Teljesítményelektronikai ötletek (53. rész) - Kétfokozatú szűrő kiszajú tápegységekhez

Az analóg jelfeldolgozó áramkörök zajának egy részéért a tápfeszültségből származó zaj a felelős. Ez indokolja, hogy a tápegység alacsony zajszintjéről külön kell gondoskodni. A sorozat jelen folytatásában ennek egy megoldását mutatja be a szerző.

Bizonyos alacsony zajszintű alkalmazások megkövetelhetik, hogy tápegységük kimeneti feszültségének hullámossága a kimeneti feszültség 0,1%-ánál kisebb legyen. Ezt a követelményt könnyű átfogalmazni úgy, hogy a tápfeszültségszűrő csillapításának jelentősen meg kell haladnia a 60 dB-t, tehát egyfokozatú szűrővel gyakorlatilag nem lehet teljesíteni.
Vegyünk példának egy 570 kHz kapcsolási frekvenciájú feszültségcsökkentő szabályozót, amelynek bemeneti feszültsége 12 V, kimeneti feszültsége 3 V. Terhelhetősége 5 A, és a kimeneti feszültség hullámossága nem haladhatja meg a 100 μV_pp (40 dB_μVpp) értéket. A kapcsolási frekvencia alapharmonikusa a kapcsolási ponton 5 Vpp (135 dBμVpp) nagyságrendű, amelyből a szükséges csillapításra átszámítva 95 dB érték adódik. Ez jelentősen meghaladja a 60 dB-t, amelynek a megvalósítását – a passzív alkatrészek parazita komponensei miatt – egyáltalán még meg lehetne kísérelni. Ha viszont eldöntöttük, hogy kétfokozatú szűrőt (1. ábra) tervezünk, a törésponti frekvenciákat és az alkatrészértékeket kell meghatároznunk.

1. ábra 90 dB csillapítású, kétfokozatú szűrő, jól csillapított tranziensátvitellel

Ebben a tervezési megközelítésben az L1 kimeneti induktivitás megválasztása – bármely feszültségcsökkentő szabályozóhoz hasonlóan – az első lépés az áram hullámosságának figyelembevétele, az első szűrőkondenzátor (C1) értékét pedig annak megfelelően választjuk meg, hogy az első szűrőfokozatra 60 dB csillapítást írunk elő. A második fokozat egy erősen csillapított szűrő lesz, amelynek ezek után már csupán szerény, 35 dB csillapítást kell realizálnia. Az első (C1) és második (C2) szűrőfokozat kondenzátorainak arányát pedig 1:10 értékre választjuk, amellyel több célt érünk el:

• szétválasztjuk a kétfokozatú szűrő rezonanciáit,

• alacsony értékűvé tesszük a második fokozat karakterisztikus impedanciáját, ami megkönnyíti a szükséges csillapítás megvalósítását,

• a kimeneti kapacitás többségét a második fokozatra koncentrálja, ami csökkenti a további terhelőkapacitások hatását, és jó tranziensviselkedést eredményez,

• minimálisra csökkenti a második fokozat rezonanciájának „élességét”, amellyel megkönnyíti a szabályozóhurok kompenzációjának tervezését.

Ha az áram váltakozó áramú összetevőjét – csúcstól csúcsig mérve – 1 A-re (a névleges terhelőáram 20%-ára) állítjuk be, ebből a kimeneti induktivitás (L1) értékére 6,8 μH adódik. Ennek impedanciája a kapcsolási frekvencián 24 Ω. Ahhoz, hogy az első szűrőfokozat csillapítása 60 dB legyen, a kapcsolási frekvencián 24 mΩ impedancia szükséges, amelyet egy nagyjából 10 μF-os kondenzátorral lehet megvalósítani. A korábban eldöntött C1:C2 arányból (1:10) kiszámítható a második szűrőfokozat C2 kapacitása (100 μF), ami a kapcsolási frekvencia alapharmonikusán 2,8 mΩ impedanciájú. A 2. szűrőfokozat induktivitását (L2) úgy választjuk meg, hogy a csillapítás értéke kissé haladja meg a szükséges 35 dB értéket, mivel a második fokozatot még csillapítanunk is kell az R_D ellenállással. 40 dB-es csillapításhoz 240 mΩ induktív impedancia szükséges, amelyet egy 68 nH értékű induktivitással lehet megvalósítani.

2. ábra Helyettesítő kép a hullámossági tulajdonságok szimulációjához

A laboratóriumi tesztáramkörben 220 nH értékű induktivitást használtunk, ami ad még egy kis tartalékot. Végül pedig a 2. fokozatot csillapítani is kell. Az értéket annak alapján választottuk, hogy a csillapító ellenállás értéke legyen egyenlő a második fokozat induktivitásának impedanciájával a kapcsolási frekvencián.
Itt az alkalom, hogy a P-SPICE szimulációs szoftverrel megvizsgáljuk, hogyan befolyásolják az alkatrészértékek a szűrő teljesítőképességét. A P-SPICE arra is használható, hogy az időtartományban szimuláljuk a feszültség váltakozó áramú komponensét, valamint arra is, hogy a szabályozóhurok viselkedését a frekvenciatartományban vizsgáljuk, amint azt a cikksorozat előző részében^[1] is bemutattuk. A 2. ábra az időtartománybeli szimulációhoz szükséges helyettesítő képet mutatja. A szűrő alkatrészei és a terhelés közvetlenül felismerhetők. Két feszültségforrást (V1 és V2) használunk a feszültségcsökkentő tápegység teljesítményfokozatának szimulációjára. A V2 a tápegység kimeneti feszültségét állítja be kezdeti feltételként, amely közvetlenül átjut a szűrőn, míg a V1 a tápegység teljesítménykapcsolójának hatását szimulálja. A kapcsolási periódusidőt 1,75 μs-ra állítottuk be, amely jól közelíti az 570 kHz frekvenciájú kapcsolójel periódusidejét; a kitöltési tényezőt pontosan 25%-ra választottuk. A 3. ábra mutatja a szimuláció eredményét, amely hasonló az első körben elvégzett számításainkéhoz. A szimuláció pontosságát tovább javíthatjuk, ha az alkatrészek parazita komponenseit, például a kondenzátorok ekvivalens soros ellenállását (ESR) és induktivitását (ESL), valamint az induktivitások szórt kapacitását is bevonjuk a szimulációba. Ezek alapján az várható, hogy a szűrés csillapításának további növelése szükséges, különösen akkor, ha a C2 ESL-jét is figyelembe vesszük.

3. ábra A szimulált eredmény jól egybeesik a kézi számításéval

Ez a szimuláció – tréfásan szólva – amolyan „hősies”, de önmagában nem elegendő „erőlködés” a kapcsoló-
üzemű tápegység kimeneti zajának 100 μV alá történő „szelidítésére”. Ugyanis a szűrő alkatrészeinek parazita komponensei, valamint a második szűrőfokozatra kapacitív és induktív csatolással közvetlenül „rászóródó” zaj hatása jelentősen rontja a szűrő csillapítását a szimulált értékhez képest. Ezért nagyon valószínű, hogy a második fokozatot és a terhelést árnyékolással kell védenünk a rendszer többi részétől. Ezenkívül fontos az is, hogy olyan kondenzátorokat válasszunk, amelyeknek kicsi az ekvivalens soros induktivitásuk.
Összefoglalva, a P-SPICE jó kiindulópont lehet egy tápegység kimenetére kapcsolódó kétfokozatú szűrő tervezésénél. A bemutatott módszer időtartománybeli szimulációval jelezte előre a kimeneti feszültség hullámosságának mértékét. Olyan tervezési stratégiát javasoltunk, amely maximalizálja a kapacitást a második fokozatban, és külön gondoskodik annak csillapításáról. A sorozat következő részében megmutatjuk, hogyan segít ez a stratégia a tápegység sávszélességének növelésében, és hogyan csökkenti minimális mértékűre azoknak a kapacitásoknak a hatását, amelyeket a felhasználó ad hozzá a kimeneti terheléshez.

Robert Kollman ‑ Texas Instruments

www.ti.com/power-ca

[1] Teljesítményelektronikai ötletek – 52. Magyar Elektronika 2016. 3. szám

A cikksorozat korábbi részei: