Teljesítményelektronikai ötletek – 69

Többkimenetű tápegység szabályozási specifikációjának teljesítése súlyozott visszacsatolással

Ha többkimenetű tápegységet kell terveznünk, nem mindig megfelelő megoldás, hogy az egyik kimenetet stabilizáljuk, a többi meg „ahogy sikerül”. Minden egyes kimenet stabilitásáról külön visszacsatoló hurokkal gondoskodni pedig drága mulatság. Robert sorozatának ehavi cikke okos kompromisszumot javasol.

Nem egyszer kap a teljesítményelektronikai mérnök olyan megbízást, hogy minimális költségű, mégis minden kimenetén szigorú stabilitási követelményeket teljesítő, többkimenetű tápegységet tervezzen. Jó példa erre az a kis teljesítményigényre tervezett, offline flyback szabályozó (1. ábra), amelynek egyik kimenetén 3,3 V-os, a másikon 5 V-os feszültséget kell előállítania. A szabályozási követelmények a következők: ±5% a 3,3 V-os, és ±10% az 5 V-os kimeneten. A tervezéskor alkalmaztunk néhány megoldást a keresztszabályozási tulajdonságok^[1] javítására. A transzformátor egyetlen, megcsapolt szekunder tekercset tartalmaz a 3,3 V-os és az 5 V-os kimeneti feszültség előállítására, amelynek kétféle kedvező hatása is van:

• A két kimenet közötti keresztszabályozást a közöttük mérhető szivárgási (azaz szórt, kölcsönös) induktivitás befolyásolja.

• A megcsapolt tekercselés segít minimalizálni ezt a szivárgási induktivitást.

1. ábra Az R18 ellenállás teremti meg a kimeneti feszültség súlyozott szabályozásának lehetőségét

Ha 3,3 V-os a szabályozott kimenet, a vezetékek ellenállásán a terhelő áram hatására létrejövő feszültségesés hatását a szabályozás megszünteti („kiszabályozza”), és a feszültségnek csak a „maradéka”, a 3,3 V és 5 V közötti része marad szabályozatlan. Lényegében tehát csak egy 1,7 V-os tekercselés feszültségváltozásaival kell számolnunk a teljes 5 V-os feszültséget előállító tekercselésen változó feszültség helyett.

Egy további trükk is az 5 V-os kimenet pontosabb illeszkedését szolgálja a specifikációhoz: az R6 és a D5 segíti a szabályozást, ha az 5 V-os tekercsen kis mértékű, a 3,3 V-oson pedig nagy a terhelés. Ebben az esetben, amikor a primer oldali kapcsolófet kikapcsol, jelentős mennyiségű energia tárolódik a szivárgási induktivitásban, amelynek hatása egy csúcsértékmérővel észlelhető a kis terhelésű szekunder tekercsben. Az R6 és D5 egy kapcsolt terhelést képvisel, amely egy kis árammal többletterhelést okoz egészen addig, míg a feszültség meg nem közelíti a maximális szabályozási munkapontot.
A 2. ábra mutatja a kimeneti feszültségek keresztszabályozásának jellegét a terhelőáram függvényében, miközben az 1. ábrán látható R18 ellenállás meg van szakítva. Látható, hogy a 3,3 V-os kimenet szabályozása minden terhelési tartományban pontos. A kimeneti feszültség gyakorlatilag független a terhelőáramtól, és a pontosságát csak az ellenállások és a referenciafeszültség toleranciája, valamint hőmérsékletfüggése befolyásolja. Ezzel ellentétben – ebben a bizonyos esetben – az 5 V-os kimenet nem jól szabályozott, és kilép a specifikált pontossági tartományból. Több tényező is van, ami ezt a gyenge minőséget okozza. Az első önmagában az 5 V-os kimenet nyílt hurkú, szabályozatlan kialakítása. Ezenkívül a szabályozott hurkon kívül eső tekercselésszakasz vezetékellenállása és a két szekunder tekercs közötti kölcsönös, szórt induktivitás is rontja az 5 V-os kimenet szabályozottságát. Ez az oka annak is, hogy az ábrán két diagramot is feltüntettünk az 5 V-os kimenet terhelésfüggéséről a 3,3 V-os kimenet terhelésének függvényében. Ráadásul a 3,3 V-os kimenet terhelésének növelése hatására az 5 V-os kimenet feszültsége megemelkedik. Egy példa erre az az effektus, amit a 3,3 V-os kimenetet egyenirányító dióda okoz: nagyobb kimeneti áramoknál a diódán eső feszültség is megemelkedik, a szabályozó hurok pedig megnöveli a transzformátor primer feszültségét a dióda feszültségesésének kompenzálása érdekében. Ez a megnövekedett primer feszültség arányosan megnöveli az 5 V-os kimenet feszültségét. Ez tehát az oka annak, hogy az 5 V-os kimeneti feszültség görbéi a 3,3 V-os kimenet növekvő terhelőárama hatására növekednek.

2. ábra A 3,3 V-os kimenet szabályozása esetén csak az 5 V-os kimenet léphet ki a szabályozási tartományból. 

A példánkban eddig azt tapasztaltuk, hogy a 3,3 V-os kimenet bőven belül marad a specifikált tűréstartományán, míg az 5 V-os kilép a sajátjából. Elvileg megpróbálkozhatnánk, hogy azzal javítsuk a szabályozást, hogy az 5 V-os kimenetet szabályozzuk. Ebben az esetben azonban azt tapasztalnánk, hogy a helyzet megfordul: lenne egy jól szabályozott 5 V-os kimenetünk és egy 3,3 V-os kimenet ±10%-os toleranciával, ami nyilvánvalóan nem felel meg a specifikációnak. Olyan tervet kell tehát készítenünk, amely a két szélsőség közé esik, és optimálisan használja ki mindkét kimenet megengedett szabályozási tűréstartományát. Ezt az R12 és R18 ellenállások beépítésével tehetjük meg.
Az elfogadható kimeneti változás meghatározásához először egy, a 2. ábrához hasonló diagramot kell készítenünk, és ennek segítségével számítsuk ki a kimenőfeszültség-toleranciákat.
A 3,3 V-os kimenetet állandónak tartjuk, az 5 V-os kimenet ±12%-ot változik. Ha a változásokat szét akarjuk osztani a kimenetek között, 2%-os változást engedhetünk meg a 3,3 V-os kimeneten és 9%-osat az 5 V-oson, 1-1%-os biztonsági ráhagyással mindkét kimeneten.
Az osztó ellenállásainak kiszámításához először írjuk fel az áramkört leíró egyenletrendszert az R15 ellenállás áramának meghatározásához a szélső értékekkel, majd abból határozzuk meg az ellenállások arányát. Azt találjuk, hogy az ellenállások aránya egyszerűen azonos a megengedett feszültségváltozások arányával:

Vonjuk ki egymásból a két egyenletet és oldjuk meg az ellenállások arányára:

, azaz 

R12 = 0,15 . R18

Ha az arányokat ezen a módon meghatároztuk, válasszunk értéket az R12, R15 és R18 ellenállások egyikének, és azzal számítsuk ki a másik kettőt. Például, ha az első lépésben megválasztottuk az R18 értékét, az R12 a fenti arányból kiszámítható. Ezt követően számítsuk ki az áramot a két ellenálláson. Végül pedig az R15 is kiszámítható annak ismeretében, hogy rajta 1,25 V feszültségnek kell esnie, és az árama az R12 és az R18 ellenállások áramának összege. A 3. ábra mutatja, hogyan sikerült ezzel a megoldással az áramkört a specifikációnak megfeleltetni azon az áron, hogy valamennyit engedtünk a 3,3 V-os kimenet pontosságából.

3. ábra A 3,3 V-os kimenet szabályozási minőségének megengedett határon belüli csökkentése a specifikációnak megfelelő feszültségtűrést eredményezi az 5 V-os kimeneten

Összefoglalás

Nem feltétlenül szükséges több feszültségszabályozó hurkot kialakítani ahhoz, hogy egy többkimenetű tápegység minden kimenete megfeleljen a terhelésszabályozás követelményeinek. Bizonyos megoldásokkal – mint az előterhelés és a szoros csatolású tekercselés – lehetséges a teljes szabályozás minőségének javítása. Ezenkívül pedig, több kimenet súlyozott mértékű együtt szabályozásával lehetővé válik a relatív szabályozási tűrések ellenőrzött módon történő szétosztása a kimenetek között. Egy többlet-ellenállás beiktatásával jelentős mennyiségű áramköri elem beépítését takaríthatjuk meg.

A sorozat következő cikkében megvizsgáljuk egy nem szigetelt DC/DC-konverterben mérhető jelalakokat.

A cikksorozat részei:

^[1]Ezt a kifejezést használjuk a többkimenetű tápegység azon tulajdonságának megnevezésére, hogy az egyik kimenetet érő hatások (például terhelésváltozás) mekkora hatással vannak a másik kimeneti feszültségre. – A ford. megj