Teljesítményelektronikai ötletek (62. rész) – Tápegységek tesztelése gyorsan változó terhelőárammal

A nagyteljesítményű processzorok táplálásához gyakran 1 V-nál kisebb tápfeszültségeket kell előállítani, amelyek gyorsan változó forrás- és nyelőirányú áramokkal vannak terhelve. Komoly kihívás a tesztelő számára ezeknek a nagy – és gyors – áramváltozásoknak a szimulációja a tápegység teljesítőképességének ellenőrzésekor. A két fő nehézség egyike a terhelés induktivitásnak minimalizálása a vizsgáló-elrendezésben, a másik a feszültségmérés helyes végrehajtása.

Egy vizsgálórendszer induktivitása már önmagában is kihívás, de ha az alacsony feszültség és a gyorsan változó áramtranziensek nehézségeivel is kombinálódik, egyenesen „gyilkos” problémává lép elő. Az induktivitás és a terhelés együtt egy L–R-kört alkot, amely korlátozza a di/dt áramváltozási sebességet. Ha például a táplált processzor 1 V-os tápfeszültséget igényel, és 10 A-rel terheli a tápsínt, ez egy 1 V/10 A = 0,1 Ω-os terhelő-ellenállással modellezhető. Ha ezt a terhelést nagyjából 7,5 cm huzallal kötjük be, az nagyjából 50 nH soros induktivitást képvisel. Ennek az áramkörnek a T időállandója (T = L/R) 500 ns. Ezzel az áram időfüggvénye az 1. egyenlettel adható meg. Jegyezzük meg, hogy az áram változási sebessége t = 0-nál adja ezt a maximális értéket, és a T időállandó elteltével 63%-ára csökken.

 1. egyenlet

Az áram elérhető maximális változási sebessége ezzel I/T = 20 A/µs. Ez sokkal kevesebb annál a 100 A/µs-nál, amit a „processzoros fiúk” elvárnak tőlünk, és ez ráirányítja a figyelmet arra, hogy minimalizálnunk kell az induktivitást.

Nyilvánvaló, hogy a huzalból tekercselt és a nyújtott elrendezésű, „hosszú” ellenállásokból a nagy öninduktivitásuk miatt nem lehet jó vizsgálóterhelést készíteni. Jó ökölszabály, hogy egyetlen vezeték minden centiméterének szórt induktivitása 6 nH. Az egyik hatékony módszer a hurokinduktivitás csökkentésére, hogy sok párhuzamos SMT-ellenállást helyezünk el egy földsík felett. Annak érdekében, hogy a hozzávezetés induktivitását is csökkentsük, a terhelő-ellenállásokat érdemes közvetlenül a tápegység prototípuspaneljére telepíteni. Az 1. ábra egy olyan terhelőáramkörre mutat példát, amelybe beépítettük a vizsgáló terhelő-ellenállást, a soros MOSFET-kapcsolókat és azok meghajtó áramköreit is. Ez két lehetőséget kínál a terheléskapcsoló MOSFET-ek meghajtására: a pufferelt meghajtó áramkört külső impulzusgenerátorról vagy a panelre épített időzítő-áramkörről is lehet vezérelni.

1. ábra A prototípuspanelre közvetlenül ráépített tranziensvizsgáló terheléssel csökkenthető a huzalozás szórt induktivitása

A 2. ábra mutatja azokat a nehézségeket, amelyek akkor lépnek fel, ha egy 1 V-os tápsínen nagy di/dt áramváltozásokat akarunk létrehozni, hogy mérhessük a tápegység tranziens viselkedését. Az ábrán zöld színnel jelölt terhelőáram-függvény 0-ról 2 µs alatt 20 A-re növekszik, azaz a di/dt = 10 A/µs. Ezt egy 50 A/µs áramváltozási sebességre is alkalmas terheléssel és gyakorlatilag 0 hosszúságú hozzávezetéssel valósítottuk meg. Először is már az is konfliktust okoz, hogy a terhelés 50 A/µs felfutási meredekségre képes. Az aktív terhelés adalapjából azonban kiderül, hogy a 2 µs felfutási idő 100 A áramterhelésnél valósul meg. 100 A-nél kisebb terhelésváltozásnál a di/dt arányosan csökken. A 2. ábra a tranziens válaszfüggvény burkológörbéjét is mutatja (sárga színnel jelölve). Érdekes módon ezen a diagramon három jól elkülöníthető szakaszban látunk lengéseket. Az első az a terheletlen működési periódus, amikor a fesszültségcsökkentő áramkör induktivitása a legnagyobb. A második a tranziens időben mutatkozik, ahol a tápegység teljesítménykapcsoló fokozata felfut a maximális kitöltési tényezőjű működésre. Ez csökkenti a feszültségcsökkentő áramkör induktivitásán folyó áram lengéseit. A harmadik szakasz a kimeneten állandósult nagy áramnál lép fel, ahol az induktivitást a nagy áram lecsökkenti. A nagyfekvenciás „hullámosság” itt a legnagyobb.

2. ábra Ez az 50A/µs-ra méretezett terhelés a valóságban 2 µs-os felfutási idővel működik

Megvalósíthatók „áraminjektorok” is, amelyekkel nagyon gyors tranziensek valósíthatók meg. Ezekkel bepillantást engednek a rendszerben fellépő rezonanciajelenségekbe és a rendszer stabilitásába, „áraminjektáló képességük” (forrásáramuk) viszont korlátozott. A 3. ábrán erre látunk példát. A felső oszcilloszkópábra fekete színnel mutatja egy tápegység tranziens válaszfüggvényét, amelyet egy kis teljesítőképességű, aktív terheléssel előidézett, piros színnel jelölt áram-lépésfüggvény okoz. A tápegység gyakorlatilag nem is reagál a terhelésváltozásra, mert a szabályozóhurok képes az általa okozott szabályozási hibajelet korrigálni. Az alatta levő oszcilloszkópábrát nagyon gyors tranziensekre képes áram-injektorral hoztuk létre. A piros diagram majdnem függőlegesen ugrik fel, és csillapított szinuszos feszültséglengést okoz a tápegység kimenetén. Ez lehet a szabályozóhurok alacsony fázistartalékának is a következménye, de okozhatja a kimeneti kondenzátorral sorosan kapcsolódó induktivitás is. Ezeket a felvételeket azonban csupán 50 mA-es áramugrással állítottuk elő, amely csak kismértékű válaszjelet okoz a kimeneten. Ez az áramugrás meg sem közelíti azt a 100 A/µs-os tartományt, amit a valóságos terhelést képviselő processzor megkíván, és ezért nem is vált ki nagymértékű tranziensválaszt a kimeneti feszültségben.

3. ábra Az áraminjektor közel „függőleges”, de csak 50 mA-es áramugrást képes előállítani

Összegzés

A kisfeszültségű és nagyáramú tápegységek tesztelése komoly kihívást jelentő feladat, amelynek oka a terhelés induktivitása és a valóságos aktív terhelés gyors és nagy értékű áramtranzienseket megkövetelő működése. Egy 50 nH induktivitású terhelés (amit nagyjából 7,5 cm hosszúságú hozzávezetési huzalozás képvisel), a di/dt értékét 20 A/µs-ra korlátozza egy 10 A-es tápegységnél, amely a nagyobb áramoknál erősen rontja a felfutási időt. Azok a vizsgálóeszközök, amelyekkel gyors felfutású és nagy amplitúdójú áramugrásokat kell megvalósítani, túl lassúak, vagy az áramterhelhetőségünk nem elégséges. Általában a legjobb az elektronikusan kapcsolható terhelő-ellenállásokat közvetlenül a tápegység prototípuspaneljére ráépíteni az ilyesfajta vizsgálatokhoz.

A sorozat következő részében áttekintjük a tápegységeknél alkalmazott burkológörbe-követés következményeit.
Javasoljuk, hogy az olvasó kövesse a www.ti.com/power-ca webhelyet és a Texas Instruments Power House blogjának bejegyzéseit (https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse)

Robert Kollman – Texas Instruments

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

A cikksorozat korábbi részei: