Teljesítményelektronikai ötletek – 43

A digitális elektronikai áramköröknél ma dominánsnak tekinthető CMOS-technológia kis fogyasztásának kulcsa, hogy a kapuáramkörök csak tranziens állapotban fogyasztanak áramot számottevő mértékben. Ennek két következménye van: az egy közös órajellel vezérelt rendszerek­-ben az egyidejűleg állapotot váltó sok kapuáramkör áramfogyasztása jelentős csúcsértékű tranziensekké adódik össze, és az átlagfogyasztás az órafrekvencia növekedésével arányos. A cikk­sorozat következő két folytatása a gyors áram­változások hatásait elemzi.

Gyors áramváltozások kezelése – 1. rész

Sok mikroprocesszor (CPU, MCU) esetén a specifikációk megkívánják, hogy a tápegység nagymértékben és gyorsan változó kimeneti áram leadására is képes legyen. Különösen igaz ez, amikor a processzor működési módot vált. Például egy 1 V-os rendszerben az a követelmény, hogy a tápfeszültség 3%-on belül maradjon stabil még 100 A/μs sebességű terhelésváltozások esetén is. Ezt a követelményt kielégíteni csak akkor tudjuk, ha belátjuk, hogy ez nemcsak a tápegység, hanem a tápáramelosztó hálózat problémája is, és ezek csak akkor oldhatók meg maradéktalanul, ha a tápellátó rendszert egységes rendszerként kezeljük. 

A magas di/dt iránti igény kielégítésének fontos feltétele, hogy a feszültségforrás induktivitása nagyon alacsony legyen. Rendezzük át az alábbi kifejezést úgy, hogy a megengedett forrásinduktivitást fejezzük ki belőle:

ahol e a megengedett maximális feszültségváltozás (az 1 V-os tápfeszültség 3%-a, azaz 30 mV). 

Ilyen gyors áramtranziensnél tehát mindössze csak 0,3 nH induktivitás engedhető meg a terhelőáram útjában. Az összehasonlítás kedvéért egy négyrétegű NyÁK egyetlen 0,1” (0,25 cm) szélességű, 1 cm hosszúságú sávjának induktivitása 0,3 nH. Egy tipikus huzalkötés egy integrált áramkör belsejében önmagában is 1 nH nagyságrendű, és a NyÁK egyetlen furatgalvanizált átmenetének (via) induktivitása is 0,2 nH körül van.

1. táblázat A kerámiakondenzátorok méretének és parazita induktivitásának összefüggése

Van továbbá a hidegítőkondenzátoroknak is egy soros, szórt induktivitása is, amint az az 1. ábrán látható. A felső görbe egy négyrétegű NyÁK-ra ültetett, 22 μF-os, X5R-típusú, 16 V-os, 1210-méretű kerámiakondenzátor impedanciáját mutatja a frekvencia függvényében. Amint az várható, 100 kHz alatt az impedancia a frekvencia növekedtével csökken. Ugyanakkor 800 kHz-en van egy soros rezonancia, amelytől a frekvenciát tovább növelve a kapacitás induktivitásként kezd el viselkedni. Ez az induktivitás, amint az
a kondenzátor kapacitásából és a soros rezonanciafrekvenciából kiszámítható, 1,7 nH, amely jóval meghaladja a példában megengedett 0,3 nH értéket. Szerencsére van mód arra, hogy csökkentsük az ekvivlanens soros szórt induktivitás (ESL) értékét azzal, hogy több kondenzátort kapcsolunk párhuzamosan. Az 1. ábra alsó görbéje két párhuzamosan kapcsolt kondenzátor impedanciamenetét mutatja, amelyről leolvasható az induktivitáscsökkenés hatása. Érde­kes megfigyelni, hogy a rezonancia kicsit elcsúszott a kisebb frekvenciák felé az egy kondenzátoros megoldáséhoz képest, ami annak a következménye, hogy a helyettesítő kép induktivitása nem pontosan feleződött meg. A rezonanciafrekvenciából visszaszámolva két kondenzátor eredő induktivitása 1 nH, ami – az elvárt 50% helyett – 40%-os csökkenés ahhoz képest, amit egy induktivitásnál mérhettünk. Ez a hatás két okkal magyarázható: a két kondenzátorhoz járuló hosszabb huzalozás megnövekedett induktivitásával és a két kondenzátor között mérhető kölcsönös induktivitással.

1. ábra Két kondenzátor párhuzamos kapcsolásának hatása a parazita induktivitásra

A parazita induktivitást az összekapcsolt áramkörök huzalozása által közrefogott terület, és egy bizonyos mértékig a hurok területének az alkatrészek méretéből adódó növekedése határozza meg. A méretek és a szórt induktivitás összefüggését az 1. táblázat mutatja, amely különböző méretű felületszerelt kondenzátorok parazita induktivitását tartalmazza. Általában mondhatjuk, hogy a nagyobb méretű kondenzátorok parazita induktivitása is nagyobb. Ez a táblázat nem foglalja magában a kondenzátoroknak az áramköri lapra szereléséből adódó induktivitástöbbletet, amelyről a korábbi méréseink kimutatták, hogy 1 nH-ről 1,7 nH-re növeli az induktivitást. Egy másik érdekességet is megfigyelhetünk: a csatlakozópontok elhelyezése is jelentős befolyással van az induktivitás nagyságára.
A 0805-méretű kondenzátornak a rövidebb végén van az áram-hozzávezetés, a 0508-as méretűnek pedig a hosszabb oldalán. Ez csaknem a felére csökkenti az áramút hosszát, viszont megnöveli a szélességét, amelynek a szórt induktivitás csökkenése a következménye: a 0508 méretű kondenzátor induktivitása negyedrésze a 0805 méretűének.

Összegezve: a gyors áramváltozásokat okozó terheléseknél a hidegítő-áramkörök gondos megtervezésével őrizhetjük csak meg a tápfeszültség dinamikus stabilitását. A felületszerelt kondenzátorokat extrém kis távolságra kell szerelni a terhelés mellé annak érdekében, hogy minimálisra csökkentsük a huzalozás induktivitását. A kondenzátoroknak maguknak is van parazita induktivitása, amely megakadályozhatja a megfelelő csatolásmentesítést. A kondenzátorok párhuzamos kapcsolása a parazita induktivitás csökkentése érdekében hatásos eszköz, de a párhuzamos kapcsolás kivitelezéséhez szükséges megnövekedett huzalozás és a kondenzátorok kölcsönös szórt induktivitása csökkenti a módszer hatékonyságát. A rövidebb áramutakat tartalmazó kondenzátorok alkalmazása szintén hatásos megoldás. Ez fizikailag kisebb méretű, vagy kedvezőbben elrendezett kivezetésekkel rendelkező alkatrészek választásával valósítható meg.
Sorozatunk következő részében folytatjuk annak vizsgálatát, hogyan kell figyelembe venni a gyorsan változó (nagy di/dt) áramterhelések hatását a megfelelő tápegységek tervezésénél és vizsgálatánál.
A továbbiakban a lokális hidegítés elemzése után rátérünk a tápegységek tervezésével kapcsolatos egyéb megfontolásokra is.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: