A parazitaparaméterek értékének minimálisra csökkentése a kapcsolóüzemű tápegységekben

A kapcsolóüzemű tápegységek kiváló hatásfokuk és rugalmasságuk miatt népszerűek. Emellett komoly feladatokat is jelentenek, mivel egyre újabb felhasználási területeken jelennek meg. A legnagyobb gond velük az, hogy a nagyfrekvenciás kapcsolásuk elektromágneses zavarokat (EMI, electromagnetic interference) okozhat a rendszer többi részében. Ráadásul ugyanazok a tényezők, amelyek elektromágneses zavarást okozhatnak, a hatásfokot is rontják, ami csorbítja a kapcsolóüzemű tápegységek egyik legjelentősebb előnyét.

Ezeknek a problémáknak az elkerülése érdekében a tervezőknek különös gondossággal kell eljárniuk a „meleghuroknak”, azaz a tápegységet alkotó áramkör azon részének a beállításakor, ahol a gyors kapcsolás történik. Elengedhetetlen a meleghurokban az egyenértékű soros ellenállás (ESR, equivalent series resistance) és egyenértékű soros induktivitás (ESL, equivalent series inductance) miatt megjelenő parazitaparaméterek okozta veszteségek minimálisra csökkentése. Ez nagy integráltsági fokú tápegységalkatrészek használatával és a nyomtatott áramköri lap (nyák) gondos elrendezésével érhető el.

Ez a cikk kitér a meleghurkokra és a parazitaparaméterek miatti veszteségek forrásaira, beleértve a csatolókondenzátorokat, a térvezérelt (FET) teljesítménytranzisztorokat és a nyomtatott áramköri lap átmenő furatait. Ezután az Analog Devices egyik termékét felhasználva mutat egy példát a nagy integráltsági fokú teljesítményátalakítókra, majd különböző áramkörilap-elrendezéseket ismertet, és taglalja azoknak a parazitaparaméterekre gyakorolt hatását. A cikk az egyenértékű soros ellenállás és az egyenértékű soros induktivitás csökkentésére irányuló gyakorlati tanácsokkal zárul.

A kapcsolóüzemű tápegységek meleghurkai – alapismeretek

Minden gyorsan kapcsolt áramokkal működő tápegység – amilyenek például a feszültségnövelő, a feszültségcsökkentő-feszültségnövelő és a visszafutásos áramátalakítók – tartalmaz meleghurkokat, amelyekben az áram kapcsolása nagyfrekvencián történik. Ezt a koncepciót egy egyszerűsített feszültségcsökkentő áramátalakítóval (angol nevén buck converter vagy step-down converter) szemléltetjük (1. ábra). A bal oldali (piros) hurok tartalmazza az összes kapcsolóelemet. Ebben folynak az áramkör által indukált nagyfrekvenciás áramok, ezek alkotják a meleghurkot.

1. ábra: A feszültségcsökkentő áramátalakító egyszerűsített kapcsolási rajza jól szemlélteti a meleghurok (pirossal kiemelve) elvét (ábra: Analog Devices)

A „meleg” jelleg az áramkör ezen részén zajló kapcsolási és jelentős mértékű energiaátalakítási tevékenységekből ered, amelyek gyakran hőtermeléssel járnak együtt. Az elektromágneses zavarás minimálisra csökkentése és a tápegység jó hatásfokkal való működésének biztosítása érdekében rendkívül fontos ezeknek a meleghurkoknak a megfelelő elrendezése és kialakítása.

A 2. ábrán látható, a valósághoz közelebb álló áramkör egy szinkron feszültségcsökkentő egyenáram-átalakítót mutat. Ebben a meleghurokban a fizikai összetevők (fekete színnel jelölve) a bemeneti kondenzátor (C_IN) és az áramot kapcsoló fém-oxid záróréteges térvezérelt tranzisztorok (MOSFET-ek) (M1 és M2).

2. ábra: A valós áramkörökben a meleghurkok elkerülhetetlenül tartalmaznak parazitaparamétereket (piros színnel jelölve) (ábra: Analog Devices)

A meleghurokban megjelenő parazitaparaméterek az ábrán pirossal vannak jelölve. Az egyenértékű soros induktivitás (ESL) jellemzően a nanohenrys (nH), míg az egyenértékű soros ellenállás (ESR) a milliohmos (mΩ) tartományban van. A nagyfrekvenciás kapcsolás lengést okoz az egyenértékű soros induktivitásokban, ami elektromágneses zavarást eredményez. Az egyenértékű soros induktivitásokban tárolt energiát ezután az egyenértékű soros ellenállások felemésztik, ami teljesítményveszteséghez vezet.

A parazitaparaméterek minimálisra csökkentése IC-be integrált alkatrészekkel

Ezek a parazitaimpedanciák és -ellenállások (ESR, ESL) az alkatrészeken belül és a meleghurok nyomtatott áramköri nyomvonalai (vezetőcsíkjai) mentén fordulnak elő. Hogy ezeket a paramétereket minimálisra csökkentsék, a tervezőknek gondosan kell kiválasztaniuk az alkatrészeket, és optimalizálniuk kell a nyomtatott áramköri lap elrendezését.

Mindkét cél elérésének egyik módja az IC-be integrált alkatrészek használata. Ezek kiküszöbölik a diszkrét alkatrészek csatlakoztatásához szükséges nyomtatott áramköri vezetőcsíkokat, és egyúttal csökkentik a meleghurok teljes területét is. Mindkettő hozzájárul a parazitaimpedancia és a parazita-ellenállás csökkentéséhez.

Kiváló példa a nagy integráltsági fokú alkatrészekre az Analog Devices LTM4638 jelű µModule feszültségcsökkentő feszültségszabályozója. Amint a 3. ábrán látható, ez a 15 A-es kapcsolóüzemű feszültségszabályozó tartalmazza a kapcsolásvezérlőt, a teljesítmény-FET-eket, a tekercset és a kiegészítő alkatrészeket, mindezt egy parányi, 6,25 mm × 6,25 mm × 5,02 mm méretű tokban.

3. ábra: Az LTM4638 µModule feszültségszabályozó tartalmazza a feszültségcsökkentő áramátalakítóhoz szükséges alkatrészek jelentős részét (ábra: Analog Devices)

Az LTM4638 számos más funkciót is tartalmaz, amelyek csökkentik a parazitaparaméterek miatti veszteségeket. Ezek a következők:

• Gyors reakció a feszültséglökésekre: Ez a funkció lehetővé teszi a feszültségszabályozó számára, hogy a terhelés vagy a bemenőfeszültség változásaira reagálva gyorsan beállítsa a kimenőfeszültséget, az optimálisnál rosszabb üzemállapotokon való gyors átmenettel minimálisra csökkentve a parazitaparaméterek okozta veszteségek időtartamát és hatását.
• Folyamatos üzemmódú működés: Ez a funkció azt teszi lehetővé, hogy a tekercsáram még a következő kapcsolási ciklus megkezdése előtt nullára csökkenjen. Ez a jellemzően kis terhelések esetén használt üzemmód úgy csökkenti a tekercs okozta kapcsolási és magveszteségeket, hogy a ciklus egy részére áramtalanítja a tekercset.
• Kimeneti feszültségkövetés: Azt teszi lehetővé, hogy az áramátalakító kimenőfeszültsége egy bemeneti referenciafeszültséget kövessen. Ez a funkció a kimenőfeszültség fel- és lefutásának pontos szabályozásával csökkenti a kimenőfeszültség-túllövések és kimenőfeszültség-esések valószínűségét, amelyek növelhetnék a parazitaparaméterek okozta veszteségeket.

A parazitaparaméterek értékének minimálisra csökkentése az alkatrészek megfelelő elhelyezésével

Az LTM4638 szinkron feszültségcsökkentő áramátalakító megépítéséhez diszkrét külső C_IN és C_OUT kondenzátorokkal kell kiegészíteni a µModule IC-t (integrált áramkört). Ezeknek a kondenzátoroknak az elhelyezése jelentős hatással lehet a parazitaparaméterekre.

Az Analog Devices LTM4638 DC2665A-B fejlesztőkártyával végzett kísérlete jól szemlélteti a C_IN bemeneti kondenzátor különféle elhelyezéseinek hatását. Ezt a fejlesztőkártyát azóta felváltotta a DC2665B-B jelű fejlesztőkártya, de arra is ugyanazok az elvek érvényesek. A 4–6. ábra a C_IN kondenzátor három különböző elhelyezését és az azoknak megfelelő meleghurkokat mutatja. Az 1. (4. ábra) és a 2. (5. ábra) függőleges meleghurok esetén a C_IN kondenzátor az alsó rétegbe van bekötve, közvetlenül a feszültségszabályozó IC alatt, illetve annak egyik oldalán. A vízszintes meleghurok (6. ábra) esetén a kondenzátor a felső rétegbe van bekötve.

4. ábra: 1. függőleges meleghurok, alul- és oldalnézet. A C_IN közvetlenül a feszültségszabályozó IC alatt van, átmenő furatok használatával bekötve (ábra: Analog Devices)

5. ábra: 2. függőleges meleghurok, alul- és oldalnézet. A C_IN a feszültségszabályozó IC alatt, de egyben mellett is van, így a bekötéséhez nyomtatott áramköri vezetőcsíkokra és átmenő furatokra van szükség (ábra: Analog Devices)

6. ábra: A vízszintes meleghurok felül- és oldalnézetből. A C_IN kondenzátor a felső rétegbe van bekötve, és vezetőcsíkokkal van összekötve a feszültségszabályozó IC-vel (ábra: Analog Devices)

Az útvonalak az 1. függőleges meleghurok esetében a legrövidebbek, és itt nincs szükség nyomtatott áramköri vezetőcsíkokra sem, így várhatóan ennek lesznek a legkisebb értékű parazitaparaméterei. Az egyes meleghurkokat a FastHenry szoftverrel 600 kHz-en és 200 kHz-en elemezve kiderül, hogy valóban ez a helyzet (7. ábra).

7. ábra: A várakozásoknak megfelelően a legrövidebb útvonalon jelentkeztek a legkisebb értékű parazitaparaméterek (táblázat: Analog Devices, a szerző által módosítva)

Bár ezek a parazitaparaméterek nem mérhetőek közvetlenül, a hatásuk előre jelezhető és tesztelhető. Nevezetesen a kisebb ESR-érték (kisebb egyenértékű soros ellenállás) jobb hatásfokot, míg a kisebb ESL-érték (kisebb egyenértékű soros impedancia) kisebb búgófeszültséget (azaz jelhullámzást) eredményez. A kísérleti ellenőrzés igazolta ezeket az előrejelzéseket, az 1. függőleges meleghurok mindkét paraméter esetében jobb értéket mutatott (8. ábra).

8. ábra: A kísérleti eredmények igazolják, hogy az 1. függőleges meleghurok jobb hatásfokot és kisebb búgófeszültséget eredményez (ábra: Analog Devices)

A parazitaparaméterek minimálisra csökkentése diszkrét alkatrészek esetében

Bár az IC-ként kialakított eszközöknek számos előnyük van, egyes kapcsolóüzemű tápegységek diszkrét alkatrészeket is igényelnek. Egy nagy teljesítményű készülék által igényelt feszültség- és áramértékek például meghaladhatják az IC-ként kialakított eszközök képességeit. Ilyen esetekben a diszkrét teljesítmény-FET-ek elhelyezése és tokmérete jelentősen befolyásolhatja a meleghurok egyenértékű soros ellenállását és egyenértékű soros impedanciáját. Ezek a hatások remekül láthatóak egy két fejlesztőkártyával végzett teszteléssel. Mindkét kártyán egy jó hatásfokú, 4 kapcsolóeszközt tartalmazó szinkron feszültségcsökkentő-feszültségnövelő áramátalakító van kialakítva. A két kártya a 9. ábrán látható.

• A DC2825A fejlesztőkártya az LT8390 feszültségcsökkentő-feszültségnövelő (angol nevén buck-boost) feszültségszabályzón alapul. A MOSFET-ek párhuzamosan, azaz azonos tájolásban vannak elhelyezve.
• A DC2626A fejlesztőkártya az LT8392 feszültségcsökkentő-feszültségnövelő feszültségszabályzóra épül. Ezen két, egymáshoz képest 90˚-os szögben elhelyezett MOSFET alkotta MOSFET-pár található.

9. ábra: A DC2825A fejlesztőkártyán (balra) a MOSFET-ek egymással párhuzamosan, míg a DC2626A fejlesztőkártyán (jobbra) egymáshoz képest 90˚-os szögben vannak elhelyezve (kép: Analog Devices)

A két fejlesztőkártyát azonos MOSFET-eket és kondenzátorokat használva tesztelték 36–12 V-os feszültségcsökkentő üzemmódban, 10 A áramerősség mellett, 300 kHz frekvencián. Az eredmények azt mutatták, hogy a 90˚-os elhelyezés esetében kisebb volt a búgófeszültség és nagyobb a rezonanciafrekvencia, ami arra utal, hogy a rövidebb meleghurok miatt kisebb az egyenértékű soros impedancia (10. ábra).

10. ábra: A 90˚-os MOSFET-elrendezésű DC2626A kisebb búgófeszültséget (hullámzást) és nagyobb rezonanciafrekvenciát mutat (ábra: Analog Devices)

Egyéb alkatrész-elrendezési szempontok

A meleghurokban lévő alkatrészeknek a nyomtatott áramköri lapon kialakított átmenő furatok segítségével egymás fölött történő elhelyezése hatással van a hurok egyenértékű soros ellenállására és egyenértékű soros impedanciájára is. Általánosságban elmondható, hogy több átmenő furat kialakítása csökkenti a nyomtatott áramköri lap parazitaimpedanciáját. A csökkenés azonban nem lineárisan arányos az átmenő furatok számával. A forraszpontokhoz közeli átmenő furatok jelentősen csökkentik az egyenértékű soros ellenállást és az egyenértékű soros impedanciát, ezért a meleghurok impedanciájának minimálisra csökkentése érdekében a kritikus alkatrészek (a C_IN kondenzátor és a µModule vagy a MOSFET-ek) forraszpontjainak közelében több átmenő furatot kell kialakítani.

A villamos teljesítményt és a hűtést sok más módon is lehet pozitívan befolyásolni. A meleghurok optimalizálására irányuló bevált módszerek a következők:

• A vezetési veszteségek és a hőterhelés minimálisra csökkentése érdekében nagy rézfelületek használata a nagyáramú áramutakhoz, beleértve a V_IN bemenőfeszültséget, a V_OUT kimenőfeszültséget és a testelést.
• Külön testelőfelület-réteg elhelyezése a készülék alatt.
• A vezetési veszteségek minimalizálása és a modul hőterhelésének csökkentése érdekében javasolt több átmenő furatot kialakítani a legfelső és a többi nagy teljesítményű réteg közötti összeköttetéshez.
• Magukon a forrasztási felületeken nem javasolt átmenő furatokat létrehozni, kivéve, ha ezek a felületek védősapkával vannak ellátva vagy galvanizáltak.
• A jeltovábbító lábakhoz kapcsolt alkatrészekhez használjon elkülönített jeltestelő rézfelületet, az eszköz alatt csatlakoztatva a jeltestelést a fő testelőlábhoz.
• A jeltovábbító lábakról vezessen ki tesztpontokat ellenőrzési célból.
• Ne egymás közelében alakítsa ki az órajel és a bemenőfrekvencia vezetőcsíkjait, hogy minimálisra csökkentse az áthallásból eredő zaj lehetőségét.

Összegzés

A meleghurokban jelentkező parazitaparaméterek nagymértékben befolyásolják a kapcsolóüzemű tápegység teljesítményét. A jó hatásfok és a kis elektromágneses zavarás elérése érdekében kulcsfontosságú ezen paraméterek értékének a minimálisra csökkentése.

E célok elérésének egyik legegyszerűbb módja az integrált áramkörös szabályozómodulok (feszültségszabályozó IC-k) használata. A kapcsolóüzemű tápegységek azonban jellemzően diszkrét kiegészítő alkatrészek, például kondenzátorok használatát is igénylik, ezért fontos megérteni a meleghurok az alkatrészek nyomtatott áramköri lapon való elrendezésével történő kialakításának következményeit.