Вынесенные цепи обратной связи в источниках питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2012

Tiger Zhou, Texas Instruments

Удаленные цепи обратной связи широко применяются в телекоммуникационном оборудовании для удовлетворения жестких требований, предъявляемых к питанию специализированных интегральных схем и процессоров. В данной статье рассматриваются конструктивные особенности реализации вынесенных цепей обратной связи, освещаются такие вопросы, как нехватка слоев для разводки питания, размещение компонентов, паразитное сопротивление и возможная генерация. Практический пример демонстрирует эффективность использования высокочастотного блокировочного конденсатора для минимизации генерации, вызываемой цепями дистанционного измерения.

Разработчики высокопроизводительных телекоммуникационных систем нередко сталкиваются с проблемами разводки питания на печатных платах большого размера. Чтобы освободить место для основных микросхем и процессоров, источники питания часто размещают в углу или с краю платы. С тем, чтобы компенсировать в этом случае падение напряжения на линиях питания часто используются вынесенные цепи обратной связи, особенно для низковольтных систем с большими токами потребления. Динамический характер нагрузки в сочетании с паразитными сопротивлениями линий питания может влиять на работу источника питания.

Снижение сопротивления линий питания

Выделение доступных слоев печатной платы для разводки питания может снизить колебания напряжения до допустимых пределов регулирования. Получаемое за счет использования отдельных слоев питания снижение падения напряжения на сопротивлении шин позволяет улучшить точность регулирования постоянного напряжения и повысить эффективность системы.

Разделение выходной емкости

При динамическом характере нагрузки важно разделить выходную емкость между источником питания и удаленной нагрузкой. Выходная емкость при динамической нагрузке действует как блокировочный конденсатор, снижая пульсации и шум тока на соединительной линии. Она также стабилизирует выходное напряжение в удаленной точке съема напряжения обратной связи, делая цепи контроля и измерения точнее и надежней.

Высокочастотный блокировочный конденсатор

Эффективным будет также добавление высокочастотного блокировочного конденсатора в локальном источнике питания. В современных преобразователях часто имеется дифференциальный усилитель для подключения вынесенной цепи обратной связи. Два измерительных резистора, расположенных рядом с нагрузкой, соединяют ее через дифференциальную пару с контроллером. Как видно из Рисунка 1, контроллер синхронного понижающего преобразователя Texas Instruments (TI) TPS40400 содержит специальный дифференциальный усилитель, компенсирующий падение напряжения на паразитном сопротивлении (R_P) линии питания.

Рисунок 1.	Вынесенная цепь обратной связи в дифференциальном усилителе компенсирует падение напряжения на паразитном сопротивлении.

Удаленное измерение на нагрузке можно выполнять и при отсутствии специального дифференциального усилителя. Резистор для подключения цепи вынесенной обратной связи позволяет подать напряжение нагрузки на преобразователь и регулировать выходное напряжение, сравнивая напряжение на нагрузке с опорным напряжением. На Рисунке 2 показана конфигурация понижающего преобразователя TI TPS62110 с удаленным измерением нагрузки и компенсацией на выходе падения напряжения на паразитном сопротивлении (R_P).

Рисунок 2.	Удаленное измерение через резистор RSNS компенсирует падение напряжения на паразитном сопротивлении RP.

Однако если динамическая нагрузка подключена так, как показано на Рисунке 2, линия удаленного контроля поднимает динамическое напряжение и пытается компенсировать его падение на паразитном сопротивлении (R_P). Вследствие задержки сигнала в контроллере это может привести к низкочастотным колебаниям, которые на осциллограмме выходного напряжения выглядят как небольшое дрожание сигнала на частоте коммутации нагрузки, приводящее к увеличению уровня пульсаций на выходной стороне. Высокочастотный блокировочный конденсатор (C_Bypass) позволяет легко исправить эту ситуацию. Он отфильтровывает высокочастотную динамическую составляющую, сохраняя при этом измеряемый уровень постоянного напряжения.

Рисунок 3.	Первоначальные выходные пульсации на частоте 33 кГц.

7-вольтовый источник питания драйвера затворов на понижающем преобразователе TPS62110 был протестирован с блокировочным конденсатором емкостью 1 мкФ. На Рисунке 3 показаны пульсации на выходе с генерацией на частоте 33 кГц при отсутствии конденсатора. Из Рисунка 4 видно, что добавление блокировочного конденсатора 1 мкФ практически полностью удаляет из выходного напряжения колебания 33 кГц, в результате чего уровень пульсаций снижается до 20 мВ, что составляет 0.3% от номинального напряжения.

Рисунок 4.	Ослабление пульсаций на выходе за счет блокировочного конденсатора емкостью 1 мкФ.