Teljesítményelektronikai ötletek – 72

Szinkronizálás teszi a „jól viselkedő” tápegységet

A korszerű tápellátó rendszerek egyik fontos trendje a több tápfeszültséget előállító, összetett kapcsolóüzemű tápegységek terjedése. Robert cikksorozatának ebben a részében az ilyen rendszerek szinkron működésének előnyeire hívja fel a figyelmet.

Az energiaellátó rendszerek az évek során egyre bonyolultabbá váltak, egyebek közt a több tápfeszültséges rendszerek sajátos követelményei következtében. Ezek kielégítésére gyakran több kapcsolóüzemű tápegységet tartalmazó megoldások szolgálnak. Ennek tervezése során az egyik meghatározó lépés annak eldöntése, hogy szinkronizáljuk-e az egyes tápegységek kapcsolási frekvenciáját, vagy hagyjuk azokat egymástól függetlenül működni. A szinkronizálatlan megoldások egyszerűbb áramkörökkel is megoldhatók, míg a szinkronizálás segíthet a tápfeszültségszűrés költségének csökkentésében és az elektromágneses zavarkibocsátás (ElectroMagnetic Interference – EMI) csökkentésében.
Az aszinkron működés hatásának bemutatása érdekében elkészítettük az 1. ábrán látható áramkör P-SPICE-szimulációját.

1. ábra A két aszinkron működésű tápegységnél fellépő „lebegési” jelenség miatt megnő a bemeneti feszültség hullámossága

Az áramgenerátorok képviselik a tápegységek bemeneti áramát. Az 1. ábra mutatja a két tápegység áramhullámformáit és a kondenzátoron mérhető feszültség hullámosságát. Ez a hullámosság akkor minimális, amikor a két konverter ellenfázisban működik, és akkor maximális, ha azok azonos fázisban működnek. Ebben az esetben majdnem kétszeres különbség tapasztalható a kimeneti feszültség hullámosságának mértékében az azonos és az ellenfázisú működés esetén. Ez a szinkronizálás megvalósítása mellett szóló erős érvek egyike. A bemeneti feszültség hullámossága tehát csökkenthető, ha megfontoltan választjuk meg, milyen fázisban működjenek a több tápfeszültséges rendszer egyes tápegységei. A második előny az, hogy az áram hullámosságát is csökkenteni tudjuk. Esetünkben tehát, ha a tápegységek fázisa 0,25-ös kitöltési tényezővel el van tolva, az eredő kitöltési tényező 0,5 lesz, így az áram hullámosságát az alábbi egyenlet határozza meg:

Amikor az áramok fázisban vannak, az eredő kitöltési tényező 0,25, de az áramváltozás csúcsértéke 2 × Io, amiből 0,87 × Io nagyságú áram-effektívérték adódik. Az áram effektív értékének valódi nagysága valahol a kettő között található, de mindenképpen jelentősen megnöveli a bemeneti kondenzátor megengedett áramhullámosságára vonatkozó követelményt, amely miatt szinte biztos, hogy megéri vállalni a tápegységek szinkronizálásával járó többletköltségeket.

2. ábra A bemeneti feszültség szimulált értékének Fourier-transzformáltja azt mutatja, hogy nincsenek összeg- és különbségi frekvenciájú összetevői

Ha az 1. ábrára nézünk, az a benyomásunk támadhat, hogy a hullámformának összeg- és különbségi frekvenciájú összetevői is vannak. Érdekes módon, ha elvégezzük a hullámforma Fourier-transzformációját a 2. ábrán látható eredménnyel, azon csak olyan összetevőket látunk, amelyek a kapcsolási frekvenciákkal függnek össze: az áramgenerátorok 180 és 200 kHz-en működnek, és a Fourier-transzformációból származó frekvenciaspektrumban csak ezeknek a frekvenciáknak az alap- és felharmonikusai találhatók. Ahhoz, hogy összeg- és különbségi frekvenciák is létrejöjjenek, szorzásra van szükség, amelyet nemlineáris karakterisztikájú alkatrészek – mint például kapcsolódiódák vagy tranzisztorok – képesek végrehajtani (ugye emlékszünk még a trigonometrikus azonosságra sin(u)sin(v)=1/2(cos(u-v)-cos(u+v)?).
Ha viszont megvizsgáljuk az átlagos feszültséget, amelyből a tápegység az energiát nyeri az 1. ábra minden egyes ciklusára vonatkoztatva, azt látjuk, hogy a változás frekvenciája a két kapcsolási frekvencia különbsége. Ez a változás megtalálja az utat a kimenetre, ha a tápegység hangfrekvenciás tartományú szűrése nem megfelelő. Ezt a nem eléggé hatásos feszültség-előrecsatolás, a vezérlés hiszterézises jellege vagy a hatástalan áramüzemmódú vezérlés okozhatja, és rendszerint másodrendű hatást képvisel.
Egy másik lehetséges mód, ahogy ez a „lebegési” jelenség eljuthat a feszültségellátó rendszer kimenetére, a rosszul tervezett földelési rendszer. A földáram a szomszédos kapcsolóüzemű tápegységekben a 2. ábrához nagyon hasonló jelalakokat képes előállítani. Volt is egy tápellátó rendszerünk, ami ilyen jelenségeket mutatott. A hibalehetőség bizonyítására végeztünk egy kísérletet. Megnöveltük a bemeneti kondenzátort, de semmiféle hatást nem tapasztaltunk. Ezután kis értékű induktivitást kötöttünk sorba a tápegységek bemeneti tápvezetékeivel. Ekkor azt találtuk, hogy minimálisra csökkent a két tápegység egymásra gyakorolt hatása, azaz az egyik tápegység áramának hullámossága nem hatott a másik tápegységre.

3. ábra A tápegység kapcsolása különbségi frekvenciájú összetevőt hoz létre

Ennek a jelenségnek egy példáját a 3. ábrán láthatjuk. Ha a lila színnel kirajzolt feszültség-hullámosságot és a kapcsolt csomópont zölddel ábrázolt hullámfomáját összevetjük egymással, azt látjuk, hogy a feszültség-hullámosság hirtelen változik, amikor a kapcsolt csomópont alacsony állapotba vált. Ez arra utal, hogy a második kapcsolóüzemű tápegység árama valahogyan hozzáadódik az elsőéhez, ahelyett, hogy a bemeneti feszültséget modulálná.
A végső érv a tápegységek szinkronizálására az, hogy ezen a módon ellenőrizhetjük a nagyteljesítményű kapcsolók kapcsolási fázisát, és ezáltal a kapcsolási időpontokat a rendszer többi tápegységéhez viszonyítva. Ha a tápegységek nincsenek szinkronizálva, előfordulhat, hogy több teljesítménykapcsoló kapcsolási időpontja egybeesik. Minden ilyen átmenet jelentős zajt generál, amely kaotikus működéshez vezethet, és ez felülírhatja a többi tervezési döntésünket, amelyek a nem szinkronizált működést részesítenék előnyben.

Összefoglalás

A több tápegységből álló rendszerek szinkronizálása számos előnnyel rendelkezik. Csökkentheti a bemeneti szűrőkondenzátorokon az áram hullámosságát. A kisebb áramhullámosságra méretezett kondenzátor választásával költséget takaríthatunk meg, de csökkenthetjük a tápegység bemeneti feszültségének hullámosságát is. A szinkronizálás kiküszöböli a tápellátó rendszer be- és kimenetein mutatkozó, és a kapcsolási frekvenciák különbségén jelentkező összetevőket is. Ha a kapcsolási időzítést pontosan kézben tartjuk, a több tápfeszültséget előállító tápegység kevésbé lesz hajlamos a kaotikus működésre.

www.ti.com/power-ca

A cikksorozat részei: