Вибір оптимального опору сенсорного резистора імпульсного джерела живлення

Питання:

Чи можна для підвищення ефективності імпуль­сного джерела живлення змінити величину опору сенсорного резистора RSENSE, або видалити його компоненти фільтрації?

Відповідь:

Вибір величини опору RSENSE, який може бути за­надто великим або малим, а також видалення ком­понентів фільтрації може призвести до погіршення ефективності джерела живлення та зростання рівня шуму на його виході. У статті розглядаються уск­ладнення, які виникають із реалізації зворотного зв’язку імпульсних стабілізаторів постійного струму, а також зосереджується увага на виборі величини опору сенсорного резистора RSENSE.

Резистор RSENSE має вирішальне значення для того, щоб контур зворотного зв’язку, який відпові­дає за підтримку стабільної вихідної напруги, отри­мував точний сигнал від струму індуктора. Якщо цей сигнал буде спотворений, пульсації індуктора мо­жуть сприйматися більшими або меншими, ніж вони є насправді, в результаті чого контур зворотного зв’язку буде поводити себе непередбаченим чином.

Понижуючі перетворювачі у цій статті використо­вуються для демонстрації наслідків неправильного вибору величини опору сенсорного резистора, а та­кож для того, щоб показати наслідки видалення компоненти фільтра RSENSE. Сенсорний резистор може мати неоптимальну величину опору, оскільки розробники намагаються підвищити ефективність імпульсного джерела живлення. Крім того, компо­ненти фільтра сенсорного резистора є критично важливими для зворотного зв’язку, який відповідає за стабільність напруги джерела живлення, і, якщо їх видалити, може зрости похибка вихідної напруги джерела живлення.

Що робить сенсорний резистор? Він перетво­рює струм, що виходить з котушки індуктивності або індуктора, на напругу. Це можна побачити на схемі понижуючого стабілізатора, наведеної на рис.1.

Рис. 1. Спрощена схема понижуючого стабілізатора з контуром зворотного зв’язку

Напруга на сенсорному резисторі діє як сигнал зворотного зв’язку для регулювання вихідної напру­ги стабілізатора або імпульсного джерела живлення у нашому випадку. Вибір оптимальної величини опо­ру сенсорного резистора має вирішальне значення для точної роботи контуру зворотного зв’язку.

Ускладнення, які виникають від недостатньої ве­личини опору сенсорного резистора. Розробники можуть зменшити значення опору сенсорного рези­стора, щоб досягти кращої ефективно джерела жив­лення. Сенсорний резистор включено послідовно з індуктором і виходом джерела живлення, щоб при­стрій міг сприймати трикутну форму струму індукто­ра та використовувати його в контурі зворотного зв’язку. Втрати потужності в цьому резисторі визна­чаються рівнянням Ploss=I2L4RSENSE. Зменшивши опір сенсорного резистора, можна дещо підвищити ефективність джерела живлення. Однак, якщо опір сенсорного резистор занадто малий, сигнал від нього також буде занадто малим. Це призводить до зменшення співвідношення сигнал/шум SNR, ос­кільки шум стає близьким за величиною до перетво­реного у напругу струму індуктора. При зменшенні SNR контур зворотного зв’язку більше не зможе до­статньо ослабляти пульсації сигналу від індуктора, що призводить до появи додаткового шуму на вихо­ді джерела живлення. Зазвичай це спостерігається як тремтіння вихідного сигналу, яке можна побачити на рис. 2.

Рис. 2. Пульсації на виході джерела живлення спричинені  зниженим опором R_SENSE

 Щоб виправити цей недолік, необхідно вибрати оптимальне значення опору RSENSE за формулою:

R_SENSE=V_SENSE(max)/I_max,                      (1)

де напруга V_SENSE(max) визначається в технічній доку­ментації на джерело живлення, а I_max – це макси – мальний струм навантаження імпульсного джерела живлення.

Джерело живлення може працювати з макси­мальним струмом Imax, який визначається рівнян­ням (2) як сума 1/2 амплітуди пульсацій струму че­рез котушку індуктивності та середнього струму на­вантаження, як показано на рис. 3.

I_max = I_load + i_L/2.                                (2)

Вибір опору сенсорного резистора відповідно до (2) гарантує те, що його значення достатнє для не­обхідного ослаблення пульсацій струму котушки ін­дуктивності.

Рис. 3. Форма пульсацій струму котушки індуктивності

Ускладнення від надто великого опору сен­сорного резистора. Розробники, як правило, не застосовують сенсорний резистор з великим опором. Однак на друкованій платі опір резистора з урахуванням опору провідникових доріжок може бути досить великим. Як правило, мікросхеми ім­пульсних джерел живлення мають функцію обме­ження струму, яка визначається максимально допу­стимою напругою на сенсорному резисторі. Коли значення заданої максимальної напруги перевище­но, ІМС джерела живлення переходить у режим об­меження струму, і вихідна напруга починає падати зі збільшенням струму навантаження. У цьому режимі стабілізатор не регулює вихідну напругу, як це мож­на побачити на рис. 4.

Рис. 4. Регулювання навантаження імпульсного джерела живлення при великому опорі сенсорного резистора

У розглянутому прикладі dc/dc перетворювач по­стійного струму у складі імпульсного джерела жив­лення має номінальний струм до 15 А, але схема припиняє регулювання вихідної напруги джерела приблизно на рівні 4 А при завеликому опору сен­сорного резистора. Це може виникнути, коли доріж­ки між індуктором та сенсорним резистором довші, ніж вони повинні бути. Оскільки опір вибраного сен­сорний резистор знаходиться в діапазоні міліомів, сенсорний резистор дуже чутливий до будь-якого додаткового опору. Запобігти цій проблемі можна за допомогою з’єднання Кельвіна, яке показано на рис. 5.

Рис. 5. Приклад з’єднання Кельвіна для сенсорного резистора

За цим з’єднанням провідникові доріжки до сен­сорного резистора відокремлені від контактної пло­щадки друкованої плати та струмопровідних дорі­жок. Доріжки Кельвіна розташовані якомога ближче до сенсорного резистора, щоб уникнути додатково­го паразитного опору. Це дозволяє напрузі V_SENSE бути точним відображенням лише напруги на сен­сорному резисторі. Таким чином, коли сенсорний резистор збільшується через довгі траси провідни­кових доріжок та відсутність з’єднань Кельвіна, об­меження струму спрацьовує при менших наванта­женнях, оскільки напруга V_SENSE(max) досягається на­багато раніше, що призводить до гіршого регулю­вання навантаження імпульсного джерела живлен­ня.

Що таке паразитна еквівалентна послідовна індуктивність (ESL)? Через низьке значення опору сенсорного резистора (яке знаходиться в діапазоні міліом), паразитна еквівалентна послідовна індук­тивність (ESL), яка є властивою характеристикою резисторів для поверхневого монтажу, має поміт­ний вплив на величину опору сенсорного резисто­ра. Тому відповідний RC-фільтр повинен бути дода­ний до сенсорних доріжок, щоб звести до мінімуму ефект паразитного індуктивності ESL. Додамо, що ESL складається не лише з паразитної індуктивності сенсорного резистора, а й із загальної паразитної індуктивності, спричиненої не дуже вдалим компо­нуванням друкованої плати. ESL можна розрахувати за рівнянням (3):

ESL = (VESL(step)/ ∆iL)x(ton × toff)/ (ton + toff),       (3)

де VESL(step) — це додана напруга на сенсорному рези­сторі.

Фільтр повинен мати постійну часу RC, яка дорів­нює або є меншою за розраховану постійну часу сенсорного резистора (ESL/R). Коли цей фільтр ви­далити, сенсорний резистор буде включати крім ре- зистивних ще індуктивні характеристики. Це можна спостерігати за стрибками напруги на сенсорному резисторі, як показано на рис. 6.

Рис. 6. Стрибки напруги на сенсорному резисторі RSENSE без фільтра

Крім того, через збільшення пульсацій на виході джерела живлення схема, яка обмежує струм, по­милково припускає, що струм досяг рівня обмежен­ня при нижчому номінальному навантаженні, що призводить до порушення регулювання вихідної на­пруги при нижчих за задане значеннях струму на­вантаження, як це показано на рис. 7.

Рис. 7. Регулювання навантаження джерела живлення без фільтра

У даному прикладі конкретне джерело живлення розраховано на струм до 15 А, але обмежуюча схе­ма припиняє регулювання напруги при струмі на­вантаження 12 А. Проблему можна вирішити, додав­ши відповідний фільтр. Параметри фільтру можна визначити за рівнянням на рис. 8.

Рис. 8. Схема сенсорного резистора з паразитною індуктивною та рівняння розрахунку RC-фільтра для компенсації впливу паразитної індуктивності

Порівняно з сигналом через сенсорний резистор без фільтра RC-фільтр згладжує цей сигнал і усуває вплив паразитної індуктивності ESL. Індуктивні стрибки зникають, і форма хвилі виглядатиме три­кутною, як це можна побачити на рис. 9.

Рис. 9. Форма напруги на резисторі RSENSE при наявності RC-фільтра

ВИСНОВКИ

В статті показано, що від величини опору сен­сорного резистора RSENSE залежить стабільність вихідної напруги імпульсного джерела живлення при змінних навантаженнях. Використання неопти­мального опору сенсорного резистора RSENSE призводить до зменшення як регульованої вихідної напруги, так і відношення сигнал/шум на виході імпульсного джерела живлення. Наявність RC-фільтра у ланцюгу сенсорного резистора усуває пульсації, що викликані паразитною індуктивністю як самого сенсорного резистора, так і паразитної індуктивно­сті провідникових доріжок на друковані платі.