Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Dobór elementów pasywnych do kosmicznych przetwornic impulsowych

ghost666 21 Dec 2021 12:18 1668 6
IGE-XAO
  • Wraz z rosnącym wykorzystaniem niskonapięciowych, wysokoprądowych obciążeń, takich, jak układy FPGA w awionice statków kosmicznych, inżynierowie coraz częściej muszą projektować stabilizatory impulsowe w celu generowania szyn zasilających w tego rodzaju systemach. Dobór samych kontrolerów przetwornic i jej topologii do warunków kosmicznych to temat na osobny artykuł [co już niebawem — przyp. red.]; w poniższym tekście skupimy się, jednak na doborze elementów pasywnych do tego typu zasilacza.

    Większość kwalifikowanych [do zastosowań w kosmosie — przyp. red.] przetwornic impulsowych ma zintegrowane klucze — tranzystory FET — po stronie niskiej, ale wymaga zewnętrznej cewki indukcyjnej, a także kondensatorów wejściowych i wyjściowych. Dobór tych elementów pasywnych jest bardzo ważny, ponieważ determinują one jakość działania układu, tj. jego tętnienie wejściowe i wyjściowe, dokładność stabilizacji obciążenia i szybkość reakcji na tzw. efekty pojedynczego zdarzenia (SEE).

    Projekt zasilacza podlega z samego założenia serii kompromisów, takim, jak koszt, rozmiar, wydajność i niezawodność. Istnieje, jednak również możliwość optymalizacji i zmniejszenia wymiarów oraz masy elementów pasywnych magazynujących energię. Jest to szczególnie istotne w aplikacjach kosmicznych.

    Przetwornica DC\DC stabilizuje napięcie wyjściowe w oparciu o przepływ energii do i z układu poprzez kontrolowanie cyklu pracy stanów włączenia i wyłączenia klucza. Gdy jest on przewodzący, energia przepływa ze źródła wejściowego do przetwornicy, a w przypadku topologii buck część z tego zostaje zmagazynowana w cewce jako energia magnetyczna (0,5 * L * I^2), a reszta jest dostarczana bezpośrednio na wyjście. Podobnie w okresie wyłączenia energia jest przesuwana z konwertera do obciążenia. W układzie buck pochodzi ona z cewki indukcyjnej, która została wcześniej naładowana, gdy FET był włączony.

    Energia dodana do cewki indukcyjnej w czasie włączenia jest zawsze równa energii dostarczonej do obciążenia, gdy klucz jest wyłączony, tj. cewka kończy każdy cykl z dokładnie tym samym prądem i energią, z jaką zaczęła.

    Dobór elementów pasywnych do kosmicznych przetwornic impulsowych
    Rys.1. Schemat przedstawiający cykl przełączania regulatora buck.


    Przykładowo, zakładając częstotliwość przełączania 500 kHz, napięcie wejściowe 5,5V, napięcie obciążenia (wyjściowe) 0,95V, prąd obciążenia 18 A i sprawność na poziomie 90%, otrzymane moce wejściowe i wyjściowe wynoszą odpowiednio: 19 i 17,1 W. Energia pobierana, podczas każdego cyklu przełączania wynosi 38 µJ, a energia wyjściowa, gdy FET jest wyłączony stanowi 34,2 µJ. Przy częstotliwości 500 kHz całkowita energia przetwarzana przez regulator wynosi 17,1 J/s, czyli z definicji 17,1 W.

    Kiedy uzupełniamy energię w cewce indukcyjnej prąd płynący przez nią wzrasta liniowo. Kiedy odbieramy tę energię prąd spada, powodując tętnienie. W analogiczny sposób, kiedy dodajemy energię do kondensatora napięcie na nim rośnie liniowo. Kiedy odbieramy energię napięcie spada, wywołując obserwowane tętnienie. Przełączanie w sposób ciągły dodaje i usuwa energię, wytwarzając tętnienie prądu cewki i tętnienie napięcia na kondensatorach. W obu przypadkach istnieją wytyczne dotyczące maksymalnej dopuszczalnej zmiany wartości prądu przemiennego w stosunku do jego poziomu prądu stałego dla stabilizatora.

    W odniesieniu do stabilizatora typu buck cewka przechowuje energię wejściową w swoim polu magnetycznym, gdy przełączający FET jest włączony i dostarcza ją do obciążenia, kiedy tranzystor po stronie wysokiej jest wyłączony. Dobór wartości indukcyjności opiera się na ustaleniu maksymalnego dopuszczalnego poziomu tętnień prądu dostarczanego do obciążenia, określonego stosunkiem geometrycznym r, jak opisano na równaniu 1:

    $$r = \frac {\Delta I_{load}}{I_{load}} = 2 \times \frac {I_{AC}}{I_{DC}} \qquad (1)$$

    gdzie Iload to średni prąd cewki, ΔIload to zakres zmian prądu, a Iac oraz Idc to odpowiednio: zmienna i stała składowa prądu płynącego przez uzwojenie. Indukcyjność (wyrażaną w Henrach) można wyznaczyć, korzystając z równania 2:

    $$L = \frac {V_{IN} - V_{OUT}}{r \times I_{load}} \times \frac {V_{OUT}} {V_{IN} \times f_{SW}} \qquad (2)$$

    gdzie fsw to częstotliwość przełączania kluczy wyrażona w hercach.

    Na przykład, aby stabilizować 0,95V przy prądzie 18 A możemy mieć do czynienia z następującym prądem międzyszczytowym tętnień na cewce. W tabeli poniżej wyrażone jest to bezwzględnie w amperach oraz jako procent wartości pobieranej przez obciążenie Iload. Wartości te widoczne są w funkcji współczynnika r. W tabeli zamieszczono również wynikowe indukcyjności potrzebnych cewek.

    rPrąd międzyszczytowy (A)Prąd międzyszczytowy (%)Indukcyjność (µH)
    0,11,8100,87
    0,23,6200,42
    0,35,4300,28
    0,47,2400,21
    0,59500,17


    Wartość indukcyjności jest odwrotnie proporcjonalna do prądu obciążenia i częstotliwości przełączania, podczas gdy jej wielkość fizyczna i masa są proporcjonalne do Iload.

    W pełni zintegrowany regulator buck klasy kosmicznej oferuje ogólnie mniejszą obudowę i jest łatwiejszy do zaprojektowania, podczas gdy konieczność dodania zewnętrznego elementu indukcyjnego i detali pasywnych daje projektantowi większą kontrolę nad poziomem tętnień prądu, a tym samym nad wahaniami napięcia przekazanymi do obciążenia.

    Dobór elementów pasywnych do kosmicznych przetwornic impulsowych
    Rys.. Porównanie pomiędzy w pełni zintegrowaną przetwornicą i zwykłym rozwiązaniem — oba w wykonaniu kosmicznym.


    Duża indukcyjność powoduje nie tak wielkie tętnienia prądu, co skutkuje mniejszymi wahaniami napięcia na obciążeniu. Większa indukcyjność, ze względu na swoją naturalną tendencję do przeciwstawiania się zmianie prądu spowalnia, jednakże również reakcję na sytuacje przejściowe stabilizatora, jak i zwiększa straty mocy z powodu większej wewnętrznej rezystancji DC uzwojenia. Mniejsza indukcyjność poprawia szybkość stabilizatora, ale zwielokrotnia tętnienie wyjściowe i grozi doprowadzeniem cewki indukcyjnej do nasycenia przy zbyt wysokim prądzie. Ważne jest, aby nie przekraczać wartości skutecznej prądu cewki indukcyjnej i prądu nasycenia, przy czym ta ostatnia wartość jest większa, niż obliczona wartość szczytowa prądu w układzie. Fizyczny rozmiar elementu musi odpowiadać jego zdolności do magazynowania energii — do obsługi wyższych mocy wymagany jest większy rdzeń. Należy również sprawdzić tolerancję indukcyjności, która może się różnić nawet o 30% w przypadku niektórych dostawców, co skutkować może wyższym, niż założony w systemie prąd tętnienia.

    Tętnienie prądu cewki objawia się jako zmiana napięcia wyjściowego stabilizatora. Jedną z funkcji pojemności wyjściowej jest zmniejszenie tętnienia obserwowanego przez obciążenie. ESR i ESL kondensatora to ważne parametry, które określają wysokość tętnienia napięcia wyjściowego związanego z prądem cewki indukcyjnej.

    Kondensator przeciwstawia się zmianom prądu. Po naładowaniu element ten ma tendencję do utrzymywania napięcia na stałym poziomie, zwłaszcza jeśli występują tętnienia prądu. Kondensator, jeśli ma odpowiednią wielkość, będzie zbyt wolny, by nadążyć za wahaniami napięcia spowodowanymi tętnieniem, więc zostaną one odfiltrowane.

    Gdy FET jest wyłączony wejście jest odłączone od wyjścia, jednak obciążenie zawsze będzie wymagało przepływu energii. W tym czasie pojemność wyjściowa musi również przechowywać wystarczającą ilość ładunku, aby zapewnić prąd dla obciążenia wyjściowego: gdy klucz jest wyłączony, prąd cewki zmniejsza się, podczas zasilania obciążenia, a pojemność wyjściowa buforuje tę zmianę prądu, aby obciążenie widziało, niemalże stałe napięcie zasilania.

    Pojemność wyjściowa wskazuje również, w jaki sposób stabilizator reaguje na dużą zmianę prądu obciążenia. Musi być odpowiednio dobrany, aby zasilać obciążenie, podczas, gdy przetwornica DC-DC nie może i nie będzie w stanie zareagować. Poniższe równanie określa minimalną pojemność wyjściową niezbędną do osiągnięcia tego założenia:

    $$C_{OUT} > \frac {2 \times \Delta I_{load}} {F_{SW} \times \Delta V_{OUT}} \qquad (3)$$

    Równanie 3 definiuje wymagania, co do kondensatora wyjściowego, by buforować: „powolne” zachowanie przetwornicy. Równanie 4 z kolei wyznacza granice dla tego elementu z granicznych, akceptowalnych tętnień w napięciu zasilającym.

    $$C_{OUT} > \frac {1} {8 \times f_{SW}} \times \frac {\Delta I_{load}} {\Delta V_{OUT}} \qquad (4)$$

    Filtr LC utworzony przez cewkę indukcyjną i pojemność wyjściową usuwa składową zmienną z przebiegu wyjściowego, aby wyprowadzić średnie napięcie na wyjściu. W przypadku regulatora typu buck pojemność wyjściowa jest wielokrotnie ładowana i rozładowywana przez tętnienie wyśrodkowane na napięciu obciążenia. Wykres Ico na rysunku 1 przedstawia ciągły prąd wpływający do pojemności wyjściowej.

    Zwykle wiele różnych kondensatorów jest używanych równolegle, aby zminimalizować równoważną rezystancję szeregową (ESR) i równoważną indukcyjność szeregową (ESL) w filtrze tętnienia wyjściowego, a także po to, aby poprawić współdzielenie prądu i zapewnić niezawodne działanie. Części są wybierane na podstawie ich znamionowego prądu tętnienia, napięcia roboczego i wartości pasożytniczych.

    Rysunek 3 przedstawia składowe napięcia tętnienia generowane przez ESR, ESL i pojemność. Udział ESR to prąd rezystancyjny, składnik pojemnościowy jest całką prądu i czasu, wytwarzając przebieg trójkątny. A składnik ESL można wyrazić jako pochodną z chwilowym skokiem występującym w każdej chwili przełączania, generując impuls o wysokiej częstotliwości, jak i szum. Całkowite wahania napięcia na kondensatorze to suma tych trzech składowych, jak pokazano na rysunku 5:

    $$\Delta V_{OUT} = \Delta I_{load} \times (\frac {1}{8 \times C_{OUT} \times F_{SW}} + ESR) + ESL \times \frac {V_{IN}}{L} \qquad (5)$$

    Szczytowe napięcie tętnienia jest odwrotnie proporcjonalne do pojemności i częstotliwości przełączania, ale proporcjonalne do prądu obciążenia i wartości ESR oraz ESL.

    Dobór elementów pasywnych do kosmicznych przetwornic impulsowych
    Rys.3 Analiza działania pokazująca wpływ ESR, ESL i pojemności na napięcie tętnienia.


    Rysunek 4 porównuje napięcie tętnienia mierzone na kondensatorze tantalowym i wielowarstwowych kondensatorach ceramicznych (MLCC). MLCC mają niższą wewnętrzną ESR, a zwiększenie ilości pojemności jeszcze bardziej zmniejsza tętnienia.

    Dobór elementów pasywnych do kosmicznych przetwornic impulsowych
    Rys.4. Wykresy pokazujące wpływ rodzaju kondensatora i jego pojemności na napięcie tętnienia.


    Pojemność wejściowa zmniejsza tętnienie źródła widoczne na przetwornicy DC-DC do poziomu, który może być obsługiwany przez zbiorcze kondensatory filtrujące, bez wpływu na rozpraszanie ESR tego ostatniego. W przypadku regulatora typu buck część jego prądu wejściowego (AC) jest dostarczana przez pojemność, gdy tranzystor FET jest włączony i przewodzi. Gdy klucz strony wysokiej jest wyłączony pojemność wejściowa ponownie się ładuje; sygnał Ic (IN) na rysunku 1 przedstawia nieciągły, trapezoidalny przebieg o wysokiej di/dt i dużej amplitudzie międzyszczytowej. Źródło nie jest w stanie wygenerować tak szybko zmieniającego się, pulsującego prądu.

    Zbiorcza pojemność wejściowa jest używana w celu zminimalizowania odchyleń napięcia źródła, aby zapewnić stabilne wyjście, podczas przejściowych stanów obciążenia. Im wyższa pojemność, tym mniejsze zakłócenia, które są wprost proporcjonalne do zmian prądu obciążenia.

    Dobrym punktem wyjścia do określenia wartości pojemności wejściowej jest ustalenie docelowego poziomu tętnienia napięcia międzyszczytowego. Jest on odwrotnie proporcjonalny do pojemności i częstotliwości przełączania, ale proporcjonalny do prądu obciążenia i ESR, jak pokazano na równaniu 6:

    $$V_{IN} = \frac {I_{load} \times 0,25} {C_{IN} \times f_{SW}} + (I_{load} \times ESR) \qquad (6)$$

    W przypadku regulatora typu buck prąd kondensatora wejściowego jest znacznie wyższy, niż w kondensatorze wyjściowym, a ten jest określany przez jego maksymalne możliwości, podczas gdy na wyjściu to po prostu maksymalne dopuszczalne tętnienie obciążenia definiują wielkość pojemności filtrującej. Największy dozwolony prąd skuteczny kondensatora można obliczyć na podstawie jego maksymalnego poboru mocy wyznaczonego w oparciu o rozmiar obudowy, wartości ESR i maksymalnego akceptowalnego wzrostu temperatury tego elementu.

    Zwykle wiele różnych kondensatorów jest używanych w połączeniu równoległym, aby zminimalizować wpływ ESR i ESL na wejściowe tętnienie zasilania, a także, by umożliwić współdzielenie prądu przez te elementy i zapewnić niezawodne działanie. Części te są dobierane na podstawie ich znamionowego prądu tętnienia, napięcia roboczego, ograniczeń wynikających z samonagrzewania się, oraz ESR i ESL. Na ogół korzysta się z wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych z uwagi na ich niskie wartości pasożytnicze. Obserwowane tętnienie jest zatem prawie całkowicie spowodowane rzeczywistą pojemnością i należy zwrócić uwagę na wpływ obciążenia termicznego i prądu stałego na wartość kondensatorów. Dielektryki, które są mniej wrażliwe na temperaturę, są zwykle używane w celu zminimalizowania zmian pojemności w ewoluujących warunkach otoczenia. Im wyższa temperatura, tym niższa niezawodność, a także żywotność kondensatorów.

    Projektując regulator buck trzeba zgodzić się na wiele kompromisów: wyższa częstotliwość przełączania zmniejsza poziom tętnienia napięcia w kondensatorach wejściowych i wyjściowych, a także ogranicza wartość pojemności wymaganej przez przetwornicę do poprawnego działania. Jednak zmniejszenie tej ostatniej zwiększa amplitudę tętnienia napięcia na wyjściu, a przełączanie z wyższą częstotliwością wzmacnia straty dla prądu przemiennego, wpływając negatywnie na wydajność. Istnieją, jednakże pewne możliwości optymalizacji, np. dla danego zadanego poziomu tętnienia napięcia pojemność można zmniejszyć pod warunkiem, że częstotliwość przełączania zostanie zwiększona w celu wykorzystania niewielkich elementów do magazynowania energii.

    Mniejsza indukcyjność ma niższą rezystancję DC, co poprawia odpowiedź impulsową układu, a dla danej wydajności wymagana jest mniejsza pojemność wyjściowa. Większa indukcyjność skutkuje zredukowanym prądem tętnienia, stąd mniejsza pojemność jest wymagana dla równoważenia tętnienia wyjściowego.

    Jeśli prąd nasycenia cewki indukcyjnej zostanie przekroczony jej indukcyjność spadnie, zwiększając prąd tętnienia: 30% spadek indukcyjności spowoduje wzrost prądu tętnienia o ponad 40%, jak również nasycenie rdzenia. Ekranowane cewki ograniczają zakłócenia EMI i nie wpływają na okoliczne obwody, ale są również nieco droższe ze względu na zwiększone koszty produkcji. Ekranowanie ma tendencję do obniżania prądu nasycenia rdzenia, co z kolei zaniża maksymalny dopuszczalny prąd skuteczny. Lsat zmienia się również w zależności od temperatury…

    Źródło: https://www.edn.com/how-to-choose-passives-for-space-grade-switching-regulators/

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11085 posts with rating 9402, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • IGE-XAO
  • #2
    zgierzman
    Level 30  
    Miałem nadzieję, że dowiem się jakie to niezwykłe zasady doboru elementów panują dla zastosowań kosmicznych, ale gdzieś się ta wiedza rozmyła. Po porostu artykuł o przetwornicach impulsowych, nie zagłębiałem się w szczegóły...

    Ale zaciekawiło mnie istnienie kosmicznej

    ghost666 wrote:
    cewki indukcyjnej


    I patrzyłem, czy są też specjalne kosmiczne kondensatory pojemnościowe, ale nie ma o nich wzmianki. :-(
    Więc to chyba stosowanie cewek indukcyjnych pozwala takim przetwornicom latać w kosmos :-D
  • IGE-XAO
  • #3
    coberr
    Level 19  
    zgierzman wrote:
    Miałem nadzieję, że dowiem się jakie to niezwykłe zasady doboru elementów panują dla zastosowań kosmicznych, ale gdzieś się ta wiedza rozmyła


    odniosłem to samo wrażenie - myslałem że dowiem sie wiecej o chociazby wpływie promieniowania kosmicznego na elementy RC czy układy scalone - może jakies metody kompensacji skutków tegoż promieniowania a tu nic... ot taki artykuł o podstawach działanie przetwornic DC-DC
  • #6
    oskar777

    Level 26  
    Quote:
    Czyżby Kolega autor zaczął stosować technikę klikbajtową ?
    Moim zdaniem nie, tytuł nie jest mylący i nie wskazuje na coś innego niż jest w artykule jest też rozwinięty chociaż niedosyt pozostaje.
    Mnie bardziej interesowała wytrzymałość takich przetwornic w funkcji czasu.
  • #7
    ADI-mistrzu
    Level 30  
    W takim razie jako ciekawostka:

    Półprzewodniki dla przemysłu kosmicznego wykonywane są na izolowanym substracie SOI bądź SOS (Silicon-on-insulator i Silicon-on-sapphire) na waflach z arsenku galu, węglika krzemu czy Ga2O3 (ale nie tylko), czyli na materiałach z dużym pasmem zabronionym (? - chodzi o wide band gap).
    Tranzystory nie są także planarne a typu trench, pozwala to zapewnić większą powierzchnię styku bramki w strukturze i zwiększyć niezawodność układu od uszkodzeń.

    DIE takiego układu kwalifikowanego do Space jest wyjątkowo ciemny, czasem wręcz wygląda jak kawałek czarnego szkła.
    Testy kwalifikacyjne przeprowadza się między innymi bombardując pracujący układ protonami i ciężkimi jonami i zliczając ilość błędów oraz czas po którym następuje awaria.

    Bardziej złożone układy występują w obudowach coś na wzór BGA, lecz zamiast kulek posiadają słupki:
    Dobór elementów pasywnych do kosmicznych przetwornic impulsowych Dobór elementów pasywnych do kosmicznych przetwornic impulsowych

    Chodzi między innymi o gradient temperaturowy który może wyrwać układ z PCB, tak nóżki stanowią pewną kompensację.