Zlepšujeme přesnost regulace výstupu zdroje napájení s nástroji LTpowerCAD®

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.

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

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?

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.

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.

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