Teljesítményelektronikai ötletek – 67

Fly-Buck feszültségátalakítók néhány fontos paraméterének meghatározása

Ha egyszerű, igénytelen, de szigetelt – viszont legfőképpen olcsó és kis helyigényű – tápegységet kell készítenünk, gyakran a Fly-Buck átalakító jelenti a megoldást. Hogyan állapítsuk meg például a kapcsoló kitöltési tényezőjének működési korlátait? Ehhez ad útmutatót Robert sorozatának e havi cikke.

Előfordul, hogy egyszerű, kis teljesítményű, szigetelt feszültségátalakítót kell terveznünk széles bemenőfeszültségtartományra. A precíz szabályozás nem elsődleges igény – annál inkább az a költség és a NyÁK-helyfoglalás. A követelmények kielégítésére kínál jó megoldást a Fly-Buck™ tápegység, amely egy egyszerű, feszültségcsökkentő szabályzó – csatolt tekercsekkel megvalósítva. A szabályozás a csatolt tekercsek szekunder tekercsfeszültségének egyenirányításával történik, miközben a primer körbe iktatott alsó oldali kapcsoló bekapcsolt állapotban van. 

Ezzel a feszültséggel arányos a szekunder feszültség, amely a feszültségcsökkentő átalakító kimenőfeszültségének és a csatolt tekercs menetszámarányának szorzata. Az áramkör működését sorozatunk 33. részében elemeztük részletesen.
Az 1. ábra mutatja, milyen egyszerű is lehet egy Fly-Buck áramkör. Ebben az áramköri tervben a szinkron feszültségcsökkentő teljesítménykapcsolói a vezérlőáramkörbe vannak beépítve, ezenkívül pedig csak egy marék passzív alkatrész és egy transzformátor szükséges hozzá. A terv sikeres megvalósításának igazi trükkje a csatolt tekercs specifikálása vagy kiválasztása. Ezen belül is a menetszámok, a szórt és csatolt induktivitás értékei azok, amelyeket helyesen kell méreteznünk.

1. ábra A Fly-Buck áramkörrel egyszerűen megvalósítható a szabályozott, szigetelt kimenetű tápegység

Az 1. ábrán látható áramkörben a transzformátor menetszámarányát a primer és a szekunder kimeneti feszültség határozza meg. Ez egyszerűen a primer feszültség, valamint a dióda (D1) nyitófeszültségével és a tekercsen eső egyenfeszültséggel megnövelt szekunder feszültség aránya. Ebben az esetben a primer kimeneti feszültség és a minimális bemeneti feszültségigény közötti összefüggést kell megértenünk. Az nyilvánvaló, hogy a feszültségcsökkentő átalakító nem képes a bemeneti feszültségénél nagyobb kimenőfeszültséget előállítani. Ha ez a kettő túlságosan megközelíti egymást, előfordulhat, hogy az áramkör nem működik megfelelően. Újabb korlátozást jelent a vezérléssel elérhető maximális kitöltési tényező is, mivel a kimeneti feszültség jó közelítéssel a bemenőfeszültség és a kitöltési tényező szorzata. Egy másik kihívás is jelentkezik az extrém nagy értékű kitöltési tényezőknél, ahol az áramok igen nagy értéket vehetnek fel. Ezek a nagy áramok mind a töltésegyensúlyból, mind pedig az alapáramkör működéséből következhetnek. A töltésegyensúlyból azért, mert a kimeneti kondenzátor csak akkor töltődik, amikor a kapcsoló bekapcsolt állapotban van, és a kapcsolt csomópont feszültsége alacsony. A kapcsolási ciklus további részében a terhelőáramot a kondenzátor szolgáltatja. Átlagosan ahhoz, hogy a kondenzátorba bejutó és onnan kivett töltés egyensúlyban legyen, az alábbi egyenletnek kell teljesülnie:

ahol I_out a terhelőáram, I_charge a kondenzátorba befolyó töltőáram, D pedig a kitöltési tényező (0≤D≤1).

Ennek eredményét a 2. ábra mutatja, ahol az I_charge/I_out arányt a D függvényében ábrázoltuk. A 75%-nál nagyobb kitöltési tényezőknél ez az arány 3, és nagyon meredeken emelkedik, ha a kitöltési tényező tovább növekszik. A nagy áram befolyásolja a szekunder kimenet szabályozását. Amíg a dióda vezet, a csatolt tekercs a transzformált primer kimeneti feszültséget a csatolt tekercs szórt induktivitásából, a soros veszteségi ellenállásból és a kimeneti szűrőkondenzátorból álló soros kombinációra juttatja.

