Teljesítményelektronikai ötletek (58. rész) – Jó elrendezéssel kevesebb időbe kerül egy tápegység tervének ellenőrzése

Téved az a tervező, aki szerint „jó elvi kapcsolás + jó alkatrészek = jó áramkör”. Sokszor egy terv sikere vagy kudarca múlhat például egy áramkör NyÁK-elrendezésén. Sok idő takarítható meg, ha az elrendezés tervezésénél eleve figyelembe veszünk néhány alapvető szabályt – mint arra Robert cikke ezúttal is rámutat.

Még egy jól tervezett tápegységet is tönkre lehet tenni felületesen tervezett elrendezéssel. Egy tápegységben egyazon NyÁK-lapon foglalnak helyet a nagy teljesítményű kapcsolók és az érzékeny analóg áramkörök, és a két alrendszer nemkívánatos kölcsönhatása kaotikus működést eredményezhet. Még az is előfordulhat, hogy a tápegység oszcillálni kezd, miközben a szabályozóhurok megpróbálja korrigálni a szándékunk ellenére bejutó zaj hatását. Néhány percnyi tervezési munkával és NyÁK-tervünk felülvizsgálatával többnapnyi laboratóriumi hibakeresési időt takaríthatunk meg, ha módszeresen tekintjük át a lehetséges zajproblémákat.
Az 1. ábra egy olyan elrendezési rajzot mutat, amelynek tervezője nem végzett jó munkát a kapcsolók és a zajérzékeny áramkörök szétválasztásakor. Ebben az esetben például – figyelmetlensége következtében – kapacitív csatolás keletkezett a feszültségcsökkentő szabályozó kapcsolási pontja és a hibajel-erősítő bemenete között. Ez gyakran megtörténik, mivel a hibaerősítő bemenetére számos alkatrész csatlakozik. A felhasznált vezérlő IC-nél ez még valószínűbben válik potenciális problémává, mivel a kapcsolási pont és a hibaerősítő bemenete között csak két csatlakozópontnyi a távolság. A probléma mégis aránylag könnyen kiküszöbölhető. Egyszerűen szét kell választani egymástól a kényes csatlakozási pontokat, mégpedig úgy, hogy egy földpotenciálú vezetősáv húzódjon a kétféle csatlakozópont közé árnyékolásként. Úgy tűnik, az IC tervezője is felismerte ezt a potenciális problémát, mivel a kapcsolási pont és a hibaerősítő-bemenet közti csatlakozási pontok egyikét egyébként is földpotenciálra kell kapcsolni.

1.ábra Figyeljük meg a zajforrások (a kapcsolási pont) és a nagyimpedanciás pontok (erősítőbemenet) kölcsönös elhelyezkedését

A 2. ábra olyan esetet mutat, amelynél a tervező nem törődött a táp-feszültség-hidegítő kondenzátorokon és a csillapító-ellenállásokon folyó árammal, ezért a nagyfrekvenciás zaj megjelenik a tápegység kimenetén. Ez egy szinkron feszültség-csökkentő szabályozó, amelyben a C1 és R2 elemekből álló csillapító áramkör feladata a zaj csökkentése. A szinkron feszültségcsökkentő szabályozók egy periódusában két kapcsolási átmenet keletkezik. Az első akkor, amikor a felsőoldali kapcsoló kikapcsol, a kimeneti induktivitás földpotenciálra helyezi a kapcsolási pontot, és az alsóoldali kapcsoló bekapcsol. Ez egy „jóindulatú” átmenet, mivel a kapcsolók akkor kapcsolnak ki és be, miközben zérus feszültség van rajtuk. A másik kapcsolási átmenetnél az alsóoldali kapcsoló kikapcsol, és az áram annak testdiódáján folyik tovább mindaddig, mígnem a felsőoldali kapcsoló magára nem veszi ezt az áramot. Ekkor egy nagy áramlökés keletkezik, amely gerjeszti a tokozat induktivitásából és a kapcsolási pont kapacitásából álló rezgőkört. Ha a kapcsolási holtidő elég rövid, a dióda még nem tud vezetésbe menni, hanem egy túllövés keletkezik, amely hasonlóan nagy áramlökést okoz. Ez nem egy „jóindulatú” átmenet. A dióda kikapcsolási „helyreállása” közben a csatlakozópont kapacitásán „kemény” kapcsolási átmenet keletkezik, és a kapcsolási pont feszültségének lengése lényegesen meghaladhatja a bemeneti feszültséget. Ennek a feszültséglengésnek akár 100 MHz-es frekvenciájú összetevői is lehetnek, amelyek a kimeneti induktivitás (L1) szórt kapacitásán át a kimenetre csatolódhatnak. A csillapító áramkör csillapítja a rezonanciajelenséget, ezért rajta nagyfrekvenciás áram folyik.

2. ábra Minimalizáljuk a földsíkon folyó áramot a zajproblémák csökkentése érdekében

A NyÁK-elrendezés tervezője ezt a zajproblémát helyes alkatrész-elrendezéssel oldhatja meg. Először is az integrált áramkör tápfeszültség-hidegítő csipkondenzátorát jobban kellene elhelyeznie ahhoz, hogy – az ábrán világoskékkel jelölt – nagy áramokat kívül tartsa a panelen. Jobb eredményt ad, ha a hidegítőkondenzátort az integrált áramkör alatt, vízszintesen helyezi el. Ez rövid csatlakozósávokat eredményez a tápfeszültség- és a földponthoz egyaránt, minimalizálja az induktivitást, és a nagyfrekvenciás áramokat távol tartja a földsíktól.
Másodszor, a csillapító áramköri hurok jelentős induktivitást képvisel, amelynek eredménye ugyancsak az, hogy a földsíkon nagyfrekvenciás áram folyik. A csillapító áramkör alkatrészeit is el lehet helyezni az integrált áramkör alatt, az áthelyezett hidegítő-kondenzátortól jobbra.
Végül pedig ez az áramkör egy újabb példa a kapcsoló- és az érzékeny analóg áramkörök összekeverésére, mivel a csillapító áramkör szomszédos a nagyimpedanciás feszültségérzékelő áramkörrel.

Összegzés

A tápegység alkatrészeinek átgondolt elhelyezésével a prototípus-áramkör ellenőrzésére fordítandó idő jelentős része megtakarítható. Fontos észrevennünk, hogy áramkörünkben együtt vannak jelen a zajérzékeny és a zajkeltő csomópontok. Ezeket a lehetőség szerint szét kell választani. Továbbá fordítsunk figyelmet a hidegítőkondenzátorok és a csillapító áramkör alkatrészei elhelyezésére. Ezek hozzávezetései legyenek rövidek, és tartsuk távol a nagyfrekvenciás és a nagy amplitúdójú váltakozó áramokat a földsíktól. Végül pedig ügyeljünk a földsík integritására, azaz minimalizáljuk azokat a vezetősávokat, amelyeket a földsíkkal közös rétegen vezetünk át.

Következő számunkban egyszerű módszert mutatunk be osztott tápegység tervezésére.

Robert Kollman – Texas Instruments

www.ti.com/power-ca és www.ti.com/powerhouse-ca

A cikksorozat korábbi részei: