Teljesítményelektronikai ötletek (52. rész) - Tápegység-szabályozóhurok tervezése P-Spice szimulátorral

Egy nemlineáris áramkör matematikai modellezése – a valóságot csak messziről közelítő, legegyszerűbb modelleket kivéve – papír-ceruza módszerekkel gyakorlatilag kivitelezhetetlen. A modellezőszoftverek azonban képesek hatékonyan elvégezni ezt a papírmunkát, ezért a mérnök szinte biztosra mehet a prototípus-tervezésnél. Egy tápegység-szabályozóhurok modellezése meglehetősen összetett feladat, de szimulátorral elkerülhető a „próba-szerencse” alapú tervezés.

A P-Spice (vagy bármely más szimulátor) nagyon hatékony segédeszköz lehet a tápegységek szabályozóhurkának szintézisénél. Ebben a cikkben a P-Spice használatával tervezzük meg az 1. ábrán látható kapcsolóüzemű, integrált, szinkron feszültségcsökkentő áramkör vezérlőhurkát. Ez az áramkör egy transzkonduktív^[1] hibaerősítőt és belső referenciaforrást tartalmaz. A kimeneti feszültséget a hibaerősítő az R6 és R7 ellenállásokból álló feszültségosztón keresztül érzékeli, és a leosztott feszültséget egy 0,8 V-os referenciafeszültséggel hasonlítja össze. A hibaerősítő kimenete az IC 8-as kivezetésén (COMP) megjelenő áram, amely a különbségi jellel arányos. Az áram ezután a kompenzáló áramkör elemein keresztül a földelés felé záródik, és azon egy olyan feszültséget hoz létre, amely az L1 áramán keresztül végzi a kimeneti feszültség szabályozását. Az IC áramüzemmódú szabályozást végez (Current Mode Control – CMC) annak érdekében, hogy az L1 kimeneti induktivitást hatékony áramgenerátorrá alakítsa át. Az L1 árama arányosan változik a COMP-csatlakozópont árama által a kompenzálóhálózaton ejtett feszültséggel. Az induktivitás árama aztán részben a kimeneti kondenzátort tölti, részben a terhelésen folyik át, és a kondenzátor (és egyben a kimenet) feszültségén át záródik a szabályozóhurok.

1. ábra Ez az áramüzemmódú, integrált kapcsolóüzemű tápegységvezérlő 3-as típusú kompenzációval növeli meg a szabályozóhurok sávszélességét

2. ábra A P-Spice modellbe beépített T1 késleltetővonal a szabályozóhurok mintavételi késleltetését modellezi

A 2. ábra mutatja az 1. ábra kapcsolási rajza alapján készített P-Spice-modellt. Az R3, C3 és C13 elemekből álló kompenzálóhálózat és az R6‑R7 feszültségosztó az elvi kapcsolási rajznak megfelelően, változatlanul megtalálható a P-Spice-modellben.
A különbségek az elvi kapcsolási rajz és a modell között a következők:

• a transzkonduktancia-erősítőt és a teljesítményfokozatot feszültségvezérelt áramgenerátorral modelleztük,

• az R_eramp ellenállás hozzáadásával és a C7 kondenzátor megnövelésével a hibaerősítő parazita tulajdonságait vettük figyelembe,

• a C11 kimeneti kapacitás értékének 47 μF-ról 30 μF-ra csökkentésével vettük figyelembe azt a kapacitáscsökkentő hatást, amely az egyenfeszültség-komponens nagyságával arányos^[2],

• egy váltakozó feszültségű feszültségforrást (VAC) is beépítettünk, amellyel a hurokerősítés a beinjektált feszültség és a visszacsatolt feszültség arányával vált kifejezhetővé,

• beépítettünk egy T1 késleltetővonalat. Ezzel a változtatással a szabályozó áramkör mintavételi késleltetését jelképezzük. Ugyanis eltelik egy bizonyos idő attól kezdve, hogy a kapcsolótranzisztor állapotát meg kell változtatni addig az időpontig, míg ez a változás ténylegesen meg is történik. Ez átlagosan a kapcsolási periódusidő fele, ezért ekkora késleltetést építettünk be a modellbe,

• beépítettük az R_dl (50 Ω) lezáróimpedanciát, amelynek célja a T1 késleltetővonal lezárása a hullámimpedanciájával.

3. ábra A szabályozóhurok mért sávszélessége nagyjából a kapcsolási frekvencia egyharmada

A 3. ábra az 1. ábrán bemutatott tápegység hurokerősítésének mért értékeit mutatja. A tápegység kapcsolási frekvenciája 600 kHz, az egységerősítéshez tartozó frekvencia közel 200 kHz – a kapcsolási frekvencia egyharmada. Ha az egységerősítési és kapcsolási frekvencia között ilyen nagy az arány, a modulátor fáziskésése jelentőssé válik. Ugyanis már 300 kHz-en (a kapcsolási frekvencia felénél) is a mintavételi késleltetés 90°-os fáziskésést okoz.
A 4. ábra a hurokerősítés és a fázistolás szimulált eredményeit mutatja. Két görbepárt mutatunk be: az erősítés és a fázis értékét a késleltetővonallal és anélkül. A szimulált erősítés jó egyezést mutat a mért erősítéssel. A késleltetővonal nélkül szimulált fázis viszont jelentősen eltér a mért görbétől. Az eltérés nagyjából a kapcsolási frekvencia egytizedénél válik szembetűnővé, és az egységerősítéshez tartozó frekvencián már kb. 65° az eltérés. Ha viszont a késleltetővonalat is beépítjük a modellünkbe, az erősítés és a fázis is jó egyezést mutat.
Minél közelebb visszük az egységerősítési frekvenciát a kapcsolási frekvenciához, annál kritikusabb a késleltetővonal beépítése a modellbe annak érdekében, hogy a szimulációs és a mért eredmények megfelelő hasonlóságot mutassanak.

4. ábra A késleltetővonal beépítése javítja a modell nagyfrekvenciás pontosságát

Összegzés

Egy tápegység vezérlőhurkának modellezése egyszerű feszültségvezérelt forrásokkal is jól megvalósítható. Ebben az áramkörben ugyan feszültségvezérelt áramgenerátorokat használtunk a transzkonduktancia-erősítő és a teljesítményfokozat erősítésének modellezésére, de feszültségvezérelt feszültséggenerátorokat is használhatnánk a feszültség-üzemmódú szabályozás modellezésére. Ha feszültség-üzemmódú szabályozást kellene modelleznünk, az feszültségvezérelt feszültséggenerátorokkal lenne megvalósítható. Fontos, hogy a modellben szereplő passzív alkatrészeknél figyelembe kell venni az egyenáramú előfeszítés miatti értékváltozásokat: az egyenfeszültség-komponens hatását a kapacitás, az egyenáram hatását az induktivitás értékére. Ha a szabályozóhurok egységerősítési frekvenciája meghaladja a kapcsolási frekvencia egytizedét, szükségessé válik a mintavételi késleltetés modellezése, amely késleltető művonal beépítetésével lehetséges. Még ha a tápegységtervezésben akár csak ilyen egyszerű modelleket használunk is, az jelentősen csökkentheti a hardvermodelleken végzett hibakeresési munka időszükségletét.

A következő folytatásunkban néhány további szimulációs ötletet ismerhet meg az olvasó.

Robert Kollman ‑ Texas Instruments

www.ti.com/power-ca

___________________

^[1] Feszültségvezérelt áramgenerátorral modellezhető erősítő, amelynek transzfer tulajdonságát egy vezetőképesség- (meredekség-) típusú mennyiség, a kimeneti áram és a bemeneti feszültség hányadosa jellemzi. – A ford. megj.

^{[2] Lásd Teljesítményelektronikai ötletek – 48. (Magyar Elektronika 2015. 10. szám)}

A cikksorozat korábbi részei: