Různé topologie spínaného zdroje a otázka rušení

Spínané zdroje a jejich regulátory pracují s řadou různých topologií. Některé, jako např. klasický snižující měnič, se těší velké oblibě. Setkáme se však i s několika méně známými typy spínaných DC/DC zdrojů, včetně topologie Zeta.

Základní a také rozšířené přístupy je možné vzájemně odlišit. V prvním případě se uplatní pouze dva spínače, jedna indukčnost a dva kondenzátory. Hovoříme o spínaných zdrojích bez galvanického oddělení, kam patří snižující měniče, zvyšující měniče a invertující snižující – zvyšující topologie. Veškerá další řešení již budou vyžadovat dodatečné součástky. Pro SEPIC to může např. znamenat vazební kapacitu a druhou indukčnost. Kromě neizolovaných spínaných návrhů zde rovněž máme případy, ve kterých galvanické oddělení zajišťuje transformátor.

Zdroj napájení se při návrhu často považuje za černou skříňku, resp. blok se čtyřmi vývody – dvěma vstupními a dvěma pak výstupními, viz také blokově znázorněný DC/DC měnič na obr. 1. Nahoře sledujeme variantu bez a dole pak s galvanickým oddělením.

Obr. 1 neřeší záležitosti spojené s rušením a příslušnými vývody. V zapojeních se dvěma bránami se různé topologie spínaných zdrojů budou svým chováním každopádně odlišovat. Na obr. 2 vidíme univerzální snižující měnič s obvodem ADP2441 od společnosti Analog Devices [1] určený pro průmyslové aplikace. Ze vstupních 24 V na svém výstupu zajišťuje úroveň 3,3 V. S takovým přístupem lze na vstupní straně pozorovat vznik pulzních proudů, a tudíž i velké rušení. Bude-li spínací tranzistor na vyšší straně napájení u obvodu ADP2441 aktivní, přitéká vývodem A proud. Při vypnutém spínači zde ale žádný proud nepoteče. Na výstupní straně (C) je však pozorováno velmi malé rušení. Zapojená indukčnost se totiž postará o to, aby zde žádný pulzní proud neprotékal.

Aby mohli vývojáři obdržet hodnotné informace, pokud jde o základní zhodnocení chování spínaných obvodů, byla připravena tabulka 1 zahrnující nejčastější topologie, s nimiž se u regulátorů setkáváme. První řádek odhaluje, zda je úroveň rušení na vstupní straně, tedy vývodech A a B u systému se dvěma bránami, nízká, či nikoli. O řádek níže pak vidíme, jak je na tom příslušná topologie v případě výstupu, tedy na vývodech C a D. Tabulka přitom počítá s nízkými a vysokými hladinami rušení.

Pomocí dodatečné filtrace, např. se samostatnými LC filtry, je možné rušení šířené po vedení v zapojeních se spínaným obvodem výraznou měrou potlačovat. V takovém případě lze slabé stránky zmíněné v tabulce 1 dále zmírnit. Vývojáři by však přesto měli umět rozpoznat, který z DC/DC měničů vykazuje zvláště vysoké úrovně rušení a také na jakých vývodech. Díky takové informaci pak bude možné již dopředu počítat s odpovídající filtrací a zároveň zde vyhradit i další nezbytný prostor, který takové prvky logicky zaberou.