Teljesítményelektronikai ötletek (54. rész) - Kétfokozatú szűrővel ellátott, kis zajú tápegység kompenzálása

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 (R_load/2) kapcsolt feszültségosztó mintát vesz^[2] a kimeneti feszültségből, amelyet a G2 hibaerősítő összehasonlít a referenciafeszültséggel (V_ref). 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 (R_load/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 (R_load/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 R_eramp 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: