česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 01. prosinec 2022

Zlepšujeme přesnost regulace výstupu zdroje napájení s nástroji LTpowerCAD®

DPS 3/2022 | Vývoj - články
Autor: Jose Ramon San Buenaventura, Henry Zhang, Analog Devices

Článek ukazuje, jak v návrhu zdroje napájení vhodně pracovat s tolerancemi. Využití tolerancí u součástek a odhad souvisejících odchylek výstupního napětí si konkrétně ukážeme na základě nástroje pro výpočet odporového děliče v LTpowerCAD®. Vývojáři se pak mohou díky této informaci správně rozhodnout, co vše ještě bude v dané aplikaci přípustné.

Pár slov úvodem

Napájecí zdroje nalezneme prakticky v každém zapojení. Ať již to budou vf transceivery, nebo zase mikroprocesory, pole FPGA či zesilovače, je jisté, že tam bloky napájení někde jsou, což z nich činí naprosto nezbytnou součást kteréhokoli analogového nebo číslicového systému.

Obr. 1 (jpg)

Podobně jako u všech dalších součástí, dostaneme i zdroje napájení různých typů a podob. Jejich odlišné architektury, třeba jako lineární stabilizátory nebo spínané regulátory, zde znamenají výhody i nevýhody, takže bude v konkrétních aplikacích některá z nich pochopitelně i výhodnější. Na každý pád však pokaždé mívají společného jmenovatele – výstup, který obvykle stanovuje kombinace vnějších součástek, zejména pak zpětnovazebních rezistorů. S využitím simulačních nástrojů lze napájecí zdroje navrhovat tak, aby potřebným specifikacím vyhověly a zároveň přišly s hodnotami součástek, které tomu napomáhají. Pravda, výsledky simulací vypadají slibně, nicméně ve skutečnosti nás čekají omezení. Jako obvyklý příklad si uveďme toleranci součástek. V běžném životě se jmenovitá hodnota prvků, jako jsou rezistory či kondenzátory, mění a zmíněnou odchylku zde popisujeme právě tolerancí. Spojení dvou rezistorů o velikosti 57 kΩ a 23 kΩ pro zajištění výstupních 5 V, které vzniklo na základě simulace, se tak může od skutečné kombinace 57 kΩ a 23 kΩ lišit, protože se jednotlivé součástky v praxi různí. Zmíněná tolerance pak ovlivňuje přesnost stejnosměrného výstupního napětí, podobně jako odchylky nedílně spjaté s integrovaným obvodem.

Výpočet napěťového výstupu

Spousta integrovaných obvodů (IO) pro regulaci napětí od společnosti Analog Devices má na výstupu zpětnovazební pin (FB nebo ADJ). Výstupní napětí lze proto nastavit s využitím dvojice vnějších rezistorů RTOP a RBOT, kde RTOP zapojíme k vývodům VOUT a FB, zatímco RBOT bude mít své místo mezi FB a signálovou zemí součástky. U standardního obvodu se pak v dokumentaci zpravidla setkáme s vyjádřením

Tabulka (jpg)

VOUT = VREF × (1 + RTOP / RBOT) (1)

VREF zde přitom odkazuje na vnitřní referenční napětí IO coby interní vstup zpětnovazebního zesilovače odchylky. Vzorec pro výpočet výstupního napětí nyní pro ilustraci použijeme s lineárním stabilizátorem LT3062 [1]. Spočítané výstupní napětí vyplývá z obr. 1.

Na základě interně vyráběného, a předpokládáme, že i přesného referenčního napětí (u obvodu LT3062 je VREF = 0,6 V) nám výstupní zpětnovazební síť napěťového děliče složená z rezistorů R1 a R2 definuje napěťovou úroveň, kterou s využitím IO stabilizujeme. V rovnici pro obvody LT3062 kromě toho počítáme i s vlivem IADJ, tedy nechtěného proudu tekoucího vývodem ADJ. Jeho typická velikost zde činí 15 nA, nicméně smí dosahovat až 60 nA, jak ostatně plyne i z tabulky elektrických charakteristik (EC), takže může dále prohlubovat odchylku při regulaci VOUT.

Pokud vybereme rezistory R1 a R2 s tolerancí 1 %, jaká bude celková chyba Vo způsobená odporovým děličem – 1 % nebo 2 %? A co když v zapojení použijeme 0,5% či 0,1% rezistory? Nějaká míra přesnosti je v případě výstupního napětí zřejmě zapotřebí a volba těch správných rezistorů zde hraje klíčovou roli. Proč ale sahat po součástkách s velmi malou tolerancí, které bývají výrazně dražší, když lze požadovaného výsledku dosáhnout i s rezistory zatíženými větším rozptylem?

Obr. 2  (jpg)

Nástroj pro výpočet odporového děliče v LTpowerCAD®

Abychom si celý návrh usnadnili, použijeme nástroj pro výpočet odporového děliče v LTpowerCAD® [2]. LTpowerCAD® je kompletním návrhovým programem pro zdroje napájení, vybaveným nástroji zahrnujícími též i práci s odporovým děličem. Zmíněný nástroj pak počítá se vstupy, jako jsou požadovaná úroveň výstupního napětí VOUT a také napěťová reference regulátoru VREF (napětí na vývodu ADJ či FB) a doporučí komerčně dostupné velikosti běžných rezistorů, pokud jde o zvolenou toleranci, takže se konečně dostaneme k žádanému napětí.

S nástrojem postihneme dvě chyby. Za prvé jde o odchylku způsobenou hodnotami standardních diskrétních rezistorů. Stojí za zmínku, že pro daná napětí VOUT a VREF nástroj automaticky vybírá nejlépe vyhovující pár běžných rezistorů s cílem potlačit zmíněnou chybu, takže skutečná velikost VOUT se bude k cílové hodnotě maximální měrou přibližovat. Za druhé zde máme chybu způsobenou tolerancemi rezistorů pro danou kombinaci napětí VOUT a VREF. U děličů složených ze dvou rezistorů s přesností 1 % bude skutečná tolerance funkcí poměru děliče, a to v rozmezí od 1 % do 2 %. Nástroj LTpowerCAD® pak pro účely stanovení výsledné tolerance odporového děliče zmíněné dvě odchylky sčítá. Vývojáři proto mohou snadno zjistit celkovou odchylku a rozhodnout se, které úrovně tolerancí (0,1 %, 0,5 %, 1 % nebo i 2 %) budou v případě rezistorů zapotřebí k dosažení potřebného výsledku.

Nástroj umí rovněž řešit proměnné hodnoty spojené buď s horním, nebo i spodním rezistorem (uživatelský vstup), zatímco dále uvažuje cílové hodnoty, resp. dovolené tolerance součástek. Vedle doporučených velikostí rezistoru zároveň počítejte i s kalkulací odchylky související s tolerancí součástek a ideálním, resp. skutečným napětím VOUT.

S takovými parametry již mohou vývojáři získat bleskový přehled, pokud jde o předpokládaný rozsah napětí související se zvolenými tolerancemi součástek, a posoudit, zda to v požadované aplikaci obstojí. Nástroj konečně pamatuje i na funkci vyhledávající standardní velikosti rezistorů pro libovolně zadanou hodnotu, čímž pomáhá zjednodušit výběr součástek.

Obr. 3 (jpg)

Další faktory a možné odchylky

Musíme však upozornit, že zmíněný nástroj propočítá pouze stejnosměrnou odchylku způsobenou odporovým děličem. Neuvažuje přitom jiné DC vlivy, které se mohou dále přičítat a ovlivňovat u zdroje napájení výslednou přesnost regulace VOUT. Přídavné odchylky zde zahrnují 1) chybu vnitřní reference VREF integrovaného obvodu, která obvykle dosahuje 0,5 % až 1,5 % a nalezneme ji v dokumentaci k IO a tabulce EC, 2) odchylky zdroje spojované s reakcí na změnu vstupu či zatížení (parametry line a load regulation), které rovněž vyčteme z tabulky elektrických charakteristik, 3) chybu související s proudem tekoucím vývodem ADJ či FB, podobně jako v příkladu s obvody LT3062, kde nižší hodnota RBOT přispívá k omezení takové odchylky, 4) další chyby způsobené odporem na desce plošného spoje mezi samotným IO a vzdálenou zátěží apod.

Obr. 4, 5 a 6 (jpg)

Veškeré zmiňované chyby je při odhadu celkové odchylky navrhovaného zdroje napájení zapotřebí zvážit.

Precizní elektronické systémy mohou kromě toho vznášet přísné požadavky na celkové tolerance výstupního napětí zdroje z pohledu DC odchylky a také AC zvlnění. Spousta prvků ASIC či FPGA s velkými proudovými odběry kupříkladu požaduje celkové toleranční okno ±2 % nebo ±3 % zahrnující DC odchylku i AC zvlnění. Abychom těmto nekompromisním požadavkům vyhověli, musí být zdroj napájení navržen s rychlou přechodovou odezvou a stejně tak i mít k dispozici spoustu výstupních kapacit pro minimalizaci zvlnění VOUT v průběhu rychlých skokových změn zátěže.V takovém případě bude klíčové zvolit integrovaný obvod s nízkou tolerancí VREF. Pro napájecí hladiny s vysokými proudovými odběry je vyžadován regulátor umožňující vzdálené snímání napětí. Úspora místa a také nákladů bude kromě toho u výstupních kondenzátorů mnohem větší než malé zvýšení ceny, použijeme-li 0,5%, nebo snad i 0,1% rezistory. Užitečné jsou také integrované moduly, třeba jako řada regulátorů μModule® LTM od ADI [3], vymezující přesně celkovou toleranci při stejnosměrné stabilizaci (včetně chyb spojovaných s VREF a reakcí na změnu vstupu či zatížení) u kompletního špičkového řešení zdroje napájení.

Závěr

V závislosti na konkrétním určení jsou u zdrojů napájení vyžadovány určité tolerance VOUT. V různých systémech může přitom rozhodovat odchylka na úrovni několika milivoltů, takže je zapotřebí věnovat návrhu náležitou pozornost.

Jedním z vnějších faktorů, které lze mít u přesné regulace pod kontrolou, se stává tolerance součástek. Rozdíl mezi rezistory s tolerancí 0,5 % a 2 % může přitom výrazně ovlivnit vlastnosti vašeho systému a volba správných součástek tak zmenšuje prostor ke vzniku chyby. Výběr vhodných prvků navíc pomůže při snižování ceny a také zvyšování spolehlivosti, protože potřebu změny součástek buď minimalizujeme, nebo rovnou vyloučíme.

Na základě nástroje LTpowerCAD® pro výpočet odporového děliče mohou vývojáři sledovat vliv tolerance součástek na jejich návrh zdroje napájení. Na počátku zvolíte žádané napětí výstupu plus napětí referenčního vývodu a

  • dostanete nejlepší shodu u dvojice standardních rezistorů s ohledem na zamýšlené napětí,
  • vyřešíte buď horní, nebo zase spodní rezistor,
  • docílíte potřebného rozmezí napěťové odchylky z titulu tolerancí odporového děliče.

Díky svým vlastnostem, rozšířeným o možnost vyhledávání standardních rezistorů, se nástroj pro odporové děliče při návrhu napájecího zdroje rozhodně osvědčí. Zvláště pak může pomoci začátečníkům ve snaze ještě lépe se s nimi seznámit. Vývojáři, kteří zmíněný nástroj použijí, dokážou navrhnout zdroje napájení, které vyhovují specifikacím vyžadovaným pro danou aplikaci, a zajistit přitom optimální vlastnosti, včetně výkonu dodávaného do různých bloků systému.

Odkazy:

[1] Lineární stabilizátory LT3062, https://www.analog.com/en/products/lt3062.html

[2] Nástroj pro výpočet odporového děliče v LTpowerCAD®, http://analog.com/LTpowerCAD

[3] Řada regulátorů μModule® LTM od ADI, https://www.analog.com/en/products/power-management/switching-regulators/umodule-regulators.html

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik