Témakör:
Teljesítményelektronikai ötletek (54. rész) - Kétfokozatú szűrővel ellátott, kis zajú tápegység kompenzálása
Megjelent: 2016. május 05.
Az előző részben egy kis zajú tápegység megvalósításához szükséges, az időtartománybeli viselkedés szimulációjával tervezett, kétfokozatú szűrő méretezéséről olvashattunk. Ezúttal ugyanezt vizsgáljuk tovább, de valós környezetbe – zárt szabályozóhurokba – helyezve.
Egyes kis zajú alkalmazásokban olyan tápegységre lehet szükség, amelynek kimenőfeszültség-hullámossága kisebb kell legyen, mint a kimeneti feszültség 0,1%-a. Ebből a kis hullámosságértékből könnyen kiszámítható, hogy 60 dB-nél jóval nagyobb csillapítású szűrőt kell megvalósítanunk, amely egyetlen szűrőfokozattal gyakorlatilag nem megoldható.
A sorozat előző, 53. cikkében[1] megvizsgáltuk az ilyen szűrők tervezését és időtartománybeli viselkedésének szimulációját. A jelen cikkben azzal foglalkozunk, hogyan lehet a P-Spice szimulációs szoftverrel megvizsgálni, miként viselkedik egy zárt szabályozóhurok, amely az előző cikkben tárgyalt szűrőt is tartalmazza.
A kis zajszintű tápegység megvalósítására azt a trükköt használjuk fel, hogy a kimeneti feszültség zaját egy kétfokozatú szűrővel csillapítjuk. Ez viszont azzal jár, hogy a szűrőbe beépített alkatrészek is növelik a fázistolást, ami tönkreteszi a tápegység szabályozóhurkának működését. Az előző cikkben tárgyaltunk egy olyan stratégiát, amely egyrészt a tápegység szűrőjének csillapításával, másrészt a tápegység kapacitásainak legnagyobb részét a kétfokozatú szűrő kimenetére összpontosítva minimalizálja ezt a fázistolást. A jelen cikkben tovább csökkentjük a szabályozóhurok fázistolását – mégpedig a csúcsáram-üzemmódú szabályozás alkalmazásával. Ez lehetőséget ad számunkra, hogy oly módon zárjuk a visszacsatoló hurkot, hogy a kétfokozatú szűrővel együtt is megfelelő fázistartalékunk maradjon nagy frekvencián.
Az 1. ábrán látható a példaként már bemutatott tápegység P-Spice szimulációs modellje. Ez a modell a TPS54620 típusjelű, integrált fetes kapcsolóval ellátott, szinkron feszültségcsökkentő feszültségszabályozó IC-n alapul, amely négy részáramkörből tevődik össze:
-
teljesítményfokozat és szűrő,
-
hibajelerősítő,
-
modulátorkésleltető és
-
kimeneti feszültségosztó.
1. ábra Az áram-üzemmódú szabályozás eggyel csökkenti a rendszer fokszámát
Az eszköz teljesítménykapcsoló fokozata kihasználja azt az előnyt, hogy a feszültségszabályozó IC rendelkezik áram-üzemmódú szabályozási lehetőséggel is. Az áram-üzemmódú vezérlés a kimenetre kapcsolt induktivitást (az 1. ábrán a G4 generátor helyettesíti) feszültségvezérelt áramgenerátorrá (Voltage Controlled Currrent Sourve – VCCS) alakítja át, ami a kimeneti szűrőt és a terhelő-ellenállást táplálja.
Ez a transzformátor valójában eggyel csökkenti a rendszer fokszámát, és kiküszöböl egy komplex póluspárt, amely a kompenzáló áramkör tervezésénél gondot okozna. A tápegység kimenetére (Rload/2) kapcsolt feszültségosztó mintát vesz[2] a kimeneti feszültségből, amelyet a G2 hibaerősítő összehasonlít a referenciafeszültséggel (Vref). Később látni fogjuk, hogy az osztóba beépített C13 kapacitás a szabályozóhurokban egy pólus–zérus párt hoz létre, amellyel segít megnövelni a fázistartalékot. A G2 erősítő egy másik feszültségvezérelt áramgenerátorként kezelhető, amely táplálja a belső és külső kompenzáló áramköröket. A kimeneten egy feszültségvezérelt feszültséggenerátor (E2) hajtja meg a T1 késleltetővonalat, amely a teljesítményfokozat modulátorának késleltetését modellezi, a cikksorozat 52. folytatásában[3] bemutatott megoldáshoz hasonlóan.
A 2. ábra mutatja az első szimulációt, amelyet meg kell vizsgálnunk annak érdekében, hogy kompenzáló áramkört tervezzünk a tápegységhez. Ez a feszültségerősítés és a fázis frekvenciamenetét mutatja a hibaerősítő kimenetétől (C7/2)-től az első (L2/1) csomópontig, majd a kimeneti szűrő kimeneti csomópontjáig (Rload/2). Itt választhatunk, melyik a tápegységnek az a pontja, amelynek a feszültségét szabályozni akarjuk. Zárhatjuk a hurkot az első csomópontnál; ez esetben csak 90° fázistolást kell kompenzálnunk, de nem kompenzálhatjuk a kimeneti feszültség változásait, amelyet a második szűrőfokozat induktivitásának ellenállásán eső feszültség okoz, és nem tudjuk kompenzálni a második szűrőfokozat dinamikus viselkedését sem. Ha viszont azt a lehetőséget választjuk, hogy a második szűrőfokozat kimeneténél zárjuk a szabályozóhurkot, további 90°-os fáziskésleltetést kell kompenzálni, amit a jól csillapított második szűrőfokozat okoz, továbbá a hurokerősítést is további 30 dB-lel csökkenti. Ez a megközelítés viszont jelentősen javítja a tápegység statikus és dinamikus szabályozási tulajdonságait.
2. ábra A második szűrőfokozat 90° fáziskésleltetést okoz és 30 dB-lel csökkenti a hurokerősítést
A 3. ábra az erősítés és fázis frekvenciamenetét mutatja a VAC-csomóponttól a kimeneti osztó–hibaerősítő–kompenzátor lánc (C7/2) és a teljes hurok végéig (Rload/2). Az osztó–kompenzátor szakaszban egy 3. típusú erősítőt alkalmaztunk, amelynek 180° a fázistolása 100 kHz környékén, a huroknak a modulátort és a teljesítményfokozatot magában foglaló szakaszában. Ennek a 3. tí-pusú erősítőnek az átvitelét az jellemzi, hogy a kimeneti feszültsége jóval nagyobb a referenciafeszültségnél, amely nagy osztásarányú kimeneti feszültségosztót tesz szükségessé. Ezzel a nagy osztásaránnyal egy pólus–zérus pár hozható létre a C13 segítségével. A pólus–zérus pár fázisdiagramjának a két frekvencia mértani középértékénél helyi maximuma van. Mivel ez a mértani középérték közel esik az osztásarányhoz, a zérus helyét egyszerűen kiszámíthatjuk, ha a maximális fázisú frekvenciát megszorozzuk az osztásarány négyzetgyökével. A kompenzátor második zérushelyét a C3 integrálókapacitás és az R3 ellenállás határozza meg. A gondolatmenet utolsó lépése a hibaerősítő sávkorlátozó hatásának figyelembevétele, amelyet a Reramp és a C7 hatása modellez. A teljes hurok sávszélessége közel 100 kHz, 45° fázistartalékkal. Mindezt annak ellenére értük el, hogy a kétfokozatú szűrő 360°-os fázistolásához még hozzáadódik a modulátor fáziskésleltető hatása. A nagy sávszélesség magyarázata az áram-üzemmódú szabályozás alkalmazása, a szűrő második fokozatának erős csillapítása és a kimeneti feszültségosztóba beépített C13 által a szabályozóhurokba beiktatott járulékos zérus.
3. ábra Az áram-üzemmód, a csillapítás és a feszültségosztó zérushelye közel 100 kHz-es egységerősítési frekvenciát eredményez
Összegzés
A P-Spice hasznos segítség egy kétfokozatú szűrővel kiegészített kapcsolóüzemű tápegység szabályozóhurkának szintézisében és analízisében. Ezt felhasználva előre tudtuk jelezni az áram-üzemmódú szabályozás, a kétfokozatú szűrő csillapítása és a szabályozóhurok feszültségosztójába beépített járulékos zérus hatását. Képesek voltunk szintetizálni egy közel 100 kHz sávszélességű szabályozóhurkot annak ellenére, hogy a szűrő önmagában is 360° fázistolást okoz.
A sorozat következő részében megvizsgáljuk a nyomtatott huzalozás vezetősávjainak induktív hatásait.
Robert Kollman ‑ Texas Instruments
www.ti.com/power-ca
[1] Kollman, R. Teljesítményelektronikai ötletek – 53. Magyar Elektronika, 2016. 4. szám.
[2] Az itt alkalmazott kifejezés természetesen nem tévesztendő össze a feszültség pillanatértékéből vett minta tárolásával és a tárolt minta továbbfeldolgozásával. A szerző ezzel a kifejezéssel csupán azt fejezi ki, hogy a kimeneti feszültség leosztott értékét használja fel visszacsatolt jelként. – A ford. megj.
[3] Kollman, R. Teljesítményelektronikai ötletek – 52. Magyar Elektronika, 2016. 3. szám.
A cikksorozat korábbi részei: