Teljesítményelektronikai ötletek – 71

Válasszunk megfelelő egyenirányítót a többkimenetű flyback-átalakítókhoz

Sorozatunk 69. részében megvizsgáltuk, hogyan használható a súlyozott visszacsatolás a többkimenetű flyback-feszültségátalakítók keresztszabályozásának^[1] javítására. Egy másik fontos tervezési szempont a kimeneti egyenirányítók helyes megválasztása, mivel ez is befolyásolja a keresztszabályozás összefüggését a terheléssel, a hőmérséklettel, a hatásfokkal és a transzformátor tervezésével. Tekintsük most át ezeket a kölcsönhatásokat egy flyback szabályozón, amely 3,3 V/0,5 A-es és 5 V/2 A-es kimenettel rendelkezik.

Vizsgált áramkörünkhöz (1. ábra) egyenirányítókat választunk a D1 és D3 pozícióra, majd meghatározzuk a transzformátor 3,3 V-os és az 5 V-os kimenetekhez tartozó menetszámarányait. Az első, amit el kell döntenünk, az egyenirányítók szükséges feszültségtűrése. Ezt a paramétert a következők határozzák meg: a kimeneti feszültség és a primer tekercs felől „visszatükrözött” feszültség különbsége, amelyet a lengések és a paraméterromlás miatt biztonsági ráhagyással növelünk meg. Ezt figyelembe véve 30 V-os megengedett zárófeszültségű diódák szükségesek a 3,3 V-os, és 40 V-osak az 5 V-os kimenethez.

1. ábra A kétkimenetű flyback tápegységnél megvalósított keresztszabályozás költségmegtakarítást hoz

Ezután kiválasztjuk az egyenirányító jellegét a következők közül: ultragyors feléledésű dióda, Schottky-dióda vagy MOSFET.
A 2. ábra mutatja mindegyik változat áram-feszültség-karakterisztikáját széles áramtartományban, –40…+125 °C hőmérsékleten. Az a maximális áram, amit a tápegységnek szolgáltatnia kell, rendszerint adott, viszont a minimális áramra vonatkozó követelményről alig kapunk támpontot azonkívül, hogy a tápegységnek néha terheletlenül is működnie kell. Emiatt jelentős változásokra kell számítani a feszültségesésben, amely tönkreteszi a szabályozás minőségét, mégpedig – amint azt látni fogjuk – különösen a kisfeszültségű kimeneten.
A tervezők gyakran előterhelő ellenállásokat tesznek a tápegység kimenetére a terhelőáram-tartomány korlátozása érdekében. Azt is figyelembe kell venni, hogy a nem folytonos működésű flyback-áramkörök esetén a dióda csúcsárama a kimeneti terhelőáram négyszerese, azaz 1 A-es kimeneti áramnál a diódának 4 A csúcsáramot kell elviselnie. A 2. ábrán a gyors feléledésű (fast recovery) diódának a legnagyobb a feszültségesése, amely 0,6 V-os feszültségváltozást okoz az előírt áramtartományban. A Schottky-dióda feszültségesése kisebb az előbbinél, bár még ez is 0,4 V feszültségváltozást okoz a terhelőáram-tartomány szélső értékei között.
A legkisebb feszültségesést a MOSFET adja, ezért ez okozza a legkisebb kimenőfeszültség-változást. Ugyanakkor ez a legköltségesebb mindhárom közt, ráadásul meghajtóáramkört is igényel, ami tovább növeli az anyagköltséget és az áramkör méreteit.

1. táblázat Az egyenirányítón eső feszültség nagy változásai lerontják a keresztszabályozás minőségét

Miután tisztáztuk a különféle egyenirányítók feszültségesésének mértékét, határozzuk meg a transzformátor szekunder menetszámát. A minimális menetszámot a telítés által maximált fluxusváltozás vagy a vasveszteség határozza meg. Ezt a minimális menetszámot felhasználva építhetjük fel az 1. táblázatot. Az 1. esetben ez a táblázat egy menetet tételez fel a transzformátor 3,3 V-os és 5 V-os kimenete között, és az 5 V-os kimenetet a tökéletesen szabályozott 3,3 V-os kimenőfeszültség feltételezésével mutatja. Ilyenkor az 5 V-os kimenet 5,2 V-ra növekszik (ami 4% értékhibának felel meg) a diódák névleges feszültségesése és kétmenetes, 3,3 V-os tekercs esetén. A hiba valójában ennél nagyobb, amelyet olyan parazitikus hatások okoznak, mint a transzformátortekercs ellenállása és induktivitása.
A 2. eset a feszültség szélső értékeit mutatja nagy terhelésű 3,3 V-os és kis terhelésű 5 V-os kimenet esetén. A hiba ez esetben 13%. A 3. és 4. esetben az 5 V-os kimeneten a Schottky diódát gyors feléledésű diódára cseréltük, ami nem túl fényes eredményre vezet: a névleges értéknél mérsékelt emelkedést tapasztalunk, de a legrosszabb esetben 20%-os csökkenés adódik.
A 5-8. esetben korrigáltuk a menetszámokat annak érdekében, hogy jobb kombinációt találjunk. A 7. és a 8. esetek egyértelműen jobb eredményt adnak a maguk 5%-os értékhibájával. Ebben kompromisszumot kell kötnünk, mivel a nagyobb menetszámokkal jelentősen megnövekszik a szekunder tekercs rézvesztesége (a tekercs ohmos ellenállásán eső feszültség – A ford. megj.) Minden menet keresztmetszete megfeleződik, kétszeresére növelve a menetenkénti ellenállást. Továbbá a tekercselt huzalhossz is megkétszereződik, amely ismét csak megkétszerezi az ellenállást. A végeredmény az, hogy az értékhiba négyszeresére növekszik. A 9. eset adja a legjobb eredményt, amely a MOSFET kis feszültségesésének köszönhető: a névleges feszültségesésnél nincs beállítási hiba.

2. ábra A MOSFET csillapítja az egyenirányítón eső feszültség változását, amely tönkretenné a keresztszabályozás minőségét

Összegzés

A kisfeszültségű flyback feszültségátalakítók egyenirányítóin eső feszültség jelentősen lerontja a keresztszabályozás minőségét.
A problémát tovább bonyolítja, ha a terhelőáram széles tartományban változik, amelynek következtében az egyenirányító nyitófeszültsége nagy mértékben változik. Az előterhelés segíthet a maximális és minimális terhelőáramok arányának csökkentésével, amelynek ára a teljesítményveszteség növekedése és a hatásfok csökkenése. A legjobb szabályozási eredményt a kis feszültségesésű egyenirányítókkal érhetjük el.
A szinkronegyenirányítóként használt MOSFET-ek adják a legjobb eredményt, amelyet viszont az ár, a bonyolultság és a méretek növekedésével kell megfizetnünk. Az ezt követő legjobb választás a Schottky dióda, a legkevésbé kedvező pedig a rétegdióda. Ezentúl a transzformátor menetszámait iteratív módszerrel lehet optimalizálni, amely kompromisszumkeresés az értékbeállítási pontosság és a transzformátor veszteségei között.
További részleteket talál az olvasó a Texas Instruments portál PowerLab blogjában, és ha már úgyis arra jár, tekintse meg a közel 1400 megépített, letesztelt és dokumentált, szabadon felhasználható referenciatervből álló választékot.

A következő részben megvizsgáljuk, miért érdemes szinkronizálni a tápegységeket.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat részei:

^[1]A „keresztszabályozás” minőségjellemző paraméter azt fejezi ki, hogy egy több kimenetű tápegység egyik kimenetén létrejött terhelésváltozás milyen arányban befolyásolja a másik kimenet feszültségét – A ford. megj.