Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Hybrydowe układy zasilania - wydajność i niski szum

ghost666 22 Wrz 2017 10:57 2262 3
  • W nawiązaniu do poprzedniego artykułu w poniższym tekście opisujemy jak poradzić sobie z problemami z systemami zasilania wykorzystując hybrydowe rozwiązanie oparte o impulsowe i liniowe stabilizatory napięcia.

    Przetwornice impulsowe DC/DC już dawno na dobre zagościły w zasilaczach tworzonych przez nas urządzeń. Zasilacze oparte o te układy są w stanie podnosić, zmniejszać czy odwracać napięcia bez problemu, jednakże z uwagi na swoją pracę impulsową wprowadzają do stabilizowanego napięcia spore zakłócenia impulsowe, które mogą być problemem dla czułych układów elektronicznych jak i sprawiać problemy związane z zgodnością elektromagnetyczną (EMI) projektowanych urządzeń.

    Co można zrobić, aby taki zasilacz spełniał wymagania, np. co do EMI? Koniecznie jest mozolne dobieranie poszczególnych elementów i projektu PCB, aby zminimalizować powstawanie pasożytniczych pojemności i indukcyjności w systemie. Dodatkowo układ taki często potrzebuje filtrów sieciowych, aby zminimalizować przewodzone EMI jak i bardziej złożonych filtrów po stronie wtórnej, aby dostarczyć odpowiedniej jakości napięcia zasilającego naszego urządzenie.

    Inną metodą jest jednakże wykorzystanie stabilizatora liniowego. To dobrze znane układy, które pozwalają precyzyjnie stabilizować napięcie zasilające. Jest ono pozbawione szumu i zakłóceń i nadaje się do zasilania nawet najprecyzyjniejszych systemów. Jednakże, jak ostatnio pisaliśmy, stabilizatory takie charakteryzują się niską wydajnością energetyczną.

    Teraz powinno nam nasunąć się jedno, zasadnicze pytanie - a co by było, gdyby połączyć oba rozwiązania? czy jest to w ogóle możliwe? jak działać będzie układ wykorzystujący połączone ze sobą w jakiś sposób zasilacze liniowe i impulsowe? Tego rodzaju hybrydowy zasilacz ma ogromną szansę zapewnić kompromisowe parametry - wysoką wydajność i niskie zakłócenia w napięciu zasilającym.

    Najlepsze z obu światów

    Stabilizatory impulsowe znane są z swojej wysokiej wydajności i elastyczności, jednakże mają sporo wad - oprócz wymienianych powyżej zakłóceń i tętnień wysokiej o częstotliwości, układy tego rodzaju zajmują zazwyczaj więcej miejsca na płytce drukowanej, są droższe i gorzej znoszą zmiany po stronie obciążenia.

    Z kolei stabilizatory liniowe dają napięcie które jest bardzo stabilne, pozbawione szumu i zakłóceń. Układy te są dosyć tanie, niewielkie i proste w integracji w układzie. Stabilizatory liniowe charakteryzują się szybką odpowiedzią impulsową. Problemem pozostaje sprawność energetyczna. Nawet układy LDO, takie jak LT3022 potrzebują pewnego "nadmiaru" napięcia zasilania nad napięciem wyjściowym. Wspominany układ Linear Technology do pracy potrzebuje co najmniej 145 mV różnicy pomiędzy wejściem a wyjściem przy obciążeniu pełnym prądem, równym 1 A. Nawet w takich warunkach układ taki produkować będzie niecałe 150 mW ciepła. Ilość wypromieniowanego ciepła wzrastać będzie liniowo z różnicą napięć pomiędzy wejściem a wyjściem z układu.





    Aby połączyć ze sobą oba zasilacze w układ hybrydowy umieścimy po prostu jeden za drugim. Pozwoli nam to wykorzystać zalety obu rozwiązań i uniknąć ich wad. Odpowiednio połączone ze sobą układy dadzą nam dużą elastyczność i wydajność zasilacza, przy zachowaniu wysokiej jakości napięcia wyjściowego.

    Stabilizator impulsowy współpracować może z bardzo szerokim zakresem napięć wejściowych - tak mniejszych jak i większych od napięcia wyjściowego. Zachowuje przy tym cały czas dosyć dużą wydajność. Możemy zatem wykorzystać taki stabilizator do zgrubnej stabilizacji napięcia, które zostanie następnie podane na liniowego stabilizatora LDO. Wyjście z stabilizatora impulsowego dobrane jest w ten sposób, że jest jedynie minimalnie większe od napięcia wyjściowego, dzięki czemu straty mocy na LDO są minimalne.

    Takie rozwiązanie pozwoli nam uzyskać układ zasilania z bardzo szerokim zakresem napięć wyjściowych, a także dużo wyższą wydajnością, niż w przypadku zastosowania samego stabilizatora liniowego.

    Dodatkowo, jeżeli odpowiednio dobierzemy stabilizator liniowy na wyjściu przetwornicy impulsowej, to będzie on skutecznie tłumił tętnienie i redukował poziom szumu w napięciu zasilającym nasz system.

    Wadą takiego rozwiązania hybrydowego jest z pewnością to, że będzie ono droższe i zajmie większą powierzchnię PCB niż jakiekolwiek inne, ale w przypadku np. układów z precyzyjnymi ADC na pokładzie jest to i tak bardzo korzystne rozwiązanie.

    Zastanówmy się zatem, jak zaprojektować tego rodzaju układ - niestety, aby zrobić to dobrze, nie wystarczy wybrać pasującą nam przetwornicę i doczepić do niej dowolny stabilizator liniowy. Aby zasilacz hybrydowy działał poprawnie, trzeba zwrócić uwagę jeszcze na kilka innych parametrów.

    Współpraca w harmonii

    Projektanci układów preferują rozwiązania hybrydowe z uwagi na ich elastyczność i parametry elektryczne układu. Takie rozwiązania są szczególnie preferowane w systemach wykorzystujących układy analogowe i przetworniki ADC i DAC.

    Z drugiej strony, układy hybrydowe charakteryzują się mniejszą wydajnością energetyczną od rozwiązań opartych tylko na stabilizatorach impulsowych. Na przykład, jeśli sprzęgniemy przetwornicę o wydajności 88% z stabilizatorem liniowym o nominalnej wydajności 70% to powstały układ charakteryzować będzie się wydajnością na poziomie 88% x 70% = 62%.

    Spadek wydajności kompensować można na wiele sposobów, odpowiednio dobierając układ. Na przykład, jeśli wykorzystujemy LDO do 'czyszczenia' napięcia, to możemy wybrać wydajniejszą przetwornice o wyższej częstotliwości przełączania - dobry stabilizator liniowy doskonale poradzi sobie z generowanymi przez nią tętnieniami o wysokiej częstotliwości, a całkowita wydajność systemu wzrośnie. Dodatkowo układ taki będzie mniejszy, gdyż im wyższa częstotliwość przełączania kluczy w przetwornicy, tym mniejsze potrzebuje ona do działania indukcyjności i pojemności. Jako przetwornicę do takiego układu wykorzystać możemy np. LTM4601. To dobry przykład układu o szerokim zakresie napięć wejściowych i dużej częstotliwości przełączania.

    Na kolejnym etapie projektowania zasilacza wybrać musimy stabilizator LDO. Układy te charakteryzują się niewielką minimalną różnicą pomiędzy napięciem wejściowym a wyjściowym. Czasami napięcie to może wynosić nawet około 100 miliwoltów lub mniej, a w przypadku typowych LDO wartość ta wynosi kilkaset miliwoltów. Im mniejszy potrzebny jest nam zapas napięcia, tym wydajniejszy energetycznie będzie układ. Typowym LDO jest np. układ AD1360.

    Filtrowanie tętnienia i szpilek

    W teorii na wyjściu z stabilizatora liniowego napięcie powinno być gładkie i pozbawione zakłóceń typowych dla przetwornic impusowych. Niestety nie można założyć, że każdy stabilizator będzie w stanie odfiltrować szybkie tętnienia wydajnej przetwornicy impulsowej. W rzeczywistości większość stabilizatorów liniowych będzie częściowo transmitować wejściowe zakłócenia, zwłaszcza o wyższych częstotliwościach, na wyjście. Im mniejszy spadek napięcia na stabilizatorze liniowym, tym efekt ten będzie silniejszy, co oznacza, że im wydajniejszy będzie LDO, tym więcej zakłóceń z przetwornicy impulsowej przenikać będzie przez stabilizator impulsowy do napięcia zasilającego nasz system.

    Na rysunku 1 przedstawiono uproszczony model działania liniowego stabilizatora zasilanego z przetwornicy. Wejściowy kondensator LDO ma za zadanie wygładzić częściowo przebieg (patrz rysunek 2) zanim podany on zostanie na stabilizator. Kondensator wyjściowy pozwala zachować niską impedancję zasilacza, szczególnie dla wyższych częstotliwości. Poprawia on odpowiedź impulsową i szybkość śledzenia zmian po stronie zasilanego układu.

    Hybrydowe układy zasilania - wydajność i niski szum
    Rys.1. Koncepcyjny schemat prezentujący zasadę działania hybrydowego zasilacza (za Linear Technology).


    Hybrydowe układy zasilania - wydajność i niski szum
    Rys.2. Dwa rodzaje zakłóceń/tętnień obecnych w napięciu z przetwornicy impulsowej (za Linear Technology).


    Kondensatory filtrujące mają ograniczone możliwości działania jednakże. Są one skuteczne w redukowaniu części zakłóceń, tętnienia i szpilek w napięciu, jednakże z uwagi na indukcyjność pasożytniczą takiego elementu, ma on ograniczoną skuteczność w zakresie filtrowania zakłóceń dla wyższych częstotliwościach.

    Aby zmaksymalizować korzyści z użycia stabilizatora liniowego należy zagwarantować sobie, że sam układ odfiltruje możliwie dużo zakłóceń i szumu z napięcia zasilającego. Kondensatory mają jedynie mu w tym pomóc i stabilizować cały układ.

    To jak dobry w tłumieniu zakłóceń jest dany element opisywane jest parametrem PSRR, czyli odrzuceniem wpływu zasilania. PSRR opisuje na ile w danym układzie zakłócenia przenikają z zasilania na jego wyjście. W naszym wypadku opisują na ile zakłócenia z wejścia przechodzą na wyjście stabilizatora liniowego. Dobranie układu o wysokim PSRR jest kluczowe, gdyż oznacza to, że będzie on dobrze filtrował zakłócenia generowane przez poprzedzającą go przetwornicę impulsową.

    Musimy pamiętać także, że PSRR stabilizatora liniowego zależy od częstotliwości zakłóceń. Przykładową zależność tego parametru od częstotliwości pokazano na rysunku 3. Projektując układ zasilania trzeba zadbać, aby częstotliwość pracy przetwornicy była możliwie zbliżona do miejsca, gdzie LDO ma najwyższą sprawność w filtracji zakłóceń - najwyższy PSRR.

    Hybrydowe układy zasilania - wydajność i niski szum
    Rys.3. Typowe widmo tłumienia zakłóceń przez stabilizator liniowy LDO (za Linear Technology).


    Odpowiedź impulsowa stabilizatora na zmiany po stronie wtórnej także związana jest z PSRR, z tą tylko różnicą, że o ile zakłócenia z przetwornicy występują przy konkretnej częstotliwości, to odpowiedź impulsowa zawiera w sobie całe spektrum częstotliwości. Tym nie mniej, układ z dobrym PSRR doskonale radzi sobie tak z zakłóceniami po stronie pierwotnej jak i zmianami po stronie wtórnej.

    PSRR (w decybelach) definiuje się jako:

    [tex[PSRR = 20 fraction {A_V} { A_{VO}}[/tex]


    gdzie $$a_V$$ to wzmocnienie stabilizatora w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego, a $$A_{VO}$$ to wzmocnienie pomiędzy wejściem a wyjściem układu w otwartej pętli sprzężenia zwrotnego.

    Podczas projektowania układu zadbać trzeba o stabilizator liniowy o wysokim PSRR, inaczej wyjście nie będzie pozbawione szumu i zakłóceń. Przykładem typowych stabilizatorów liniowych o wysokim PSRR jest rodzina układów TPD793/4/5/6xx Texas Instrument lub rodzina TPS799xx, która oprócz wysokiego PSRR charakteryzuje się niskim prądem pobieranym przez stabilizator.

    Aby zmaksymalizować PSRR LDO należy zastosować wokół niego kondensatory ceramiczne low-ESR. Ich pojemność powinna być dostosowana do częstotliwości zakłóceń, to jest na przykład częstotliwości gdzie pracuje przetwornica. Finalnie, projektując zasilacz, zadbać należy o zminimalizowanie pasożytniczych indukcyjności w systemie oraz postarać się o uniknięcie powstawania przesłuchów pomiędzy wejściem a wyjściem LDO, gdyż łatwo w ten sposób sprzęgnąć zakłócenia z wejścia na wyjście układu.

    Ultraniskoszumny zasilacz

    Typowy projekt omawianego powyżej zasilacza pokazano na rysunku 4. Układ oparto o przetwornicę impulsową TPS54060, która z pojedynczego napięcia zasilającego stabilizuje symetryczne wyjścia ±18 V. Za tym stopniem umieszczono dwa stabilizatory LDO - TPS7A49 oraz TPS7A30 - stabilizujące, odpowiednio, napięcie dodanie i ujemne.

    Hybrydowe układy zasilania - wydajność i niski szum
    Rys.4. Schemat referencyjny układu zasilania symetrycznego oparty o dwa stabilizatory LDO i przetwornicę impulsową.


    LDO zastosowany w tym układzie charakteryzuje się wysokim PSRR, więc jest bardzo dobry w usuwaniu tętnień napięcia, co oznacza, że nie występuje potrzeba stosowania np. filtra LC za przetwornicą. Istotnie zmniejsza to wielkość, koszt i poziom skomplikowania systemu. Na rysunku 5 pokazano oscylogram przed i za LDO, który pokazuje, jak dobrze filtrowany jest szum z zasilania, pochodzącego z sprawnej przetwornicy impulsowej.

    Hybrydowe układy zasilania - wydajność i niski szum
    Rys.5. Porównanie widma sygnału za przetwornicą impulsową i za LDO. Widoczne jest wyraźnie zmniejszenie poziomu tętnień w napięciu zasilającym


    Podsumowanie

    Precyzyjne analogowe układy będą pracowały o wiele lepiej, gdy zasilane będą napięciem pozbawionym szumu. Nadmierny poziom zakłóceń w napięciu zasilającym może istotnie pogarszać parametry układów takich jak przetworniki ADC i DAC. Na przykład przetwornik ADC o rozdzielczości 16 bitów, zasilany kiepskiej jakości napięciem, może osiągać efektywnie jedynie 14 bitów, z uwagi na słaby stosunek sygnału do szumu.

    Stabilizatory liniowe są najlepszym wyborem, jeśli chodzi o wysokiej klasy systemy zasilania. Aby skompensować ich kiepską wydajność energetyczną, można połączyć je z przetwornicą impulsową, która poprawi wydajność i zwiększy zakres napięć wejściowych systemu, jeśli oczywiście dobrany zostanie odpowiedni układ LDO.

    Źródło: https://www.digikey.sg/en/articles/techzone/2012/may/hybrid-power-supplies-deliver-noise-free-voltages-for-sensitive-circuitry


    Fajne! Ranking DIY
  • #2 22 Wrz 2017 12:06
    H3nry
    Poziom 28  

    ghost666 napisał:
    Z drugiej strony, układy hybrydowe charakteryzują się mniejszą wydajnością energetyczną od rozwiązań opartych tylko na stabilizatorach impulsowych. Na przykład, jeśli sprzęgniemy przetwornicę o wydajności 88% z stabilizatorem liniowym o nominalnej wydajności 70% to powstały układ charakteryzować będzie się wydajnością na poziomie 88% x 70% = 62%.

    Nie chodzi przypadkiem o efektywność-sprawność?
    Świetny art.

  • #3 22 Wrz 2017 12:14
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    H3nry napisał:
    ghost666 napisał:
    Z drugiej strony, układy hybrydowe charakteryzują się mniejszą wydajnością energetyczną od rozwiązań opartych tylko na stabilizatorach impulsowych. Na przykład, jeśli sprzęgniemy przetwornicę o wydajności 88% z stabilizatorem liniowym o nominalnej wydajności 70% to powstały układ charakteryzować będzie się wydajnością na poziomie 88% x 70% = 62%.

    Nie chodzi przypadkiem o efektywność-sprawność?
    Świetny art.


    Tak, dokładnie. Z (błędnego) przyzwyczajenia używam niestety tej wydajności :( kajam się.

  • #4 23 Wrz 2017 15:39
    OldSkull
    Poziom 27  

    Dziwny ten przykład. Z jednej strony piszą o wadach, do przykładu podają LDO TPS7A49 , które ma maksymalny spadek do 600mV - ale zapas na schemacie dają 6V. No ekhem, ale 6V to można nawet dać 7812 i będzie działać (nie oceniam tutaj innych parametrów i właściwości).
    Jeśli chcieli uzyskać 12V na wyjściu to mogli uwzględnić choćby 14V, co i tak dałoby odporność na szpilki tętnień nawet nieco ponad 1V . Chociaż widać na wykresach, że są znacznie mniejsze, ale już nawet. Tak mają sprawność może około 50%, a mogło być ponad 70%.

    Cytat:
    Stabilizatory impulsowe znane są z swojej wysokiej wydajności i elastyczności, jednakże mają sporo wad - oprócz wymienianych powyżej zakłóceń i tętnień wysokiej o częstotliwości, układy tego rodzaju zajmują zazwyczaj więcej miejsca na płytce drukowanej, są droższe i gorzej znoszą zmiany po stronie obciążenia.

    ja bym powiedział, że akurat miejsca zajmują mniej niż stabilizator liniowy jeżeli uwzględnimy chłodzenie.

  Szukaj w 5mln produktów