Teljesítményelektronikai ötletek – 44

A sorozat elmúlt havi folytatásában – a jelen cikk első részében – bemutattuk a zavarszűrésre használt kondenzátorok iránti követelményeket olyan környezetben, ahol gyors áramváltozásokkal kell számolnunk. Témánkat a gyorsan változó árammal terhelt tápegységek dinamikus stabilitásának kérdéseivel folytatjuk.

Gyors áramváltozások kezelése – 2. rész

Előző folytatásunkban megvizsgáltuk a kapacitív terhelésszűrés követelményeit gyorsan változó terhelőáram esetén. Azt találtuk, hogy „kötelező” alacsony ekvivalens soros induktivitással (ESL-el) jellemzett kondenzátorokat használni, és azokat a lehetőség szerint kis távolságban, rövid huzalozással csatlakoztatni a terheléshez. Számításaink szerint már 0,5 nH parazita induktivitás is elfogadhatatlan feszültségtranzienseket eredményez. Ahhoz, hogy elegendően kis induktivitást érjünk el, több párhuzamosan kapcsolt terhelésszűrő kondenzátort kell alkalmazni, és azt több ponton csatlakoztatni a terheléshez (például egy processzor tápfeszültség-csatlakozó kivezetéseihez). Ezúttal azt vizsgáljuk meg, mekkora szűrőkondenzátorokat kell a tápegység kimenetén használni a valós alkalmazásokban megfigyelhetőhöz hasonló di/dt-követelmények között. 

Az 1. ábra mutatja a példaként választott tápegység P-SPICE szoftvermodelljét. Az ábra egy tápegység-kompenzáló áramkört, modulátort (G1) és kimeneti kondenzátort tartalmazó helyettesítő képét ábrázolja. Látható az áramköri részeket összekapcsoló vezeték induktivitása és a szűrőkondenzátorral ellátott terhelőáramkör modellje DC-terhelésnél, illetve ugrásszerűen változó terhelőáram esetén.

1.ábra Egyszerű P-SPICE-modell a rendszertervezéshez

Először is el kell döntenünk, hogy a tápegységet és a terhelést két külön „fekete dobozként” kezeljük-e, vagy inkább egyetlen, összefüggő rendszernek tekintsük. Ha az utóbbi „rendszer-megközelítést” választjuk, figyelembe vehetjük, hogy a terhelésszűrő kondenzátor értéke beleszámít a kimeneti kapacitásba, amelyet emiatt kisebb értékű, tehát olcsóbb kondenzátorral lehet megvalósítani. Ha viszont a „fekete dobozos” szemléletet választjuk, a tápegységet és a terhelést két független egységként vizsgálhatjuk. Bármelyik megoldást választjuk is, meg kell határoznunk, mekkora szűrőkapacitást kell a terhelés közelében elhelyeznünk.
Állapítsuk meg becsléssel a tápegységet a terheléssel összekapcsoló kábelezés induktivitását és ellenállását! A „kábelezési impedancia” induktív komponense (L_interconnect) a hidegítőkondenzátorral (C_bypass) aluláteresztő szűrőt alkot. Tételezzük fel, hogy a tápegység kimeneti impedanciája alacsony. Az aluláteresztő szűrő karakterisztikus impedanciáját (Z₀), az áramugrás nagyságát (I_step) és a megengedett feszültségváltozást (dV) felhasználva állapítsuk meg a hidegítőszűrő iránti követelményeket (1. és 2. egyenlet).

A 2. egyenletet Z₀-ra megoldva és az 1. egyenletbe helyettesítve kapjuk a 3. egyenletet:

Érdekes megfigyelni, hogy a szükséges kapacitásérték a terhelőáram és a megengedhető zavarfeszültség-amplitúdó hányadosának a négyzetével arányos, azaz erre a két paraméterre az áramkör tulajdonságai fokozottan érzékenyek, és ezért igen gondosan kell azokat meghatároznunk.
A kábelezés induktivitása igen széles tartományban változhat: néhány tized nH is lehet a tápegységgel gyakorlatilag egybeépített terhelésnél, de néhány száz nH is lehet, ha a tápegységtől nagyobb távolságra elhelyezett terhelésre kell csatlakoztatnunk. Jó ökölszabály, ha centiméterenként 6 nH-vel számolunk. 10 A-es ugrásszerű terhelésváltozásnál, 30 mV amplitúdójú feszültségtranzienst megengedve, a terhelés-szűrő kondenzátor értéktartománya az 5 nH kábelezési induktivitásnál adódó 500 μF-tól a nevetségességig túlzott 50 mF-ig terjed, amely utóbbi 500 nH kábelinduktivitás esetén adódik.
A szűrő azonban csökkenti a tápegység kimenetén jelentkező áramnövekedés sebességét is. Ha egy veszteségmentes szűrőt négyszögjel alakú árammal hajtunk meg, az induktivitás árama szinuszos lesz. Az induktivitás áramának (I_ind) változási sebességét az áram-időfüggvény idő szerinti differenciálásával kapjuk a 4., 5., 6., 7. egyenletek szerint.

5 nH kábelinduktivitást és 500 μF-os szűrőkondenzátort feltételezve a 10 A-es terhelőáram-ugrás 0,2 A/ μs áramváltozási sebességgel jár. Ha nagyobb az induktivitás, kisebb a di/dt áramváltozási sebesség. Ezek sokkal alacsonyabb értékek, mint amit a rendszertervezők – szokásosan – specifikálnak.
A rendszerszemléletű megközelítésben tehát minimalizáltuk a teljes kapacitásértéket, miközben maximalizáltuk a szabályozóhurok sávszélességét. Most térjünk át a „fekete dobozos” megközelítés vizsgálatára. Eszerint készítenünk kell egy tápegységet, amely hidegítőkondenzátor nélkül is, valamint a legnagyobb feltételezett hidegítőkondenzátorral is egyaránt stabil. Ahogy az előbbiekben állítottuk, a kábelezés induktivitása miatt növekszik a szükséges terhelésszűrő-kapacitás. Ez viszont – a fekete dobozos szemlélet szerint – hatással van a tápegység kimenetére építendő kapacitás értékére. A beépített kapacitás nagyságrendje viszont meghatározza a tápegység törésponti frekvenciatartományát. Mind feszültség-, mind áramüzemmódú működés esetén az összefüggés lineáris. Maximalizálhatjuk a törésponti frekvenciát a terhelőkapacitás figyelembevétele nélkül is, de ha a terhelést rákapcsoljuk a tápegységre, a törésponti frekvencia jelentősen csökken.
Az 1. táblázatban összehasonlítottuk a mintarendszerünkben szükséges kapacitásértéket háromféle kábelezési induktivitás esetén. Az adatokat úgy állítottuk elő, hogy változtattuk a kábelezési induktivitást, kiszámítottuk az ehhez szükséges terhelési hidegítő­kondenzátort, és megterveztük a tápegység ehhez alkalmazkodó kimeneti fokozatát és a vezérlőhurkot. Az első esetben a terhelés és a tápegység egybe van építve, a másodikban mérsékelt, a harmadikban pedig extrém nagy értékű kábelezési induktivitást tételeztünk fel. A szükséges hidegítőkondenzátor értéke közvetlenül a kábelezési induktivitástól függ. A 3. esetben a közepes induktivitás százszorosát tételeztük fel, és ehhez ugyanilyen arányban megnöve­kedett terhelésszűrő kondenzátor szükséges. Ez pedig „begyűrűzik” a tápegységtervezésbe, mivel a „fekete dobozos” szemlélet szerint tervezett tápegységnek stabilnak kell lennie a rákapcsolt terhelésszűrő kondenzátorral és anélkül is. Világosan látszik, hogy az elsőként alkalmazott rendszerszerű megközelítés a kedvezőbb, mert jóval kisebb kapacitásértéket igényel, ami kevesebbe kerül. A második eset ésszerűen korlátozott kábelezési induktivitása esetén csak mérsékelten növekszik az igényelt kapacitás nagysága. A harmadik esetben igen nagynak feltételezett kábelezési induktivitásnak azonban már jelentős költségkövetkezményei vannak. A 2. és 3. eset viszont kényelmesebb abból a szempontból, hogy a tápegységet önmagában is lehet tesztelni.

1. táblázat A rendszerszemléletű tervezés alacsony szinten tartja a költségeket

A 2. ábrán látható szimulációs eredmény azt hasonlítja össze, milyen hatást gyakorolnak a terhelőáram-tranziensek a terhelés feszültségére kicsiny és nagy kábelezési induktivitásnál.

2. ábra A feszültséglengés amplitúdója és időtartama problémát okozhat, ha nagy a kábelezés induktivitása

A kis induktivitásnál kialakuló feszültségtranziens gyorsan csillapodik, míg nagy induktivitásnál a csillapodás nem ilyen gyors, ezért a beállás sokkal tovább tart. Ennek oka a magasabb karakterisztikus impedancia és az alacsonyabb rezonanciafrekvencia. Ráadásul, ha az impulzusszerű terhelőáram periodikus, és a frekvenciája azonos a rezonanciafrekvenciával, extrém széles, és akár károsodást okozni képes feszültségváltozások is kialakulhatnak.

Összegezve: a nagy sebességgel változó terhelőáram a terhelésszűrés gondos tervezését igényli annak érdekében, hogy a tápegység megfelelően stabilizálja a dinamikusan változó terhelés feszültségét. A tápegységet, illetve a terhelésszűrő kondenzátort a terheléssel összekapcsoló vezetékezés alacsony induktivitása alapvetően fontos. A legkisebb költségű megoldást a rendszerszemléletű tervezés eredményezi. Sok tervezőmérnök azonban – a tápegység kényelmes tesztelhetősége érdekében – eltekint attól a potenciális költségtakarékosságtól, ami a tápegység kimenetére épített kondenzátor elhagyásából adódik.

Következő folytatásunkban tapasztalati vizsgálatokkal határozzuk meg egy szinkron feszültségcsökkentő szabályozó kapumeghajtási időzítésének optimumát.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat korábbi részei: