Teljesítményelektronikai ötletek (63. rész) – Kábel feszültségesésének kompenzálása távérzékelés nélkül

Legyen bármilyen stabil a tápegységünk, a terhelésig vezető – nem ritkán hosszú – kábeleken eső feszültség elrontja ezt a stabilitást. Ez a jelenség kiküszöbölhető a terhelés csatlakozási pontjairól visszavezetett – gyakorlatilag árammentes – érzékelővezeték-pár kiépítésével, ám ez a módszer nehézkes és bonyolult. Robert cikke arra mutat példát, hogyan lehet orvosolni a problémát – érzékelővezetékek nélkül.

Előfordul, hogy a tápegységtervezési feladat specifikációja pontosabb szabályozást ír elő, mint ami a távérzékelés kiépítése nélkül megvalósítható lenne. Kitűnően szemlélteti ezt egy hálózati USB-töltő példája, amelynél a tápegységnek 0,5 V feszültségesést kell kompenzálnia az érzékelővezeték-pár többletköltségei nélkül. A kimeneti feszültségnek ebben az alkalmazásban 4,75 és 5,25 V közé kell esnie. A terhelésről közvetlenül visszavezetett érzékelővezetékek kialakítása nélkül ez nem valósítható meg a kábelen eső 0,5 V-os feszültség és a tipikus alkatrésztoleranciák együttes hatása miatt.
A probléma szokásos megközelítésénél mérjük a kimeneti áramot egy érzékelőellenálláson eső feszültségnek egy kis ofszetfeszültségű differenciálerősítővel történő erősítésével. Az erősítő kimeneti feszültségével arányos áramot hozunk létre^[1], és ezt kivonjuk a feszültségérzékelő áramából. Ezzel megemelkedik a kimeneti feszültség. Ennél egyszerűbb megközelítés látható az 1. ábrán, amely kiküszöböli a transzkonduktancia-erősítő használatát. Az erősítő U1:B kimenőfeszültsége a kimeneti feszültség és az áramérzékelő ellenálláson eső – erősített – feszültség különbsége. Ha az erősítő kimenőfeszültségét egy visszacsatolt hurokkal állandónak tartjuk, a terhelőáram növekedésével a kimeneti feszültség (Vo) is megemelkedik. Ez arra használható, hogy kompenzálja Vo-ból levonódó, a kábelen eső feszültség hatását a terhelőáram függvényében. Ehhez az R1, az R3 és az R4 értékét kell alkalmasan megválasztani.

1. ábra Egy egyszerű műveleti erősítős kapcsolással kompenzálható a kábel feszültségesése

Az 1. ábra azonban azt is megmutatja, hogy ez az áramkör instabil is lehet. Az EAout-ra vonatkozó egyenlet egyszerűsített kifejezése annak, hogyan függ az erősítő kimeneti feszültsége a terhelésen mérhető Vo feszültségtől. Ebben a leegyszerűsített modellben a kábel és a terhelés ellenállását összevontuk egyetlen RLOAD terhelőellenállássá, és feltételeztük, hogy a terhelésnek nincs kapacitása. Vegyük észre, hogy az erősítő kimenőfeszültsége két tagból áll, egy pozitívból és egy negatívból. Ha van olyan frekvencia, amelynél a második tag abszolút értéke nagyobb az első tagnál^[2], az erősítő fázisforgatása előjelet vált (180°-kal megfordul), és az erősítő oszcillátorként viselkedik. Ez tipikusan nem okoz nehézséget, ha az áramérzékelő ellenállás a kimeneti kapacitás és a terhelés közé kapcsolódik. Akkor válhat komoly problémává, ha az áramérzékelő ellenállást a kimeneti induktivitás és a kimeneti kondenzátor közé kapcsoljuk.

A 2. ábra példája annak, milyen egyszerű is lehet a kábel feszültségesésének kompenzálása. Ez egy 12 V-os bemenetű, 5 V-os kimenetű feszültségcsökkentő szabályozó, amely például autóba szerelt USB-töltőként használható. A tápegység abba a csatlakozódugóba szerelhető, amellyel a töltő az autó 12 V-os energiahálózatára csatlakozik, a terhelést pedig egy kábelen keresztül látja el energiával. Az áramkör szíve az U1 vezérlő IC, amely zárja a feszültség-visszacsatoló hurkot, ezen kívül pedig tartalmazza a feszültségcsökkentő szabályozó teljesítménykapcsolóit. Az integrált áramkör belsejében a visszacsatoló pont feszültsége egy 1 V-os referenciaforrással hasonlítódik össze.

2. ábra Ez a módszer a hagyományos felépítésű áramköröknél 1-el kevesebb erősítővel képes a kábel feszültségesését kompenzálni

Ezt az információt arra használjuk, hogy ez határozza meg a teljesítménykapcsolók kitöltési tényezőjét. A visszacsatolási pont feszültségét az R5/R7 feszültségosztó határozza meg úgy, hogy a TP9 mérőponton 5 V-ra szabályozza a feszültséget. Az U4A erősítő kivonja az áramérzékelő ellenállás erősített feszültségét a TP4 mérőpont feszültségéből. Ebben az áramkörben a kimeneti áram^[3] 2,5 A, amely az áramérzékelő ellenálláson 125 mV feszültséget ejt. A differenciálerősítő bemeneti ofszetfeszültsége 3 mV, amelyet 10 mV-ra erősít az erősítő. Ezzel nagyjából 2% feszültséghiba keletkezik. Ennél kisebb hibát is elérhetünk, ha kisebb ofszetű, drágább erősítőt alkalmazunk. Ez az áramkör tehát nagyjából 625 mV kábel-feszültségesést képes kompenzálni 125 mV-os áramérzékelő-feszültségnél, ötszörös erősítéssel.
A 3. ábra mutatja ennek az áramkörnek a mért teljesítőképességét. Három görbét tartalmaz: az első (piros) a korrigálatlan Vo értékét mutatja 0,25 Ω ellenállású kábelnél, a második (zöld) a kábel terhelés felőli végének feszültségét mutatja a feszültségesés kompenzációjával, a harmadik (kék) pedig a kábel feszültsgesését kompenzáló tápegység kimeneti feszültsége. Az „uncomp Vo” görbe azt mutatja, hogy a kábel feszültségesésének kompenzációja nélkül a kimeneti feszültség aránylag kis terhelésnél is kívül kerül a terhelés feszültségére megengedett ±5%-os tartományon. A „comp PS Vo” görbéből az olvasható le, hogy a tápegység kimenete kábelkompenzációval nagyjából 600 mV-tal meghaladja a névleges feszültséget a 2,5 A-es terhelőáramnál. A terheletlen feszültség 4,92 V, amelyet a kívánt 5 V-tal összehasonlítva 1,6% hiba adódik. Ez kisebb a lehetséges legrosszabb esetben mérhető hibánál. A számottevő hibaforrások: a referenciafeszültség hibája (0,7%), az R4 és R7 osztóellenállások 1%-os hibájából eredő 1,6%-os feszültségosztási hiba, valamint az U4A erősítő ofszethibája (0,3%). A „comp cable Vo” görbe mutatja a feszültséget a kábel végén, ahol az a terhelésre csatlakozik a feszültségesés kompenzálását követően. Ezzel a megközelítéssel tehát a megkívánt 5%-os pontosság könnyen teljesíthető.

3. ábra A tápegység terhelésre növekvő kimeneti feszültsége kompenzálja a kábel feszültségesését

Összegezve, lehetséges nem költséges megoldást találni arra a feladatra, hogy a terhelésen ne csökkenjen a feszültség a kábel feszültségesésének hatására. Számos esetben egy ilyen áramkör kevésbé növeli az áramkör bonyolultságát, mint a távérzékelő csatlakozás kialakítása. Ráadásul ez biztonságosabb is, mint ahogy a távérzékelő rendszer viselkedik meghibásodás esetén. Az itt bemutatott feszültségesés-kompenzációnak a szabályozó hurok kompenzációjára gyakorolt hatása jelentéktelen mindaddig, míg az áramérzékelő ellenállás a kimeneti kondenzátor föld felőli végére csatlakozik.

A sorozat következő cikkében a burkológörbe-követésre használt tápegységek sajátosságaival foglalkozunk. 

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

^[1] Az áramérzékelő differenciálerősítő és a kimeneti feszültségével arányos áramot előállító vezérelt áramgenerátor együtt egy feszültségvezérelt áramgenerátort – elterjedt nevén transzkonduktancia-erősítőt – alkot, erre hivatkozik a szerző a továbbiakban. – A szerk. megj.

^[2] Ez az egyszerű, DC matematikai modellből nem következik. Akkor fordulhat elő, ha a terhelés kapacitása nem nulla. – A szerk. megj.

^[3] E helyen a szerző nyilván a maximális kimeneti áramra gondol. – A szerk. megj.

A cikksorozat korábbi részei: