ebben a cikkben azt keressük, hogyan lehet optimálisan beállítani egy szinkron feszültségcsökkentő DC/DC-feszültségszabályozó vezetési teljesítményveszteségét a kitöltési tényező és a fet jellemző ellenállásainak aránya függvényében. Ennek a kompromisszumkeresésnek az eredménye hasznos kiindulópontul szolgálhat az alkalmas kapcsolófet típusválasztásához.
    A tervezési folyamat kiindulópontjaként rendszerint megkapjuk a specifi­kációs követelményeket, köztük a bemeneti feszültségtartományt és az előírt kimeneti feszültséget, és az a feladatunk, hogy ennek alapján válasszuk ki a megfelelő kapcsolófet típust. Ugyancsak gyakori, hogy megkapjuk a tervezett áramkör költségkeretét, amely a fet maximális beszerzési árát is tartalmazza, de – például IC-tervezésnél – a tokozat (és ezáltal a csip maximális mérete) is előírt paraméter lehet. Mindezek a bemenő adatok arra használhatók fel, hogy a hatásfok maximalizálása érdekében optimálisan oszthassuk fel a kapcsoló MOSFET-ek számára rendelkezésre álló, korlátozott csipterületet.
    Egy fet ellenállása első közelítésben fordítottan arányos a csip területével. Eszerint tehát, ha – például IC-tervezésnél – előre megszabott terület áll rendelkezésünkre a teljesítménykapcsoló fetek számára, és a felsőoldali teljesítménykapcsolót  ellenállásának csökkentése érdekében nagyobbra méretezzük, ez az alsóoldali kapcsolófettől veszi el a területet, amelynek ellenállása ennek következtében növekszik. Másodszor azoknak az időtartamoknak az aránya, amely alatt a felső- vagy alsóoldali kapcsoló vezet, a kimeneti és a bemeneti feszültség arányától (VOUT/VIN – konverziós tényező) függ, amely első közelítésben egyenlő a felsőoldali kapcsoló bekapcsolt állapotának D kitöltési tényezőjével. A felsőoldali fet tehát az idő D hányadát tölti vezető állapotban, míg az alsóoldali fetre né­zve a teljes idő (1-D)-szerese a bekapcsolt állapot időtartama. Az 1. ábra  vízszintes tengelyén a normalizált vezetési veszteség látható annak a fet alapterületnek a függvényében, amennyit a felsőoldali MOSFET-kapcsoló megvalósítására tartunk fenn; a görbesereg egyes görbéi pedig a konverziós tényező különböző értékeihez tartoznak. Nyilvánvaló, hogy a konverziós tényező valamely rögzített értékéhez a csipterület felső- és alsóoldali kapcsolófet közötti felosztásának egy optimális aránya rendelhető, amelynél a teljes áramkör összes vezetési vesztesége minimális értékű. Érthető, hogy ez a felosztás meglehetősen kritikus például egy olyan áramkörnél, amely 12 V-os bemenőfeszültségből 1,2 V-os kimenetet állít elő (ehhez nagyjából 10%-os kitöltési tényező tartozik). Ha viszont a kimenőfeszültséget – a csipterületek változatlan aránya mellett – 3,6 V-ra növeljük, a vezetési veszteség 30%-kal, ha pedig 6 V-os kimenőfeszültséget választunk, 80%-kal növekszik meg. Végül is jó, ha észrevesszük, hogy az összes görbe ugyanazon a ponton metszi egymást, ahol 50-50% arányban osztjuk fel a csiperületet a felső- és alsóoldali kapcsolófet között. Ennek az az oka, hogy a két fet ellenállása ebben az esetben azonos.
    Az 1. ábrából leolvashatjuk tehát, hogy a legrosszabb esetben az optimalizált vezetési veszteség az 50%-os konverziós aránynál adódik. Viszont lehetőségünk van arra, hogy a vezetési veszteséget – az 50%-tól eltérő konverziós arányoknál – e szint alá csökkentsük.

1.ábra A vezetési veszteség a fetek ellenállásaránya és a kitöltési tényező függvényében

2.ábra Létezik egy optimális arány adott konverziós tényező esetében. (Megjegyzés: az ellenállások aránya a csipterületek arányának reciprok értéke)

A függelék tartalmazza az optimalizálás matematikai hátterét, az eredményt pedig a 2. ábra mutatja. Eszerint extrém kis értékű konverziós arányok esetében a fetek számára fenntartott csipterületnek jóval nagyobb hányadát kell a felsőoldali fet megvalósítására felhasználni. Hasonlóképpen a konverziós arány magas értékeinél a fetek számára fenntartott területből az alsóoldali kapcsoló részére kell a nagyobb területet fenntartani. Ezek az eredmények természetesen csak első közelítésnek tekintendők, mivel egyáltalán nem veszik figyelembe például a felső- és alsóoldali kapcsolók fajlagos ellenállása közötti különbséget. Ez utóbbinak pedig következményei vannak a kapcsolási sebességre, valamint az árra és a tokozással összefüggő ellenállásértékekre nézve is. Ennek ellenére ez a számítás jó kiindulópontot jelent a két kapcsolófet ellenállásai közötti arány megállapításánál, vagy – diszkrét áramköri elemekben gondolkodva – a fetek típusának megválasztásánál.

A következő folytatásban megtárgyaljuk a SEPIC-feszültségsza­bályozóhoz szükséges csatolt tekercsek szórt induktivitására vonakozó követelményeket. Erről – és más teljesítményelektronikai megoldásokról is – az alábbi weblapon találnak további információt.

www.ti.com/power-ca