Teljesítményelektronikai ötletek (64. rész) – A burkológörbe-követés néhány következménye tápegységeknél
Megjelent: 2017. május 15.
A tápegységektől a legegyszerűbb esetben csupán állandó kimeneti feszültséget várunk, de – például a korszerű kommunikációs rendszerek energiahatékonyságának fokozására – szükség lehet a tápfeszültség dinamikus változtatására is a moduláló jel burkológörbéjéhez igazodva. Ezúttal erre mutat megoldást Robert cikke.
Az RF teljesítményelektronikai rendszerek hatásfoka egyre növekvő fontosságú a kisteljesítményű rendszereknél, különösen, amikor az utolsó percnyi működési időt is „ki akarjuk facsarni” az akkumulátorból. Hasonlóan fontos ez a nagy teljesítményű bázisállomásoknál is, ahol az energiaköltség csökkentése lényeges követelmény. Ennek egy magától értetődő módja, hogy az adó csak a valóban szükséges RF-teljesítményt sugározza ki. Ennek egy aránylag egyszerű módja, hogy az adó kimenőerősítőjét AB-osztályban működtetjük, és a meghajtójelet visszavesszük, ha csak kisebb kimenőteljesítményre van szükség. Ebben egy lépéssel tovább is mehetünk, ha a tápfeszültséget csökkentjük le akkor, ha kisebb kimenőteljesítményt kell előállítani. Az 1. ábra ezt a helyzetet szemlélteti: bemutatja az erősítő hatásfokának változását a kimenőteljesítmény függvényében. A tápfeszültség csökkentése növeli a hatásfokot, ugyanakkor korlátozza az erősítő által előállítható teljesítményt. Problémát a tápegység reagálási sebessége okozhat az ilyesfajta rendszerekben, mivel a kapcsolóüzemű tápegységek sávszélessége rendszerint néhányszor 10 kHz, a moduláció által támasztott követelmények viszont a több MHz-es tartományba esnek. Készült néhány lineáris és kapcsolóüzemű feszültségszabályozóból kombinált tápegység, mint az LM3290 és az LM3291. Ezekben az eszközökben a lineáris feszültségszabályozó hurok sávszélessége meghaladja az 50 MHz-et, és egy jó minőségű kapcsolóüzemű tápegységhez van illesztve. A kapcsolóüzemű szabályozó elegendő „mozgásteret” ad a kis feszültségesésű (Low DropOut – LDO) lineáris szabályozónak a burkológörbe-követéshez, és közben alacsony értéken tartja a veszteségi teljesítményt. Kísérletek is folynak arra, hogy a szabályozóhurok sebességét azzal növeljék, hogy a tápegység kapcsolási frekvenciáját korszerűbb – például GaN alapanyagú – kapcsolóeszközök használatával növeljék.
1. ábra Az alacsonyabb tápfeszültség növeli a hatásfokot, de korlátozza a kimenőteljesítményt
Egy burkológörbe-követő tápegységnek a gyors szabályozóhurkon kívül még egy feltételt kell teljesítenie: képesnek kell lennie arra, hogy a forrásirányú áram előállításán kívül a terhelés felől folyó, „nyelőirányú” áramot is kezeljen. Ez azt jelenti, hogy a tápegységnek kell töltést kivonnia a kimeneti kondenzátorból ahelyett, hogy a terhelés sütné ki a benne tárolt töltést. Máskülönben jelentős energiaveszteség keletkezhet a kisütés miatt. Az áramnyelő képesség néhány jelentős pontban érinti a tápegység architektúráját, amelynek mindkét irányban áramló energiát kell kezelnie. A kimeneti kapacitásban tárolt többlettöltést el kell vezetni valahová, és a szabályozásnak, az áramérzékelésnek és az áramkorlátozásnak is működőképesnek kell lennie mindkét fajta – forrás- és nyelőirányú – terhelőáram esetén is. A kimeneti kondenzátorban tárolt töltés eltávolításának egy hatékony módja a szinkron topológia. Ez a tápegység kimeneti diódáit vezérelt félvezetős kapcsolókkal helyettesíti, és ez lehetővé teszi, hogy a kimeneti áram bármelyik irányba folyhasson. A magától értetődő megoldás a szinkron feszültségcsökkentő szabályozó. Ezt a megoldást használják évek óta a DDR memóriák tápellátásánál a forrás- és nyelőirányú áramok kezelésére. A szigetelt szinkron topológiák is ugyanígy használhatók, mivel nincs semmi bennük, ami akadályozná a fordított irányú kimeneti áramot. A flyback, az előreszabályozó és fázisvezérelt hídmegoldások is sikeresen szerepeltek már a fordított irányú energiaáramlást (is) megkövetelő alkalmazásokban.
2. ábra A kimeneti áram irányt vált, és kisüti a kimeneti kondenzátort
A következő kérdés az, hova lesz a kimeneti kondenzátorban tárolt felesleges energia. A szinkrontopológiáknál ez visszajut a tápegység bemenetére, ahol azt más, párhuzamosan működő tápegységek hasznosítják, vagy a bemeneti zavarszűrő kondenzátorban tárolódik. Ha nincs másik tápegység, érdemes azt is számításba venni, hogy ez a visszatáplált energia a bemeneti feszültség lökésszerű változását okozza. Emiatt célszerű fontolóra venni azt is, hogyan hat ez a feszültséglökés a bemenetre kapcsolódó más részegységekre. Az ilyen típusú tápegységek utolsó problémája, hogy a hagyományosan használt árammérési módszerek egyirányúak. Ez azt jelenti, hogy a fordított irányú áramnál elveszítjük az áramérzékelésnek az áram-üzemmódú szabályozásnál szükséges jelalakját – ez pedig jelentős beavatkozás a hurok működésébe. Ez például azt is jelenti, hogy az ellentétes irányú kimeneti áramra nézve nem működik az áramkorlátozás. Mindez egy nagyon nagy sávszélességű szabályozóhurokkal társul, és túláram alakulhat ki, ha töltést vonunk ki a kimeneti kondenzátorból. A burkológörbe-követésre alkalmas tápegységek egy példája a PMP5726 referenciaterv. Ez egy, vezérelt egyenirányítókból felépített fázisvezérelt hídkapcsolás, amely lehetővé teszi a kétirányú kimeneti áramot. Feszültségmódú szabályozással működik, és kétutas egyenirányított kimenetű áramváltóval valósítja meg a túláram-védelmet mindkét irányban. A 2. ábra mutatja a feszültség-átalakító viselkedését, ha áramot vonunk ki a kimeneti kondenzátorból. A 20 kHz-es szabályozóhurok-sávszélesség kevesebb mint 50 µs alatt teszi lehetővé a kimeneti áram irányváltását és a kimeneti kondenzátor feszültsége 500 µs alatt csökken 30 V-ról 20 V-ra.
Összefoglalás
A burkológörbe-követés nagy sávszélességű tápegységet igényel olyan képességgel, hogy nem csak forrásirányú, hanem nyelőirányú áramot is képes kezelni. A kétirányú terhelhetőség – bonyolultabb felépítés árán – szinkron egyenirányítással és energiatárolással valósítható meg. Az áramérzékelőnek is képesnek kell lennie a kétirányú áram kezelésére. A burkológörbe-követés nem támaszt akadályokat a feszültségátalakító-topológiák kiválasztása elé, feltéve, ha azok szinkronegyenirányítást alkalmaznak. A sorozat következő folytatásában azt vizsgáljuk meg, hogyan lehet javítani egy offline flyback feszültségszabályozó elektromágneses interferenciatulajdonságait (EMI).