Teljesítményelektronikai ötletek - 38

Kérték már meg arra, hogy tervezzen egy jó tranziens viselkedésű tápegységet kis terhelésre? Ha igen, és a tápegységnél megengedett volt a nem folytonos üzem, valószínűleg felfedezte, hogy kis terheléseknél alaposan csökken a hurokerősítés. Ennek rossz tranziensválasz lehet az eredménye, amelyet csak egy „méretes” kimeneti szűrőkondenzátorral lehet megszüntetni. Ennél egyszerűbb az a megoldás, ha a tápegység – mindenféle terhelésnél – folytonos működésű.

Jobb hatásfok szinkronkonverter-megoldással

Az 1. ábrán egy egyszerű, szinkron feszültségcsökkentő átalakítót látunk. Ezt azért terveztük, hogy bemutassuk a tranziensválaszban a kimeneti induktivitáson folytonosan vagy megszakítással folyó árammal működő tápegységek közötti különbséget a terhelésváltozáskor keletkező tranziensek szempontjából. Az áram a kimeneti induktivitáson akkor is folytonos marad, ha egyáltalán nincs is terhelés, mert a szinkron-egyenirányító megengedi azt is, hogy az induktivitáson kis terheléseknél fordított irányban folyjon az áram.

1. ábra Egyszerű feszültségcsökkentő átalakító a tranziensválasz demonstrálására

Ezt az áramkört azzal tettük „nem folytonos” üzeművé, hogy a Q2 fetet egyszerűen egy diódával helyettesítettük. Megjegyezzük, hogy ez a cikk a feszültségcsökkentő topológia változatai közötti különbségeket tárgyalja, de könnyen észrevehetjük, hogy az összes tápegység-topológia hasonlóan reagál ugyanilyen feltételek esetén.
A 2. ábra két terhelésváltozásra adott tranziensválaszt mutat, a kimenőáram-terhelés 700 mA-es ugrásszerű változása hatására.

2. ábra A szinkron működés (balra) adja a jobb tranziensválaszt

A bal oldali jelalakot a folytonos, a jobb oldalit a nem folytonos áramú változaton mértük. A nem folytonos esetben a kimeneti feszültségtranziens több mint háromszorta rosszabb, mint amit a folytonos áramú változatnál látunk. A folytonos üzemet egy szinkron működésű FET beépítésével állítottuk elő. A jó tranziensválasz elérésére több alternatív módszer is kínálkozik, mint például a kimenet előterhelése, vagy „lengő” induktivitás használata. A „lengő” induktivitás egy olyan tekercs, amelynek kis áramterheléseknél megnövekszik az induktivitása. Ezt kétféle anyagú vasmaggal ellátott tekercsek használatával érik el: az egyik egy jó minőségű ferritanyag, amely már kis áramterhelésnél is telítődik, a másik egy porvasmag, amely nem mutat telítődő jelleget.
Hogy a tranziensválasz ilyen jelentős mértékben „megszenvedi” a nem folytonos üzemű működést, annak a visszacsatoló hurok drasztikus leromlása az oka. Ezt a 3. ábra szemlélteti. A bal oldali görbék a hurokerősítés mértékét mutatják folytonos üzemben. A szabályozóhurok sávszélessége 50 kHz, és a fázistartalék 60° (kék diagram) a (dB-ben kifejezett) erősítés (piros diagram) nullátmeneténél. A jobb oldali görbék azt a frekvencia/fázisdiagramot mutatják, amikor a tápegység teljesítménykapcsolója megszakítja a hurkot. A teljesítménykapcsoló póluselrendezése megváltozik: a folytonos üzemben mérhető konjugált komplex póluspár helyét egyetlen, alacsony frekvenciás, valós pólus foglalja el. Ennek a pólusnak a frekvenciáját a kimeneti kapacitás és a terhelő-ellenállás határozza meg. Jól látható, hogy a kisfrekvenciás pólus miatt hogyan tolódik el a fázisdiagram a kisebb frekvenciákon a folytonos üzemű működés diagramjához képest. Az erősítés a pólus miatt már kisebb frekvenciákon is jelentősen csökken, amelynek sokkal alacsonyabb nullátmeneti frekvencia az eredménye. Ez pedig lerontja a tranziens viselkedést.

3. ábra A hurokerősítés jelentősen csökken a nem folytonos működésmódban

Összegezve, a szinkron-egyenirányítás növeli a hatásfokot, és felbecsülhetetlen segítség a tranziens viselkedés javításához. Ez nagy hatásfokú alternatívát kínál az előterhelés alkalmazása helyett. Ez sokkal „kezelhetőbb” paraméterekkel jellemezhető szabályozóhurkot eredményez például a „lengő” induktivitással megvalósított változatoknál. Ez a megoldás nemcsak a hagyományos feszültségcsökkentő topológia dinamikus viselkedését javítja, hanem mindegyik fajtáét, amelyben szinkron-egyenirányítás alkalmazására van lehetőség.

Tartson velünk a sorozat következő folytatásánál is, amelyben egy szigeteletlen tápegység közös módusú zajának kérdéseit vizsgáljuk meg.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: