. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Power tipy I - Výběr správné pracovní frekvence spínaného zdroje

Power tipy I - Výběr správné pracovní frekvence spínaného zdroje

Úvodní díl z nové série článků Power Tips. Cílem seriálu bude poskytování užitečných tipů nejrůznějších témat z oblasti řízení a správy napájení.

Vítejte v seriálu Power tipy! Dnes je kladen stále větší důraz na potřebu efektivity a současné rentability řešení napájení. Jelikož se ani do budoucna neočekává žádná výraznější změna, připravili jsme pro Vás seriál Power tipy. Jeho cílem bude poskytování užitečných tipů nejrůznějších témat z oblasti řízení a správy napájení. Seriál je přitom určen pro návrháře pracující na všech úrovních. Ať už napájecí zdroje konstruujete s vysokou precizností řadu let, nebo právě začínáte objevovat úskalí správného návrhu. Brzy zjistíte, že řada částí z dále uvedených informací vám může pomoci při řešení problémů s návrhem.

Sledujte tak seriál každý týden a našim společným cílem bude zdokonalit vaše znalosti kolem Power Management řešení. Případné připomínky jsou samozřejmě vítány a pevně věříme v to, že si následující řádky nejen vychutnáte, ale jejich přečtení bude pro vás i přínosem!

Power tip 1: Výběr správné pracovní frekvence spínaného zdroje

Zvolit správnou pracovní frekvenci pro napájecí zdroj či DC/DC konvertor (dále jen zdroj) je komplexní problém. Otázkou, zahrnující mechanické rozměry, účinnost a samozřejmě i cenu zařízení. Podstatnou část objemu napájecího zdroje zabírá vždy filtr, který tak celému obvodu dominuje. Jeho velikost je v nepřímé úměře s pracovní frekvencí zdroje. Každý z těchto prvků, tedy velikost a frekvence, však naráží na fyzikální omezení a doprovodné energetické ztráty: čím vyšší je pracovní frekvence, tím vyšší jsou ztráty při spínání, čímž zároveň klesá celková účinnost zdroje. Zároveň však klesá i požadovaná hodnotu filtračních prvků. Proto vhodný výběr frekvence může vést k nemalým úsporám nákladů na provoz, ale i nákladům na výrobu samotného zařízení. Pro bližší rozbor těchto kompromisů se tak v následujících odstavcích zaměříme na jednoduchý snižující měnič (buck).

Obrázek 1 znázorňuje zjednodušené schéma výkonné části snižujícího měniče a graf, zachycující poměr objemu komponent a pracovní frekvence. Na nízké frekvenci, tedy pod 100 kHz, dominuje objemu napájecího zdroje indukčnost. Za předpokladu, že objem indukčnosti je v přímé úměře s akumulovanou energií, je úměrně zmenšován v závislosti na pracovní frekvenci. To by však bylo příliš optimistické. Na některých frekvencích se totiž ztráty v jádře indukčnosti stávají již tak významným prvkem, že omezují další zmenšování jeho rozměrů. Pokud váš návrh využívá navíc i keramické kondenzátory, klesá rovněž i jejich objem spolu se vzrůstající frekvencí. To je logické, neboť se snižuje požadovaná kapacita na danou úroveň filtrace. Naproti tomu jsou vstupní kondenzátory využívány především pro zmírnění zvlnění v závislosti na špičkovém proudu. Ten se však s frekvencí příliš znatelně nemění, takže jejich objem má tendenci zůstat stále konstantní. A konečně i objem samotných polovodičových prvků zdroje, zůstává, v závislosti na pracovní frekvenci, rovněž stále konstantní . Z toho jednoduše vyplývá, že s nízkou frekvencí spínání, dominují objemu zdroje především jeho pasivní prvky. Jakmile je však použita vyšší pracovní frekvence, může zdroji začít dominovat objem polovodičových prvků, který se v závislosti na frekvenci nijak výrazně nemění.


Obr. 1: Objem komponent spínaných napájecích zdrojů v závislosti na pracovní frekvenci

Avšak i toto tvrzení, o konstantní velikosti polovodičových prvků v závislosti na pracovní frekvenci, může být zavádějící. V těchto aplikacích máme především dva druhy ztrát, spojených s použitými polovodiči: ztráty vedením a ztráty ze spínání. Ztráty způsobené vedením, souvisejí v synchronním snižujícím zdroji především s plochou čipu použitých tranzistorů. Čím větší je plocha MOSFET tranzistorů, tím menší je odpor jejich přechodu a tedy i ztráty ve vedení energie.

Ztráty ze spínání souvisejí především s tím, jak rychlé spínače MOSFET jsou v aplikaci použity a jaká je jejich vstupní a výstupní kapacita. Jedná se tedy opět o velikost vlastního čipu. Větší tranzistory budou mít větší kapacity svých přechodů a tím i delší spínací časy. Obrázek 2 ukazuje graf těchto hodnot pro dvě různé pracovní frekvence (F1 a F2). Ztráty vedením (Pcon) jsou nezávislé na pracovní frekvenci, avšak přímo souvisejí se ztrátami za spínání - Psw F1 a Psw F2. Vyšší pracovní frekvence (Psw F2) produkuje vyšší spínací ztráty. Minimální celková ztráta, na každé pracovní frekvenci, se vyskytuje při přepínání, kdy ztráty ve vedení jsou si rovny. Čím vyšší frekvence bude tedy použita, tím vyšší budou i uvedené ztráty.

Dobrou vlastností vyšší pracovní frekvence je to, že optimálně s ní klesá požadovaná plocha čipu, což může vést k jistým úsporám v nákladech. V praxi však může optimalizace ztrát, změnou velikosti čipu, při nízkých frekvencích znamenat nereálnost designu. Nicméně, jakmile začneme zdroj navrhovat pro vyšší pracovní frekvenci, začneme optimalizovat i velikost čipu spínacích tranzistorů pro optimální ztráty, čímž úměrně snížíme i celkový objem polovodičů v aplikaci. Pokud však nemáme k dispozici moderní polovodičové technologii, bude optimální účinnost jen těžko dosažitelná.


Obr. 2: Zvýšení pracovní frekvence podporuje optimalizaci ztrát

Z uvedeného vyplývá, že zvýšení pracovní frekvence zdroje by mělo vést ke snížení celkových nákladů. Vyšší pracovní frekvence rovněž snižuje objem indukčností a šetří náklady na materiál jejich jádra. Navíc zároveň snižuje i požadavky na výstupní kondenzátory. Především v případě použití keramických kondenzátorů, je možné snížit jejich kapacitu či omezit jejich množství, které má být v aplikaci použito. Zároveň tyto kroky vedou ke snížení nároků na plochu polovodičových čipů výkonových tranzistorů, které by taktéž měly vést ke snížení celkových nákladů.

Z uvedeného přehledu vyplývá, že volba správné pracovní frekvence ovlivňuje jak velikost a účinnost zdroje, tak i náklady na jeho výrobu. Vše samozřejmě v kompromisních poměrech. Zdroje provozované na nízkých pracovních frekvencích bývají obvykle nejúčinnější, jsou však rovněž i největší a nejdražší. Přesun na vyšší frekvenci vede sice ke zlepšení velikosti i ceny, avšak na úkor ztrát v obvodu.

V příštím díle seriálu Power Tip budeme hovořit o možnosti účinného omezení rušení napájecích zdrojů.

Autor: Robert Kollman, Texas Instruments







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk
Příbuzné články:
Power tipy I - Výběr správné pracovní frekvence spínaného zdroje
Power tipy II - Jak omezit vliv rušení zdroje
Power tipy III - Tlumení vstupního filtru - Díl 1 z 2
Power tipy IV - Tlumení vstupního filtru - Díl 2 z 2
Power tipy V - Záporné napětí ze snižujícího regulátoru
Power tipy VI - Správné měření napájecího zdroje
Power tipy VII - Efektivní napájení výkonových LED
Power tipy VIII - Omezení EMI technikou rozprostřeného spektra
Power tipy IX - Odhad nárůstu teploty výkonových součástek
Power tipy X - Přechodová odezva napájecího zdroje
Power tipy XI - Řešení ztrát v obvodu napájení
Power tipy XII - Maximalizování účinnosti napájecího zdroje
Power tipy XIII - Omezte ztráty v jádře indukčnosti
Power tipy XIV - Zdroj topologie SEPIC zajišťuje vyšší účinnost
Power tipy XV - Levný a výkonný budič LED
Power tipy XVI - Tlumení propustného měniče
Power tipy XVII - Komutační obvod u Flyback regulátoru
Power tipy XVIII - Jednoduché zlepšení stability regulátoru
Power tipy XIX - Snadné získání více záporných napětí
Power tipy XX - Parazitní rezonance v napájecím zdroji
Power tipy XXI - Hlídejte RMS proud kondenzátorů
Power tipy XXII - Vyhněte se častým problémům s chybovým zesilovačem
Power tipy XXIII - Zlepšení regulační odezvy zdroje - část 1
Power tipy XXIV - Převod paralelní impedance na sériovou
Power tipy XXV - Zlepšení regulační odezvy zdroje - část 2
Power tipy XXVI - Přenos vysokofrekvenční energie vodičem
Power tipy XXVII - Paralelní řazení napájecích zdrojů
Power tipy XXIIX - Krátkodobé zvýšení teploty v obvodech MOSFET - část 1
Power tipy XXIX - Krátkodobé zvýšení teploty v obvodech MOSFET - část 2
Power tipy XXX - Síťový zdroj s obyčejným obvodem
Power tipy XXXI - Poměr vnitřních odporů v synchronním regulátoru
Power tipy XXXII - Pozor na proudy v regulátorech SEPIC – část 1
Power tipy XXXIII - Pozor na proudy v regulátorech SEPIC – část 2
Power tipy XXXIV - Jednoduchý izolovaný napájecí zdroj
Power tipy XXXV - Omezení parazitní kapacity v transformátorech

Komentáře (3):

Zobrazit starší 30 dnů (3)...

host
3. Dne 19. 07. 2010 v 07:23 zaslal host
vstupni kondiky
Opravdu nezavisi zvlneni, spinaci frekvence a kapacita u vstupnich kondiku? Zajimave, ze na vystupu tomu tak je...


Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
PGSM-SIM900: GSM/GPRS modul SIM900
Čtyřpásmový GSM/GPRS modul s SIM900 firmy SIMCom a podporou SMS, MMS, GPRS Class 10, TCP/IP, FTP a dalších.
Skladem od 790 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007