Kapcsolószabályozott tápegységek: elvek, topológiák és alkalmazások

Az elektronikus készülékek tápellátásának biztosítása elengedhetetlen a modern technológia működéséhez. A különféle elektronikus eszközök eltérő tápfeszültség- és áramellátási követelményeket támasztanak, ami a tápegységek széles skálájának kifejlesztéséhez vezetett. Ezek közül a kapcsolóüzemű tápegységek (SMPS) kiemelkednek hatékonyságuk, kompakt méretük és súlyuk, valamint megbízhatóságuk miatt.

A kapcsolóüzemű tápegység (angolul: switched-mode power supply, switching-mode power supply, SMPS) egy elektronikus tápegység, amely a kívánt feszültség és áram előállításához, illetve annak állandó és a kívánt értéken tartásához nagyfrekvenciájú kapcsolójelet használ a szabályzás (switching regulator) vagy vezérlés során. A bemenetet egyenirányítják és szűrik, majd tranzisztor segítségével a szabályzásnak vagy vezérlésnek megfelelő kitöltési tényezőjű, nagyfrekvenciás (50 kHz - 2 MHz) négyszögjelet (PWM) kapcsolgatnak egy tekercsre. A tekercs szolgálhat, mint transzformátor vagy mint önindukciós elem.

A korszerű készülékek tápellátására szolgáló kis méretű és súlyú, valamint nagy hatásfokú megbízható egységek előállításának problémájára ugyanis egyre több figyelmet fordítanak az egész világon. Ennek egyik oka az, hogy a legújabb integrált áramkörös készülékek méretének és összsúlyának egyre nagyobb részét teszik ki a tápegységek. Ez az oka annak, hogy kiterjedt kutatási és fejlesztési munkákat végeztek olyan eszközök és áramkörök előállítására, amik nagy mértékben kielégítik a nagy hatásfok, kis méret és súly elérését célzó programot. Az így tervezett és kivitelezett tápegységeket kapcsolóüzemű egyenfeszültségátalakítós tápegységeknek nevezik, amelyek más feszültségszabályozási elvvel rendelkeznek.

A kapcsolóüzemű tápegységek előnyei és hátrányai

A kapcsolóüzemű tápegységek számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos lineáris tápegységekkel szemben:

Nagy hatékonyság: Hatásfokuk akár a 99%-ot is elérheti, ami jelentős energiamegtakarítást eredményez.
Kompakt méret és alacsony súly: A nagyfrekvenciás működésnek köszönhetően kisebb és könnyebb transzformátorokat és egyéb alkatrészeket használnak.
Állandó kimeneti feszültség/áram: Terheléstől függetlenül állandó értéken lehet tartani a kimenet feszültségét vagy áramát.
Zárlatvédelem: Tudják kezelni a zárlatot.

Ugyanakkor hátrányokkal is rendelkeznek:

Elektromágneses interferencia (EMI): A gyors kapcsolási átmenetek és a nagyfrekvenciás működés miatt EMI-t generálnak, ami megfelelő szűrést és árnyékolást igényel.
Bonyolultabb tervezés: A tervezés és optimalizálás összetettebb lehet, mint a lineáris tápegységek esetében.
Lassabb szabályozási válasz: Az analóg disszipatív rendszerekhez képest a szabályozási folyamat lassabb lehet.

A kapcsolóüzemű tápegység működése nagyfrekvenciás be- és kikapcsolt állapotban történik. A kapcsolási veszteség csökkentése, a teljesítménysűrűség és a tápegység általános hatékonyságának javítása érdekében a kapcsolócső egyre gyorsabban, általában néhány mikroszekundum alatt kapcsol be és ki. Míg a nagyfrekvenciás transzformátor teljesítményátalakítást végez, váltakozó elektromágneses teret hoz létre, és elektromágneses hullámokat sugároz ki a térbe, sugárzási zavart okozva. A dióda vezetőhuzalainak parazita induktivitása, a csomóponti kapacitás megléte és a visszacsatoló áram hatása miatt nagyon nagy feszültség- és áramváltozási sebességgel működik. Minél hosszabb a dióda fordított helyreállítási ideje, annál nagyobb a csúcsáram hatása.

Mindezek a generált elektromágneses jelek fémhuzalokon, például tápvezetékeken, jelvezetékeken és földelővezetékeken keresztül jutnak el a külső tápegységhez, hogy vezetési zavarokat hozzanak létre. A tápvezetéknek a lehető legközelebb kellene lennie a földvonalhoz, hogy csökkentse a differenciális üzemmódú sugárzás hurokterületét; válassza szét a bemeneti váltóáramú tápvezetéket és a kimeneti egyenáramú tápvezetéket, hogy csökkentse a bemenet és a kimenet közötti elektromágneses csatolást; a jelvezetéknek távol kell lennie a tápvezetéktől, és közel kell lennie a földhöz. A földelő vezeték Ldi/dt-je miatt a NYÁK kártyát és a házat közvetetten rézoszlopok kötik össze.

A tápegység főbb típusai és topológiái

Az elektronikus készülékek különféle tápfeszültség és tápáramellátást igényelnek. Ezek kielégítésére alakult ki a különböző típusú és kapcsolási elrendezésű tápegységek meglehetősen nagy választéka. Az alapvető átalakítási funkciók alapján a tápegységeket az alábbi kategóriákba sorolhatjuk:

AC-AC átalakítók: Ezek elsősorban transzformátorok, amelyek a váltakozó feszültség értékét növelik vagy csökkentik, miközben a frekvencia állandó marad. Galvanikus elválasztást is biztosítanak a bemenet és a kimenet között.
AC-DC átalakítók: Egyenirányítók, amelyek a váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé alakítják. Szűréssel és stabilizálással is elláthatják a kimenő feszültséget.
DC-AC átalakítók (inverterek): Az egyenfeszültségből meghatározott frekvenciájú váltakozó feszültséget állítanak elő.
DC-DC átalakítók (konverterek): Lényegében egy DC-AC és egy AC-DC átalakító kombinációja, gyakran galvanikus elválasztással.
AC szaggatók (AC-chopperek): A bemeneti váltakozó feszültséget félvezető kapcsolóval periodikusan ki-bekapcsolják a teljesítmény folyamatos szabályozása érdekében.
DC szaggatók (DC-chopperek): Az egyenfeszültség folyamatos és veszteségmentes változtatását teszik lehetővé.

A kapcsolóüzemű tápegységek tervezésekor fontos kérdés a galvanikus leválasztás szükségessége. A galvanikus leválasztást több okból is alkalmazzák: biztonságosabbá teheti az áramköröket, lehetővé teszi a lebegő rendszer működését, és megakadályozza a zajos földáramok terjedését.

Szigetelt topológiák

A két leggyakoribb szigetelt topológia a flyback és a forward konverter.

Flyback konverter: Jellemzően 60 W-ig terjedő teljesítményszinteknél alkalmazzák. Az energia a bekapcsolási idő alatt egy transzformátorban tárolódik, és a kikapcsolási idő alatt szabadul fel a szekunder oldalon. Egyszerűen megépíthető, de viszonylag nagy transzformátorokat igényel.
Forward konverter: Más módon használ transzformátort, mint a flyback. A transzformátor magjában nem szabad energiát tárolni. A kimeneti útvonalba egy további induktivitás kerül, ami alacsonyabb zajszintű kimeneti feszültséget eredményez a flyback konverterhez képest.

Nagyobb teljesítmény esetén más izolált topológiákat, például push-pull, félhíd és teljes híd topológiákat használnak. A ZVS (Zero Voltage Switching) vagy LLC (Induktivitás-Induktivitás-Kondenzátor) átalakítók nagy hatékonyságú átalakításra törekszenek rezonanciaáramkörök segítségével.

Nem szigetelt topológiák

Ha nincs szükség galvanikus leválasztásra, általában nem szigetelt topológiát használnak. A leggyakoribb nem szigetelt kapcsolóüzemű tápegység-topológia a buck konverter (step-down).

Buck konverter (Step-down): Pozitív bemeneti feszültséget fogad, és a bemenetinél alacsonyabb kimeneti feszültséget állít elő. Három alapvető kapcsolóüzemű tápegység-topológia egyike, amelyhez csak két kapcsoló, egy induktivitás és két kondenzátor szükséges.
Boost konverter (Step-up): Ugyanazt az öt alapvető teljesítménykomponenst használja, mint a buck konverter, de átrendezve, hogy az induktivitás a bemeneti oldalon, a kapcsoló pedig a kimeneti oldalon helyezkedjen el. A bemeneti feszültséget magasabb kimeneti feszültségszintre emeli.
Invertáló Buck-Boost konverter: A pozitív bemeneti feszültséget negatív kimeneti feszültséggé alakítja át.

Ezen alapvető topológiákon kívül számos más elrendezés létezik, mint például a SEPIC, Zeta, Ćuk és a 4 kapcsolós buck-boost, amelyek speciális igényeket elégítenek ki.

kapcsolouzemu tap topologiak osszehasonlitasa

Alkatrészek és kiválasztásuk

A kapcsolóüzemű tápegységek tervezésekor az alkatrészek gondos kiválasztása kulcsfontosságú a megbízható és hatékony működés érdekében.

Transzformátor (Trafó)

A táp egyik legkritikusabb alkatrésze a trafó. Két fő feltételnek kell megfelelnie: keresztmetszetének képesnek kell lennie kezelni az átviendő teljesítményt, anyagi minőségének pedig olyannak kell lennie, hogy az adott kapcsolófrekvencián és fluxussűrűség mellett ne szaturáljon. Magyarországon beszerezhető anyagok jellemzően a Ferroxube (TME) vagy a váci Tali Bt.-nél kapható M2TN-C és -D anyag. Számítógép tápokból is kitermelhető trafók, de azok ismeretlen körülmények között üzemeltek, így nem biztos, hogy megfelelnek.

Kondenzátorok

A kimeneti kondenzátorok is kényes kérdést jelentenek. Ha a kondenzátornak nagy az ESR-je (soros veszteségi ellenállása), a rajta áthaladó nagyfrekvenciás áram felmelegíti, ami tönkreteheti. Alacsony ESR értékű kondenzátort kell használni, vagy több kisebb értékű kondenzátorból kell előállítani a kívánt kapacitást. Erősítők esetében az utóbbi a célravezető. Hagyományos kondenzátort használva 105 °C-osat érdemes választani.

Számítások és képletek

A trafó menetszámainak kiszámításához többféle képlet létezik. Egy egyszerűsített képletrendszer a következő:

Primer menetszám: Np=(100*Ip*Lp)/(Bm*Ae)
Szekunder menetszám: Ns=(Np*(Vo+Vd))/Vor
Kiegészítő tekercs menetszám: Nb=(13/(Vo+Vd))*Ns

Ahol:

Ip - a primer csúcsáram (pl. 5,83 A)
Lp - primer tekercs induktivitása (pl. 184,3 uH)
Bm - maximális fluxus sűrűség (pl. 2500 gauss)
Ae - effektív keresztmetszete a ferrit magnak (E55 mag esetén kb. 3,56 cm², E42 mag esetén kb. 2,4 cm²)
Vo - kimenő feszültség
Vd - kimeneti egyenirányító diódán eső feszültség (Schottky esetén kb. 0,5 V, P/N dióda esetén kb. 0,7 V)
Vor - kimenetről a bemenetre tükrözött feszültség (célszerűen 135 V)

A képletekbe behelyettesítendő mértékegységek: A, uH, gauss, cm², V.

Fontos megjegyezni, hogy ezek a képletek csak az adott kapcsoláshoz és teljesítményhez érvényesek. A kapcsolást nem ajánlott 30V alatti feszültségekhez használni, mert a flyback topológia nem teszi lehetővé alacsony feszültségek mellett nagy áramok kivételét.

Alkalmazási területek

A kapcsolóüzemű tápegységek széles körben alkalmazhatók, többek között:

Számítógép tápegységek
Erősítők tápellátása
Ipari berendezések
Orvosi műszerek
Távközlési rendszerek
LED világítás

Egyedi igényeknek megfelelően a kapcsolási rajz átdolgozható, például erősítőkhöz való felhasználásra, ahol a táp jelen kapcsolása inkább a magas feszültség/kis áram arányban tudja leadni a névleges teljesítményét.

A kapcsolóüzemű tápegységek megértése

Az eredeti kapcsolóüzemű táp rajza és leírása azért került átdolgozásra, hogy jobban megfeleljen az erősítőkhöz való felhasználásra, és hogy könnyebb legyen a saját igényeknek megfelelően módosítani. Ennek megfelelően a fenti rajzon látható táp megfelel egy 80-100W-os sztereó erősítő teljesítményigényeinek kielégítéséhez, feltételezve, hogy az erősítő a ma már átlagosnak tekinthető legalább 65-70%-os hatásfokkal rendelkezik a végkivezérlés környékén.

tags: #kapcsolouzemu #tap #epites