2. ábra A C7 kondenzátor töltőárama magas a magas D kitöltési tényező miatt, ami akkor következik be, ha a V_out megközelíti a V_in-t

A szekunder tekercs áramának hullámformáját – amit a szórt induktivitás erősen befolyásol – a 3. ábra mutatja. Ez jelentős hatást gyakorol a szabályozás pontosságára. A szórt induktivitás határozza meg, milyen meredeken változik a szekunder tekercs árama. Ha a szórt induktivitás kicsi, az áram gyorsan növekszik, és ez gyorsan tölti a kimeneti kondenzátort. Nagyobb szórt induktivitásnál az áramnövekedés meredeksége csökken, aminek következtében kevesebb töltés jut a kimeneti kondenzátorba, és kisebb lesz a kimeneti feszültség.

3. ábra A kondenzátor töltőáramának hullámformáját jelentősen befolyásolja a szórt induktivitás (Zöld: 10 nH, Piros: 100 nH, Kék: 1 μH)

A 4. ábrán a szórt induktivitásnak a szekunder kimenet szabályozására gyakorolt (szimulált) hatása látható. Ez a diagram a primer és a szekunder kimeneti feszültséget ábrázolja a kitöltési tényező és a szórt induktivitás függvényében. A szimulációnál 1:1 áttételű transzformátort és 2,5 µH primer induktivitást vettünk alapul, változó mennyiségű szórt induktivitással. A bemeneti feszültség 5 V volt. A primer terhelés 1 A, a szekunder terhelés pedig 0,2 A. Az első görbe a primer kimeneti feszültség, amely lineáris kapcsolatot mutat a kitöltési tényező és a kimeneti feszültség között. A többi diagram azt mutatja, hogy a szekunder kimenet feszültsége viszont nemlineáris kapcsolatban van a kitöltési tényezővel. Két dolog van, ami rontja a szekunder kimenet szabályozását. A bal oldalon, a kisebb kitöltési tényezőknél a szekunder kimeneti feszültség közelítőleg egy dióda nyitófeszültségével kisebb, mint a primer feszültség. Ez a tulajdonság javítható, ha a dióda helyett szinkron-egyenirányítót használunk. A jobb oldalon, a nagyobb kitöltési tényezőknél a rövidebb bekapcsolási idő megnöveli a csúcsáramot, és a szórt induktivitás hatása is jelentősebbé válik. Ha nagy a szórt induktivitás, az áramkör valószínűleg nem használható 50%-nál nagyobb kitöltési tényezővel, vagy a bemeneti és kimeneti feszültség 2:1-et meghaladó arányával. A szórt induktivitás szokásos mértékével az áramkör akár 75% kitöltési tényezővel vagy 1,33:1 be/kimeneti feszültségaránnyal működhet. Végül, ha „hősiesen” megküzdöttünk a szórt induktivitás csökkentéséért, az áramkör akár 83% kitöltési tényezővel, vagy 1,2:1 feszültségaránnyal is használható. Emlékezzünk a 2. ábrán látottakra, amely szerint az áram csúcsértéke és effektív (RMS) értéke magas kitöltési tényezőknél nagyon nagy. Ezt a parazita hatások erősen befolyásolják, és a megértésükhöz a legjobb a szimuláció módszerét használni.

4. ábra A szórt induktivitás a szabályozás minőségének „gyilkosa”

Összegzés

A Fly-Buck átalakító kényelmes választás, ha egyszerűen kell valamilyen szigetelt segédfeszültséget előállítani, de nagy gondossággal kell eljárni, ha az átalakítót nagy kitöltési tényezővel akarjuk működtetni. Ekkor ugyanis a csúcsáramok nagyon nagy értéket vesznek fel. A szórt induktivitás „kézben tartása” révén a kitöltési tényezőt ugyan lehet még „feljebb szorítani”, de 80%-ot meghaladó kitöltési tényezővel nem érdemes számolni.

A sorozat következő cikkében a kapcsolóüzemű tápegységek által keltett elektromágneses zavarás (EMI) hatását vizsgáljuk meg.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat részei: