Başlamadan önce, eğer bu bölüm ile ilk defa topolojiler ile tanışacaksanız ve ilginizi çektiyse, ilk bölümü mutlaka okumanızı tavsiye ediyorum. Zira ikisi birbiri ile doğrudan bağlantılı, orayı okumazsanız burası büyük oranda pek bir anlam ifade etmeyecek.
Aşırı sıkıldığım için, ilk bölümde PSU'larda kullanılan topolojilerde, topoloji seçimi esnasında göz önünde bulundurulması gereken kriterlerden, ardından topolojilerin avantaj ve dezavantajlarından bahsettikten sonra, çalışma mantığını anlamanız için güç kaynaklarında sık gördüğümüz bir topolojinin çalışma prensibinden bahsetmiştim. Bu bölümde de işin daha da detayına gireceğiz. Çünkü yine sıkıldım ve neden olmasın?
Bu arada bu final bölümü değil, ekstradan bir bölüm yapmayı daha planlıyorum. O bölümde de muhtemelen DC-DC kartlarına girip konuyu kapatırım artık.
Daha önceki bölümde, Transformer'ın izole edici yönünden bahsetmiştik. Hatırlayıp tekrar kafamıza oturtmak adına tekrar bir görelim, zira bizim için önemli:
Fazla büyük tutmuyorum, sadece hatırlatmak adına göstermek istedim. İzolasyonun solundakiler Input, sağındakiler de Output tarafı. İlk bölümde aslında buranın tamamından bahsettik, şimdi burada biraz anlam kargaşası var. Onu düzeltelim önce.
hwbusters.com
Şimdi burada belirtilen düzene göre ilerliyorum. İlk bölümde Full-Bridge'i genel hatları ile ele almıştık. Şimdi Full-Bridge'in kendi içinde çeşitlenmeleri arasından en sık gördüğümüzü, LLC converter'ı ve EMI/Transient filtresini derinlemesine anlatacağım.
Geçen sefer bir bütün olarak anlatma sebebim elbette kafa karışıklığını minimuma indirmekti. Full-Bridge, input/output ikilisinin birleşimi. Genel olarak sadece Full-Bridge değil, Half-Bridge'i anlatsam da aynı şey olacaktı. Buradaki "Bridge" kelimesini iki taraf arasındaki köprü olarak aklınızda tutabilirsiniz. Bir bütün olarak anlatmam gerekti, zira hikayenin tamamını anlamak zorundaydınız orada. Geçen ilk bölüme gidip Full-Bridge kısmını anlattığım yeri tekrar okuyun ve yukarıdaki fotoğrafa göre sağ tarafı bir anda anlatmadığımı hayal edin. Ne kadar saçma olurdu değil mi?
Primary ve Secondary Side konusuna, 3. bölümün başında girmeyi planlıyorum. İlk bölümde anlatmama sebebim topoloji kavramına ilk defa giriş yapıyorsanız, sizin için ezbere bir bilgiden farksız olacağıydı. Önce topoloji kavramının kendisini anlatmanın daha uygun olacağına kanaat getirdim ki primer ve sekonder taraf konusu sizler için daha iyi anlam ifade edebilsin. Bakalım haklı mıyım? Üçüncü bölümde görelim.
Şimdi kemerleri bağlayın.
İlk cümlede yazdığım gibi AC filtrelemesi yapmanın yanı sıra output dizaynı, güç kaynaklarındaki verimliliğin en büyük belirleyici faktörüdür. Çünkü en büyük enerji kaybı daima output tarafında gerçekleşir. Bu sebepten dizayn seçimi konusunda en düşük maaliyet ile en yüksek verimliliği getirmek esas alınır. Burada da iki tane dizayn seçiminden bahsedeceğiz. İkiliye giriş yapmadan önce "Rectification" ile kast edilenin ne olduğunu anlamamız lazım. Doğrultma veya düzeltme de diyebileceğimiz rectification, güç kaynaklarındaki verimliliğin maksimize edilmesi için geliştirilmiş output dizaynlarıdır. Güç kaynaklarında temelde iki tane rectification türü görürüz:
1) Diode (Passive) Rectification: Diyotların kullanıldığı rectification türüdür. Schottky ve bir alt tier olan PN diyotlarından birazdan aşağıda bahsedeceğiz. Alt seviye bir rectification türü kısacası.
2) Synchronous Rectification: Diyotların aksine, MOSFET'lerin kullanıldığı rectify türü, üst seviye türümüz de kendileri oluyor. Passive Rectification'a göre daha yüksek bir verimlilik sunar. Çünkü diyotların voltage drop gibi can sıkıcı problemleri vardır. Birazdan bahsedeceğiz detaylı olarak. Yukarıda linkini bıraktığım A850GL kullanıyor gördüğünüz gibi.
3) Bonus: Semi-Synchronous Rectification: Passive ve Synchronous'un birleşimi gibi düşünün. Diyotların ve MOSFET'lerin bir arada kullanıldığı tür. Synchronous'un masraflı geldiği durumlarda, daha uygun maaliyet ile Passive'e nazaran daha yüksek verimlilik elde etmek için kullanılabilir. Kendisi başlı başına bir topoloji değildir, ikisinin karmasıdır.
Bu kısa tanımlamalardan sonra genel bir çerçeve çizerek başlayalım.
AC/DC tarafı izole olmayan topolojilerde (ilk bölümden hatırlayın) kullanılan output rectifier'ı direkt olarak mosfetlere bağlıdır ve half-wave modunda çalışır:
Rectifier direkt olarak işaretlediğim diyota bağlı, arada izole edici bir devre elemanı yok. İzole topolojilerde ise half-wave veya full-wave modunda çalışırlar ve kullanılacak alana göre, tercih konusunda maaliyet/verimlilik nokta atışı yapılması zorunluluğu vardır.
Üstteki rectification'u birazdan öğreneceğimiz formül için bilmemiz elzem. Kendisi full-wave bridge rectifier. Full-wave bridge rectifier, ikişer tane döngü tamamlamak üzere, soldaki dörtgen alanda gördüğünüz dört tane diode'u forward ve reverse biased olarak ayarlayarak, her bir ikiliyi sırayla anot ve katota bağlar. Forward ve reverse biased işlemi pozitif ve negatif döngüde ayrı ayrı yapılır. Yani geçen bölüm Full-Bridge'in çalışma mekanizmasını anlatırken en sonda bu işlemlerin bir de tam tersi yönde ve mosfetlerde yapıldığını söylemiştim. Aynısı burada da geçerli ki Bridge Rectifier devre elemanından bahsediyoruz aslında burada. Birazdan aşağıda ondan da bahsedeceğiz. Bu cümledekiler bir anlam ifade etmiyorsa zamanında şöyle bir konuda açıklamıştım, göz atabilirsiniz. Direkt ilgili mesaja götürecek tıklayınca:
www.technopat.net
Rectifier hususunda yapılacak tercih için yine ilk bölümde bahsettiğimiz Black Box yaklaşımından faydalanılır. Bu seferki amacımız yine ilk bölümden de hatırlayacağınız gibi, bize bela olacak reverse-voltage'ı hesaplayıp ona göre rectifier dizaynı tercih etmek. Buradaki yaklaşımda forward rectification için şu formülden yararlanılır:
]
V(r) = minimum reverse voltage. Burada dizayn seçimi için gerekli olan minimum reverse voltajı bulmamız gerekir.
Gördüğünüz k katsayısı full-wave rectifier için 1, center-tapped rectifier için ise 2 değerini alır.
Rectification ve Dizaynları
Reverse voltage için dayanıklılık konusunda yapılacak tercihler arasında önemli başka şeyler de var. Geçen bölümden tanıdık gelecek:
Schottky diode'u (ilk bölüme gidip şematik üzerinden nerede olduğuna bakıp görebilirsiniz) ve PN diode'u dediğimiz iki diyot türünün reverse voltage'ı toparlayabilmesl için belirli bir zaman aralığı vardır. Öyle milisaniyelik bir süreç değildir bu, nanosaniyelik bir süreçtir ki reverse voltage belasından bizi hemen kurtarabilsinler. PN diyotlarında ortalama 50 nanosaniye gibi çılgın kısa bir sürede yapılan bu işlem, Schottky diyotlarında 10 nanosaniye gibi akıl almaz kısa bir sürede gerçekleşir.
Bunun sonucunda Schottky diyotları daha tercih edilesi bir konuma gelirler ama iş sadece recover süresinde bitmez. Bu sürelere ek olarak, Schottky diyotları ortalama 40-50V kadar bir reverse voltage'ı kaldırabilir. Bu limitin yetersiz olduğu durumlarda da PN diyotları, recovery time'dan fedakarlık edilerek daha yüksek reverse voltage taşıma kabiliyetine sahip oldukları için Schottky diyotlarının yerine tercih edilirler.
Diğer bir önemli fark ise iletkenlik oranlarıdır. Schottky diyotlarının direnci daha yüksek olduğu için, akım arttıkça voltaj dropları da artar. İsterseniz PN diyotları ile arasındaki farka bir grafik analizi ile bakalım:
Oklar ile dikkat çekmek istediğim eğim konusunu görüyorsunuz. Normalde Schottky (A) diyotlarının voltaj dropları daha düşük olmasına rağmen, artan akım ile beraber PN (B) diyotlarının voltaj düşüşündeki artma hızına yetişebiliyorlar. Peki hangisini hangi durumda kullanmalı? Schottky diyotları daha düşük tepki süresi, daha hızlı açılıp kapanma, daha düşük voltaj drop'u sayesinde genellikle en tercih edilesi diyotlardır ancak maaliyetleri de ona göre yüksektir. PN diyotları ise bu pahalılıktan bizleri kurtaran daha uygun fiyatlı çözümlerdir. Schottky diyotlarında gerçekten maaliyet dışında hiç mi kötü yön yok? Elbette var.
Schottky diyotları, PN diyotlarına göre daha büyüklerdir ve reverse leakage akımları daha fazladır. Bunun sebebi de standart PN diyotlarından farklı yapıda olmalarıdır. Schottky'lerin silikonları, düz PN diyotlarının aksine metal yapıdadırlar. PN diyotları gibi P ve N kutupları yoktur. Kutup mantığı farklıdır. Bu sebepten isterseniz onların farklarına da girelim bir. (İstemeseniz de gireceğim hehe)
Bu gördüğünüz klasik bir PN diyotu. Sağ ve sol kutuptaki elektron ve boşlukları görüyorsunuz. Bu elektronlar difüzyon ve drift akımına maruz kalırlar. Difüzyon, üstte gördüğünüz elektronların (-) ve boşlukların (+) birbirleri ile karıştığı aşamaya denir. Drift ise yüklerin birbirleri ile çarpışması aşamasıdır. İrdeleyecek olursak:
Soldaki Forward kısmında, aradaki perdeyi kaldırdığımızda N tarafındaki elektronlar ve P tarafındaki boşluklar birbirleri ile birleşip karışmaya başlarlar. Bu karışım akımına diffusion current denir. Şimdi sağ tarafa dikkatli bakın. Aklınızda şunu canlandırmanızı istiyorum: P ve N tarafı birbirlerine geçip karışmaya başladıkları ilk an, yani o ilk anı kafanızda slow motion olarak hayal edin. Soldaki elektronlar ve sağdaki boşluklar birbirlerine doğru yavaşça hareket ederlerken, üstte gördüğünüz "depletion region" kısmında yük geçişi meydana geliyor. (Orası henüz oluşmadı sadece görün diye söylüyorum). Yani N tarafında, daha işin en başında boşluklar, P tarafında ise yine en başta elektronlar birikiyor. Bu oluşan alana "depletion region" denir (şimdi oluştu). Bu elektrik alan, elektronların tekrar N tarafına geçmesi ve boşlukların tekrar P tarafına geçmesi için epey bir zorlar. Farkındaysanız bu zorlama çift taraflı gerçekleşir, gerçekleşirken de karşılıklı olarak birbirlerini sıfırlarlar. Yani difüzyon işlemi sıfırlanır. İşte bu tersine gerçekleşen, difüzyon akımını sıfırlayan akıma Drift akımı denir. Bu oluşan "depletion region"'u birnevi bir bariyer gibi düşünebilirsiniz.
Burada daha da iyi anlaşılabilmesi için forward ve reverse biased akıma girip, majority ve minority carrier ve ek olarak sızıntı akım kavramını da açıklamak için charge carrier'ı anlatmak iyi olurdu ama farkındaysanız bu işin bir sonu yok... O yüzden belirli bir yerde limitlememiz lazım ki 200 sayfalık bir yazı olmasın.
Bunları anlatma sebebim ise Schottky diyotlarının bu "depletion region" bariyerinin daha ufak olmasıdır. Depletion region mükemmel çalışan bir bariyer değildir bu arada, unutmayın ki her daim bir sızıntı mutlaka vardır. Bariyer ne kadar geniş ise, elektronların denge noktasından kaçak yapabilme potansiyeli de o kadar azalır. Bu gördüğünüz bariyer birnevi daha az sızıntının oluşmasına yardımcı olur ve Schottky'lerin bu yüzden ters sızıntı akımı daha fazladır. Bu takdir edersiniz ki istenmeyen bir şeydir, zira sızıntı akımın aşırı olduğu durumlarda overall performansta düşüş gözlemlenir. Bu yüzden de bu senaryolarda, düşük leakage current'in istendiği durumlarda klasik PN diyotları kullanılır. (Mesela low-power applications) En yüksek verimlilik için diyot tarafında Schottky diyotları tercih edilir. Özellikle high-power application'larda (güç kaynakları gibi) Schottky diyotları kullanılması elzemdir.
Evet rectifier dizaynındaki diyot tercihlerini burada noktalıyoruz. Bence yeterince anlattık, çalışma mantığını kavradınız gibi. Şimdi de sırada Bridge Rectifier var, zira güç kaynaklarında olmazsa olmazlarımızdandır. Üstte şemasını göstermiştim.
İşaretlediğim kırmızı alandaki dörtlü diyot bridge rectifier. Bu elbette eski dizayn, zira günümüzde diyotlar bu şekilde PCB üzerine ayrı ayrı bağlanmıyor. Onun yerine şu şekilde göreceksiniz:
Be Quiet System Power 10 çöpünün Bridge Rectifier'ı bu. Burada rezil edeyim dedim kendisini... Neyse açıklamaya geçelim:
Arkadaşlar bu gördüğünüz Bridge Rectifier'ın üstteki fotoğraftaki dört tane diyottan bir farkı yok. (En azından benim bildiğim kadarı ile yok, biliyorsanız belirtirseniz sevinirim) Bunun içinde dört tane diyot var, her birisinin görevi de üstteki dörtlünün yaptığı şey ile aynı. Ortadaki iki pin AC girişi, en sağdaki ve soldaki iki pin ise DC çıkışı. Sonrasında bulk kapasitörüne gidip DC output'un yumuşatılıp depolanması şeklinde yolculuğuna devam ediyor. Şimdi aşağıya şemayı da koyacağım. Çünkü bu şemayı direkt güç kaynağının üzerinde göstereceğim size. Şemadaki devre elemanları bakalım PCB üzerinde neredeler?
Şemayı da yanyana koydum kolaylık için, tek tek kıyaslayın bakalım. Xigmatek Fury GD 850'nin iç yapısı bu. Gayet kaliteli bir modeldir. Sağda kapasitörü görüyorsunuz zaten kocaman, bulk. Turuncu olan indüktör, o siyah şeyin içinde kocaman bir coil var. Soldaki yeşil Bridge Rectifier'ın bağlandığı heatsink, soğutulması için. Mor olan da Bridge Rectifier. Yalnız diyotun yerini göremedim. Şunun olma ihtimali?
Bilemedim ben de, bu ise neden sargılı onu da anlamadım. Her şey ne kadar da tam uyumlu değil mi? Böyle şemadaki şeyi gerçekte görünce bir tuhaf hissettiriyor. Gelmişken Bridge Rectifier'ı (2 tane) da göstermiş olayım o da aşağıda yalnız kalmasın. MOV'a birazdan gireceğim kısa şekilde EMI'yi anlatırken. Şimdi bir mola verelim ve en yukardaki primary ve secondary topoloji kısmına bir daha bakalım ki yolculukta nerede olduğumuzu kavrayabilelim, kaybolamayalım.
APFC konusunu zaten anlatmıştım, Synchronous'un da ne olduğundan bahsettik. Bridge Rectifier da bitti. LLC Converter nedir peki? "Double-Tube Forward" topolojisine girmeyeceğim artık, zira amacım detaylı bir şekilde fotoğrafta gördüğünüz topolojiler ile sınırlı kalmak yoksa aşırı aşırı uzayacak. Hadi önce LLC'nin yine aynı PCB üzerindeki yerini görelim:
İşte tam olarak burası, buradan da transformer'a yolculuğuna devam ediyor işte.
L burada indüktörü temsil ediyor. C ise kapasitör. Yani iki tane indüktör, bir tane kapasitör. LLC Resonant Converter'ın amacı veya amaçlarını da şekil üzerinde AC ile bağdaştırarak anlatalım, çünkü doğrudan onunla ilgili.
Arkadaşlar burada gördüğünüz gibi, AC normalde dalgalı bir biçimde harmonik dalgaboyları ile hareket eder ancak bizim için esas frekans, (en yukarıda fundamental yazıyor zaten görüyorsunuz) tek harmoninin olduğu waveform'dur. İçeri girdiği zaman bu şekilde square waveform'a dönüşerek hareket eder. LLC Converter'ın amacı da bu kare şeklindeki dalgaları elimine ederek, tek harmonili normal dalgaboyunu elde etmemizi sağlamaktır. Bunun önemli getirilerinden bir tanesi de verimliliği arttırmasıdır. Çünkü sinus waveform'unda karenin aksine daha az harmoni bulunur ve bu da daha az ısınma ile beraber verimliliğin artması anlamına gelir. Günün sonunda amacımız = verimliliği arttırmak.
Bu arada LLC'nin aynı zamanda EMI filtrelemesi yaptığına dair birkaç makale de görüp göz atmıştım ama detaylı bilgi sahibi olmadığım için o konuya girmeyeceğim artık. LLC'nin temelde olayını anladığımıza göre artık EMI/Transient tarafına geçebiliriz.
EMI / Transient Filtresi
Gürültü, voltaj ve akımın dalga boylarındaki geçişlerde meydana gelir. Yani güç kaynaklarımız bir numaralı EMI üreticileridir. Dalgaboylarındaki değişim sonucu oluşan noise'in filtrelenmesi gerekir. İlk önce şu "noise" kavramından biraz bahsedelim, EMI/Transient filter'ı anlamamıza yardımcı olacak. Totalde iki çeşit "noise" var:
Common noise: Bu ses türünde ölçümde topraklama hesaba katılmaz, zira sesin kaynağı yalnızca yarı-iletkenin kendisidir veya hatlarıdır diyeyim.
Differential noise: Bu noise türünün kaynağı ise topraktır. Gürültü akımları toprak aracılığı ile ulaşır.
Differential'da gördüğünüz üzere de toprağa bağlı, topraktan load'a bir bağlantı var.
Burada da dalgaboylarındaki değişimler sonucu oluşan spektrumu görüyorsunuz. Sağdaki Quasi-Resonant, soldaki ise düz PWM. Soldakinin spektrumunun (100 MHz'den daha fazla) daha geniş olduğunu görebilirsiniz, bu sebepten filtreleme yapmak şart gibi bir şey. Sağdaki için ise 30 MHz'nin altında, bu sebepten gürültü filtrelemesi yapmak çok daha kolay. Bu filtrelemeyi yaparken X ve Y kapasitörü, coil gibi devre elemanlarından faydalanıyoruz.
Peki güç kaynaklarında nedir bu EMI'nın kaynağı? Bu kadar önemli ise noise'in kaynağını da öğrenelim madem. Güç kaynaklarında en büyük noise kaynağı Input tarafıdır. Güç kaynağınızın arkasındaki şalter düğmesi de dahil olmak üzere transformer'ın primary tarafı ve kapasitörlerdir. Sanıyorum bulk kapasitörü olmalı tam emin değilim ondan. Çünkü bulk kapasitörü, PSU için gerekli olan akım dalgaboyunu oluşturan devre elemanı aynı zamanda ve çok büyük. Size acı bir bilgi daha vereyim...
Hani şu güç kaynaklarındaki heatsinkler var ya? Mosfetleri soğutmak için onlara bağlıyoruz falan... İşte o de EMI'yi tetikleyen unsurlardan birisi. Her yerde her daim fırsat maaliyeti...
Daha düşük bir EMI elde etmek için gerekli püf noktaları da derleyelim:
Şimdi de bu noise'i düşürmek için bir EMI/Transient korumasına bir bakalım, kendisi EMI filtrelemesinden sorumlu demiştik:
İndüktör, Film (X) ve seramik (Y) kapasitörler ilk lazım olan şeylerden. Dediğim gibi yüksek frekanslar ile arası epey iyi bunların. 0.005 uF ile 0.1 uF aralığında değerleri vardır. İndüktör ise transient filtrede transient voltajı konusunda işe yararlar, daha düşük transient spike atımını sağlayıp, voltajı atışını zamanla gerçekleştirir. Geçici yanıt süresinin olabildiğince düşürülmesi gerekir anlayacağınız. Bu da tasarladığımız EMI/Transient filtrenin daha uzun ömürlü olmasına yardımcı olur. Filtre için Discharge IC, MOV (Metal Oxide Varistor) gibi devre elemanları da kullanılabilir. Özellikle MOV önemli, zira kendisi yine transient spike'lara karşı koruma sağlayan devre elemanıdır. Örneğin 180V bir input voltajında, MOV kendisini 230V'a kadar çıkartabilir. Bu yükseliş ve alçalışlar zamanla (yıllarla ifade edilebilecek bir sürede) MOV'un deformasyona uğramasına sebep olur.
Bu gördüğünüz kötü bir EMI filtresi örneği. Devre elemanları aşırı eksik, hatta yok gibi bir şey neredeyse. Bu PSU @yweld 'nın, ben de rehber için kullanmak istedim ve sağ olsun izin verdi. Gerçek hayattan da örnek göstermiş olduk. Ne MOV, ne X veya Y kapasitörü... Hiçbirisi görünmüyor. Performans yerlerde. İyi EMI filtresi örneği de yukarıdaki Xigmatek Fury GD 850 zaten.
Neyse dizayn tercihleri konusuna gelelim. Üreticinin göz önünde bulundurması gereken çok ama çok önemli bir şey var. Hatta belki de en önemlisi bana göre. EMI ve Ripple dengelemesi yapabilmek. Ripple değerlerini düşürmek için daha büyük kapasitörler tercih edilmeli haliyle. Bulk kapasitörlerine bakıyoruz burada artık. Bilgisayarınızı açtınız, ilk akım gelirken daha düşük ripple görürüz ancak kapasitörler büyüdükçe, transient akım da maalesef büyür. Bu dizaynın nasıl yapıldığına bakalım şimdi:
İlk olarak "Ripple nedir?" sorusuna cevap arıyorsanız tertemiz bir rehbere yönlendireyim sizi:
www.technopat.net
Şimdi ripple değerleri hususunda hedeflenen bazı değerler vardır. Üretici, gelen peak AC voltajının %5-%8'i miktarda ripple değeri hedefler. Bunun için kullanılacak bulk kapasitörünün değerinin hesaplanması için kullanılan bir formül var, beyin yakıcı:
f(in): minimum AC frekansı.
V(in): düzenlenen minimum AC peak voltajı.
Vripple(p-p): bulk kapasitöründe hedeflenen peak to peak voltajı.
Bu formül üreticinin en ideal EMI/Transient & ripple dengelemesi yapmasını sağlar. Şimdi buradan bulk kapasitör için gerekli değeri bulduk ama sorun şu ki, bir tane ile mi sınırlı kalacak? Koskoca PCB'de ripple voltajı ile mücadele edecek bir tane kapasitör olması kabus gibi olurdu. O yüzden ekstra kapasitör eklemeleri de yapmamız gerekiyor. Kapasitörleri paralel olarak bağlamak, ripple değerlerini 1/ö şeklinde paylaştıracağından, ö yerine kaç tane kapasitör koyarsak ripple değerleri o kadar paylaşılacak ve kapasitör başına girilen stres azalacak. Yalnız kapasitörleri kafamıza göre paralel bağlayamayız, sağlıklı bir düşüş elde etmek için veriyolu üzerinde simetrik olarak bağlamamız gerekir.
Bunlara ek olarak kullandığımız elektrolikit kapasitörler, yüksek frekanslarda çuvalladıkları için bunlara destek olmak amacı ile yüksek frekanslı devre elemanlarının ripple değerlerini iyileştirmek amacıyla X ve Y kapasitörleri kullanmak da önemlidir.
Brownout Condition
Gelin Brownout'a bir göz atalım. Brownout, çalışmayı sürdürmek için gerekli minimum voltajın altına düşüldüğünde verilen isimdir ve mantıken güç kaynaklarının da Brownout periyodunda kapanmalarını isteriz. Ancak bu periyot esnasında güç kaynağı nedenini bilmediğim bir şekilde sapıtarak, bir anda verebileceği maksimum gücü vermeye başlayarak kapanır ve DC output'undaki kontrolünü büyük ölçüde kaybeder. Bu durum hem güç kaynağı, hem de bilgisayarımız için hayat karartıcı olabilir. İşte PSU'ların bozulmasına sebep verebilecek ve bileşenlerinize de zarar gelme ihtimalini arttırıcı bir durum bu. O durumlardan yalnızca bir tanesi. Yani bir gün durduk yere güç kaynağınız bozulursa, belki de sebebi Brownout condition'a girdiğinde, güç kaynağınızın bu durumu engellemek amacı ile tasarlanan mekanizmanın düzgün çalışmamasındandır.
Bunu engellemek için tasarlanan mekanizmaya "Undervoltage Shutdown Circuit" adı verilir ve tam yukarıdaki Brownout sürecindeki sorunu engellemek için dizayn edilirler. Dizaynı da kabaca şu şekildedir, farklı varyasyonları da var elbette. Formülleri vesaire var ama hiç girmiyorum oralara artık.
İşte bu kadar. DC-DC kartları hariç hepsini bitirmiş olduk bu şekilde. Yalnız ben de bittim, rehber de bitsin artık...
Her zaman dediğim gibi hatalı gördüğünüz yerler olursa lütfen belirtin. Düzeltelim ve rehberi beraber daha da doğruya taşıyalım. Okuduğunuz için teşekkür ederim.
Kaynaklar hususunda daha da ileri okuma yapmak isterseniz diye faydalı bağlantılar bırakıyorum:
forum.digikey.com
www.mdpi.com
EMI filtresinde LLC Resonant Converter'ın rolü ile alakalı bulduğum makale, göz atmıştım ama detaylı girmedim dediğim gibi:
www.readcube.com
Aşırı sıkıldığım için, ilk bölümde PSU'larda kullanılan topolojilerde, topoloji seçimi esnasında göz önünde bulundurulması gereken kriterlerden, ardından topolojilerin avantaj ve dezavantajlarından bahsettikten sonra, çalışma mantığını anlamanız için güç kaynaklarında sık gördüğümüz bir topolojinin çalışma prensibinden bahsetmiştim. Bu bölümde de işin daha da detayına gireceğiz. Çünkü yine sıkıldım ve neden olmasın?
Bu arada bu final bölümü değil, ekstradan bir bölüm yapmayı daha planlıyorum. O bölümde de muhtemelen DC-DC kartlarına girip konuyu kapatırım artık.
Daha önceki bölümde, Transformer'ın izole edici yönünden bahsetmiştik. Hatırlayıp tekrar kafamıza oturtmak adına tekrar bir görelim, zira bizim için önemli:
Fazla büyük tutmuyorum, sadece hatırlatmak adına göstermek istedim. İzolasyonun solundakiler Input, sağındakiler de Output tarafı. İlk bölümde aslında buranın tamamından bahsettik, şimdi burada biraz anlam kargaşası var. Onu düzeltelim önce.
MSI MAG A850GL PCIE5 850W PSU Review - Page 3 of 11 - Hardware Busters
Hardware Busters - MSI MAG A850GL PCIE5 850W PSU Review - PSUs
hwbusters.com
Şimdi burada belirtilen düzene göre ilerliyorum. İlk bölümde Full-Bridge'i genel hatları ile ele almıştık. Şimdi Full-Bridge'in kendi içinde çeşitlenmeleri arasından en sık gördüğümüzü, LLC converter'ı ve EMI/Transient filtresini derinlemesine anlatacağım.
Geçen sefer bir bütün olarak anlatma sebebim elbette kafa karışıklığını minimuma indirmekti. Full-Bridge, input/output ikilisinin birleşimi. Genel olarak sadece Full-Bridge değil, Half-Bridge'i anlatsam da aynı şey olacaktı. Buradaki "Bridge" kelimesini iki taraf arasındaki köprü olarak aklınızda tutabilirsiniz. Bir bütün olarak anlatmam gerekti, zira hikayenin tamamını anlamak zorundaydınız orada. Geçen ilk bölüme gidip Full-Bridge kısmını anlattığım yeri tekrar okuyun ve yukarıdaki fotoğrafa göre sağ tarafı bir anda anlatmadığımı hayal edin. Ne kadar saçma olurdu değil mi?
Primary ve Secondary Side konusuna, 3. bölümün başında girmeyi planlıyorum. İlk bölümde anlatmama sebebim topoloji kavramına ilk defa giriş yapıyorsanız, sizin için ezbere bir bilgiden farksız olacağıydı. Önce topoloji kavramının kendisini anlatmanın daha uygun olacağına kanaat getirdim ki primer ve sekonder taraf konusu sizler için daha iyi anlam ifade edebilsin. Bakalım haklı mıyım? Üçüncü bölümde görelim.
Şimdi kemerleri bağlayın.
İlk cümlede yazdığım gibi AC filtrelemesi yapmanın yanı sıra output dizaynı, güç kaynaklarındaki verimliliğin en büyük belirleyici faktörüdür. Çünkü en büyük enerji kaybı daima output tarafında gerçekleşir. Bu sebepten dizayn seçimi konusunda en düşük maaliyet ile en yüksek verimliliği getirmek esas alınır. Burada da iki tane dizayn seçiminden bahsedeceğiz. İkiliye giriş yapmadan önce "Rectification" ile kast edilenin ne olduğunu anlamamız lazım. Doğrultma veya düzeltme de diyebileceğimiz rectification, güç kaynaklarındaki verimliliğin maksimize edilmesi için geliştirilmiş output dizaynlarıdır. Güç kaynaklarında temelde iki tane rectification türü görürüz:
1) Diode (Passive) Rectification: Diyotların kullanıldığı rectification türüdür. Schottky ve bir alt tier olan PN diyotlarından birazdan aşağıda bahsedeceğiz. Alt seviye bir rectification türü kısacası.
2) Synchronous Rectification: Diyotların aksine, MOSFET'lerin kullanıldığı rectify türü, üst seviye türümüz de kendileri oluyor. Passive Rectification'a göre daha yüksek bir verimlilik sunar. Çünkü diyotların voltage drop gibi can sıkıcı problemleri vardır. Birazdan bahsedeceğiz detaylı olarak. Yukarıda linkini bıraktığım A850GL kullanıyor gördüğünüz gibi.
3) Bonus: Semi-Synchronous Rectification: Passive ve Synchronous'un birleşimi gibi düşünün. Diyotların ve MOSFET'lerin bir arada kullanıldığı tür. Synchronous'un masraflı geldiği durumlarda, daha uygun maaliyet ile Passive'e nazaran daha yüksek verimlilik elde etmek için kullanılabilir. Kendisi başlı başına bir topoloji değildir, ikisinin karmasıdır.
Bu kısa tanımlamalardan sonra genel bir çerçeve çizerek başlayalım.
AC/DC tarafı izole olmayan topolojilerde (ilk bölümden hatırlayın) kullanılan output rectifier'ı direkt olarak mosfetlere bağlıdır ve half-wave modunda çalışır:
Rectifier direkt olarak işaretlediğim diyota bağlı, arada izole edici bir devre elemanı yok. İzole topolojilerde ise half-wave veya full-wave modunda çalışırlar ve kullanılacak alana göre, tercih konusunda maaliyet/verimlilik nokta atışı yapılması zorunluluğu vardır.
Üstteki rectification'u birazdan öğreneceğimiz formül için bilmemiz elzem. Kendisi full-wave bridge rectifier. Full-wave bridge rectifier, ikişer tane döngü tamamlamak üzere, soldaki dörtgen alanda gördüğünüz dört tane diode'u forward ve reverse biased olarak ayarlayarak, her bir ikiliyi sırayla anot ve katota bağlar. Forward ve reverse biased işlemi pozitif ve negatif döngüde ayrı ayrı yapılır. Yani geçen bölüm Full-Bridge'in çalışma mekanizmasını anlatırken en sonda bu işlemlerin bir de tam tersi yönde ve mosfetlerde yapıldığını söylemiştim. Aynısı burada da geçerli ki Bridge Rectifier devre elemanından bahsediyoruz aslında burada. Birazdan aşağıda ondan da bahsedeceğiz. Bu cümledekiler bir anlam ifade etmiyorsa zamanında şöyle bir konuda açıklamıştım, göz atabilirsiniz. Direkt ilgili mesaja götürecek tıklayınca:
High Power 500W Power good sinyali yok
IC'de işaretlediğiniz yerin bir altı PSON bacağı bu arada. Evet evet orada kafam karışmış olabilir tersime geldiği için fotoğrafta... Resistör dediğiniz şeyler direnç mi. Ölçtüğümde değeri kaç olmalı? Direnç ise renk tablosuna göre bakıyorduk galiba değil mi? Evet renk tablosu. Anlatalım...
Rectifier hususunda yapılacak tercih için yine ilk bölümde bahsettiğimiz Black Box yaklaşımından faydalanılır. Bu seferki amacımız yine ilk bölümden de hatırlayacağınız gibi, bize bela olacak reverse-voltage'ı hesaplayıp ona göre rectifier dizaynı tercih etmek. Buradaki yaklaşımda forward rectification için şu formülden yararlanılır:
V(r) = minimum reverse voltage. Burada dizayn seçimi için gerekli olan minimum reverse voltajı bulmamız gerekir.
Gördüğünüz k katsayısı full-wave rectifier için 1, center-tapped rectifier için ise 2 değerini alır.
Rectification ve Dizaynları
Reverse voltage için dayanıklılık konusunda yapılacak tercihler arasında önemli başka şeyler de var. Geçen bölümden tanıdık gelecek:
Schottky diode'u (ilk bölüme gidip şematik üzerinden nerede olduğuna bakıp görebilirsiniz) ve PN diode'u dediğimiz iki diyot türünün reverse voltage'ı toparlayabilmesl için belirli bir zaman aralığı vardır. Öyle milisaniyelik bir süreç değildir bu, nanosaniyelik bir süreçtir ki reverse voltage belasından bizi hemen kurtarabilsinler. PN diyotlarında ortalama 50 nanosaniye gibi çılgın kısa bir sürede yapılan bu işlem, Schottky diyotlarında 10 nanosaniye gibi akıl almaz kısa bir sürede gerçekleşir.
Bunun sonucunda Schottky diyotları daha tercih edilesi bir konuma gelirler ama iş sadece recover süresinde bitmez. Bu sürelere ek olarak, Schottky diyotları ortalama 40-50V kadar bir reverse voltage'ı kaldırabilir. Bu limitin yetersiz olduğu durumlarda da PN diyotları, recovery time'dan fedakarlık edilerek daha yüksek reverse voltage taşıma kabiliyetine sahip oldukları için Schottky diyotlarının yerine tercih edilirler.
Diğer bir önemli fark ise iletkenlik oranlarıdır. Schottky diyotlarının direnci daha yüksek olduğu için, akım arttıkça voltaj dropları da artar. İsterseniz PN diyotları ile arasındaki farka bir grafik analizi ile bakalım:
Oklar ile dikkat çekmek istediğim eğim konusunu görüyorsunuz. Normalde Schottky (A) diyotlarının voltaj dropları daha düşük olmasına rağmen, artan akım ile beraber PN (B) diyotlarının voltaj düşüşündeki artma hızına yetişebiliyorlar. Peki hangisini hangi durumda kullanmalı? Schottky diyotları daha düşük tepki süresi, daha hızlı açılıp kapanma, daha düşük voltaj drop'u sayesinde genellikle en tercih edilesi diyotlardır ancak maaliyetleri de ona göre yüksektir. PN diyotları ise bu pahalılıktan bizleri kurtaran daha uygun fiyatlı çözümlerdir. Schottky diyotlarında gerçekten maaliyet dışında hiç mi kötü yön yok? Elbette var.
Schottky diyotları, PN diyotlarına göre daha büyüklerdir ve reverse leakage akımları daha fazladır. Bunun sebebi de standart PN diyotlarından farklı yapıda olmalarıdır. Schottky'lerin silikonları, düz PN diyotlarının aksine metal yapıdadırlar. PN diyotları gibi P ve N kutupları yoktur. Kutup mantığı farklıdır. Bu sebepten isterseniz onların farklarına da girelim bir. (İstemeseniz de gireceğim hehe)
Bu gördüğünüz klasik bir PN diyotu. Sağ ve sol kutuptaki elektron ve boşlukları görüyorsunuz. Bu elektronlar difüzyon ve drift akımına maruz kalırlar. Difüzyon, üstte gördüğünüz elektronların (-) ve boşlukların (+) birbirleri ile karıştığı aşamaya denir. Drift ise yüklerin birbirleri ile çarpışması aşamasıdır. İrdeleyecek olursak:
Soldaki Forward kısmında, aradaki perdeyi kaldırdığımızda N tarafındaki elektronlar ve P tarafındaki boşluklar birbirleri ile birleşip karışmaya başlarlar. Bu karışım akımına diffusion current denir. Şimdi sağ tarafa dikkatli bakın. Aklınızda şunu canlandırmanızı istiyorum: P ve N tarafı birbirlerine geçip karışmaya başladıkları ilk an, yani o ilk anı kafanızda slow motion olarak hayal edin. Soldaki elektronlar ve sağdaki boşluklar birbirlerine doğru yavaşça hareket ederlerken, üstte gördüğünüz "depletion region" kısmında yük geçişi meydana geliyor. (Orası henüz oluşmadı sadece görün diye söylüyorum). Yani N tarafında, daha işin en başında boşluklar, P tarafında ise yine en başta elektronlar birikiyor. Bu oluşan alana "depletion region" denir (şimdi oluştu). Bu elektrik alan, elektronların tekrar N tarafına geçmesi ve boşlukların tekrar P tarafına geçmesi için epey bir zorlar. Farkındaysanız bu zorlama çift taraflı gerçekleşir, gerçekleşirken de karşılıklı olarak birbirlerini sıfırlarlar. Yani difüzyon işlemi sıfırlanır. İşte bu tersine gerçekleşen, difüzyon akımını sıfırlayan akıma Drift akımı denir. Bu oluşan "depletion region"'u birnevi bir bariyer gibi düşünebilirsiniz.
Burada daha da iyi anlaşılabilmesi için forward ve reverse biased akıma girip, majority ve minority carrier ve ek olarak sızıntı akım kavramını da açıklamak için charge carrier'ı anlatmak iyi olurdu ama farkındaysanız bu işin bir sonu yok... O yüzden belirli bir yerde limitlememiz lazım ki 200 sayfalık bir yazı olmasın.
Bunları anlatma sebebim ise Schottky diyotlarının bu "depletion region" bariyerinin daha ufak olmasıdır. Depletion region mükemmel çalışan bir bariyer değildir bu arada, unutmayın ki her daim bir sızıntı mutlaka vardır. Bariyer ne kadar geniş ise, elektronların denge noktasından kaçak yapabilme potansiyeli de o kadar azalır. Bu gördüğünüz bariyer birnevi daha az sızıntının oluşmasına yardımcı olur ve Schottky'lerin bu yüzden ters sızıntı akımı daha fazladır. Bu takdir edersiniz ki istenmeyen bir şeydir, zira sızıntı akımın aşırı olduğu durumlarda overall performansta düşüş gözlemlenir. Bu yüzden de bu senaryolarda, düşük leakage current'in istendiği durumlarda klasik PN diyotları kullanılır. (Mesela low-power applications) En yüksek verimlilik için diyot tarafında Schottky diyotları tercih edilir. Özellikle high-power application'larda (güç kaynakları gibi) Schottky diyotları kullanılması elzemdir.
Evet rectifier dizaynındaki diyot tercihlerini burada noktalıyoruz. Bence yeterince anlattık, çalışma mantığını kavradınız gibi. Şimdi de sırada Bridge Rectifier var, zira güç kaynaklarında olmazsa olmazlarımızdandır. Üstte şemasını göstermiştim.
İşaretlediğim kırmızı alandaki dörtlü diyot bridge rectifier. Bu elbette eski dizayn, zira günümüzde diyotlar bu şekilde PCB üzerine ayrı ayrı bağlanmıyor. Onun yerine şu şekilde göreceksiniz:
Be Quiet System Power 10 çöpünün Bridge Rectifier'ı bu. Burada rezil edeyim dedim kendisini... Neyse açıklamaya geçelim:
Arkadaşlar bu gördüğünüz Bridge Rectifier'ın üstteki fotoğraftaki dört tane diyottan bir farkı yok. (En azından benim bildiğim kadarı ile yok, biliyorsanız belirtirseniz sevinirim) Bunun içinde dört tane diyot var, her birisinin görevi de üstteki dörtlünün yaptığı şey ile aynı. Ortadaki iki pin AC girişi, en sağdaki ve soldaki iki pin ise DC çıkışı. Sonrasında bulk kapasitörüne gidip DC output'un yumuşatılıp depolanması şeklinde yolculuğuna devam ediyor. Şimdi aşağıya şemayı da koyacağım. Çünkü bu şemayı direkt güç kaynağının üzerinde göstereceğim size. Şemadaki devre elemanları bakalım PCB üzerinde neredeler?
Şemayı da yanyana koydum kolaylık için, tek tek kıyaslayın bakalım. Xigmatek Fury GD 850'nin iç yapısı bu. Gayet kaliteli bir modeldir. Sağda kapasitörü görüyorsunuz zaten kocaman, bulk. Turuncu olan indüktör, o siyah şeyin içinde kocaman bir coil var. Soldaki yeşil Bridge Rectifier'ın bağlandığı heatsink, soğutulması için. Mor olan da Bridge Rectifier. Yalnız diyotun yerini göremedim. Şunun olma ihtimali?
Bilemedim ben de, bu ise neden sargılı onu da anlamadım. Her şey ne kadar da tam uyumlu değil mi? Böyle şemadaki şeyi gerçekte görünce bir tuhaf hissettiriyor. Gelmişken Bridge Rectifier'ı (2 tane) da göstermiş olayım o da aşağıda yalnız kalmasın. MOV'a birazdan gireceğim kısa şekilde EMI'yi anlatırken. Şimdi bir mola verelim ve en yukardaki primary ve secondary topoloji kısmına bir daha bakalım ki yolculukta nerede olduğumuzu kavrayabilelim, kaybolamayalım.
APFC konusunu zaten anlatmıştım, Synchronous'un da ne olduğundan bahsettik. Bridge Rectifier da bitti. LLC Converter nedir peki? "Double-Tube Forward" topolojisine girmeyeceğim artık, zira amacım detaylı bir şekilde fotoğrafta gördüğünüz topolojiler ile sınırlı kalmak yoksa aşırı aşırı uzayacak. Hadi önce LLC'nin yine aynı PCB üzerindeki yerini görelim:
İşte tam olarak burası, buradan da transformer'a yolculuğuna devam ediyor işte.
L burada indüktörü temsil ediyor. C ise kapasitör. Yani iki tane indüktör, bir tane kapasitör. LLC Resonant Converter'ın amacı veya amaçlarını da şekil üzerinde AC ile bağdaştırarak anlatalım, çünkü doğrudan onunla ilgili.
Arkadaşlar burada gördüğünüz gibi, AC normalde dalgalı bir biçimde harmonik dalgaboyları ile hareket eder ancak bizim için esas frekans, (en yukarıda fundamental yazıyor zaten görüyorsunuz) tek harmoninin olduğu waveform'dur. İçeri girdiği zaman bu şekilde square waveform'a dönüşerek hareket eder. LLC Converter'ın amacı da bu kare şeklindeki dalgaları elimine ederek, tek harmonili normal dalgaboyunu elde etmemizi sağlamaktır. Bunun önemli getirilerinden bir tanesi de verimliliği arttırmasıdır. Çünkü sinus waveform'unda karenin aksine daha az harmoni bulunur ve bu da daha az ısınma ile beraber verimliliğin artması anlamına gelir. Günün sonunda amacımız = verimliliği arttırmak.
Bu arada LLC'nin aynı zamanda EMI filtrelemesi yaptığına dair birkaç makale de görüp göz atmıştım ama detaylı bilgi sahibi olmadığım için o konuya girmeyeceğim artık. LLC'nin temelde olayını anladığımıza göre artık EMI/Transient tarafına geçebiliriz.
EMI / Transient Filtresi
Gürültü, voltaj ve akımın dalga boylarındaki geçişlerde meydana gelir. Yani güç kaynaklarımız bir numaralı EMI üreticileridir. Dalgaboylarındaki değişim sonucu oluşan noise'in filtrelenmesi gerekir. İlk önce şu "noise" kavramından biraz bahsedelim, EMI/Transient filter'ı anlamamıza yardımcı olacak. Totalde iki çeşit "noise" var:
Common noise: Bu ses türünde ölçümde topraklama hesaba katılmaz, zira sesin kaynağı yalnızca yarı-iletkenin kendisidir veya hatlarıdır diyeyim.
Differential noise: Bu noise türünün kaynağı ise topraktır. Gürültü akımları toprak aracılığı ile ulaşır.
Differential'da gördüğünüz üzere de toprağa bağlı, topraktan load'a bir bağlantı var.
Burada da dalgaboylarındaki değişimler sonucu oluşan spektrumu görüyorsunuz. Sağdaki Quasi-Resonant, soldaki ise düz PWM. Soldakinin spektrumunun (100 MHz'den daha fazla) daha geniş olduğunu görebilirsiniz, bu sebepten filtreleme yapmak şart gibi bir şey. Sağdaki için ise 30 MHz'nin altında, bu sebepten gürültü filtrelemesi yapmak çok daha kolay. Bu filtrelemeyi yaparken X ve Y kapasitörü, coil gibi devre elemanlarından faydalanıyoruz.
Peki güç kaynaklarında nedir bu EMI'nın kaynağı? Bu kadar önemli ise noise'in kaynağını da öğrenelim madem. Güç kaynaklarında en büyük noise kaynağı Input tarafıdır. Güç kaynağınızın arkasındaki şalter düğmesi de dahil olmak üzere transformer'ın primary tarafı ve kapasitörlerdir. Sanıyorum bulk kapasitörü olmalı tam emin değilim ondan. Çünkü bulk kapasitörü, PSU için gerekli olan akım dalgaboyunu oluşturan devre elemanı aynı zamanda ve çok büyük. Size acı bir bilgi daha vereyim...
Hani şu güç kaynaklarındaki heatsinkler var ya? Mosfetleri soğutmak için onlara bağlıyoruz falan... İşte o de EMI'yi tetikleyen unsurlardan birisi. Her yerde her daim fırsat maaliyeti...
Daha düşük bir EMI elde etmek için gerekli püf noktaları da derleyelim:
- EMI'yi düşürmek için en önemli kriterlerden bir tanesi de veriyollarıdır. Kalın veriyolları daha düşük indüktans değerine sahip olduğundan, veriyolları ne kadar kalın ise daha az EMI gerçekleşir. Kısa olması da yüksek frekanslarda daha az EMI yaymalarına sebep olur.
- Bu kısalığın sağlanması için de transformer'a giden veriyolları kısaltılmalıdır. Güç kaynağı ve Input tarafının birbirine olabildiğince yakın dizayn edilmesi gerekir ki veriyolları kısalsın.
- EMI filtresi için X ve Y kapasitörleri yüksek frekanslar için en iyi tercihlerdir, zira o alıştığımız aluminium kapasitörlerin yüksek frekanslar ile arası pek iyi değildir. Yukarıda 100 MHz gibi frekanslardan söz ettiğimizi düşündüğümüzde, EMI performansları epey düşük olur. Kapasitörlerin ESR ve ESL değerlerinin düşüklüğü her ne kadar daha düşük ripple değerleri demek olsa da, bu düşüklük aynı zamanda daha yüksek noise anlamına geleceğinden bunun dengelenmesi gerekir. X ve Y kapasitörleri de burada devreye girerler. Her şeyin bir fırsat maaliyetinin olduğunu söylemiştim...
Şimdi de bu noise'i düşürmek için bir EMI/Transient korumasına bir bakalım, kendisi EMI filtrelemesinden sorumlu demiştik:
İndüktör, Film (X) ve seramik (Y) kapasitörler ilk lazım olan şeylerden. Dediğim gibi yüksek frekanslar ile arası epey iyi bunların. 0.005 uF ile 0.1 uF aralığında değerleri vardır. İndüktör ise transient filtrede transient voltajı konusunda işe yararlar, daha düşük transient spike atımını sağlayıp, voltajı atışını zamanla gerçekleştirir. Geçici yanıt süresinin olabildiğince düşürülmesi gerekir anlayacağınız. Bu da tasarladığımız EMI/Transient filtrenin daha uzun ömürlü olmasına yardımcı olur. Filtre için Discharge IC, MOV (Metal Oxide Varistor) gibi devre elemanları da kullanılabilir. Özellikle MOV önemli, zira kendisi yine transient spike'lara karşı koruma sağlayan devre elemanıdır. Örneğin 180V bir input voltajında, MOV kendisini 230V'a kadar çıkartabilir. Bu yükseliş ve alçalışlar zamanla (yıllarla ifade edilebilecek bir sürede) MOV'un deformasyona uğramasına sebep olur.
Bu gördüğünüz kötü bir EMI filtresi örneği. Devre elemanları aşırı eksik, hatta yok gibi bir şey neredeyse. Bu PSU @yweld 'nın, ben de rehber için kullanmak istedim ve sağ olsun izin verdi. Gerçek hayattan da örnek göstermiş olduk. Ne MOV, ne X veya Y kapasitörü... Hiçbirisi görünmüyor. Performans yerlerde. İyi EMI filtresi örneği de yukarıdaki Xigmatek Fury GD 850 zaten.
Neyse dizayn tercihleri konusuna gelelim. Üreticinin göz önünde bulundurması gereken çok ama çok önemli bir şey var. Hatta belki de en önemlisi bana göre. EMI ve Ripple dengelemesi yapabilmek. Ripple değerlerini düşürmek için daha büyük kapasitörler tercih edilmeli haliyle. Bulk kapasitörlerine bakıyoruz burada artık. Bilgisayarınızı açtınız, ilk akım gelirken daha düşük ripple görürüz ancak kapasitörler büyüdükçe, transient akım da maalesef büyür. Bu dizaynın nasıl yapıldığına bakalım şimdi:
İlk olarak "Ripple nedir?" sorusuna cevap arıyorsanız tertemiz bir rehbere yönlendireyim sizi:
Rehber: Güç kaynaklarının ripple/dalgalanma değerleri
Ripple/dalgalanma (Bu kısımdan sonra konu içinde sadece dalgalanma olarak ifade edilecektir); güç kaynağı içerisinde bulunan AC taraftaki (Giriş kısmı/1. taraf, pek çok şekilde ifade edilebilir) gerilimin, DC çıkış kanallarında oluşturduğu dalgalanma ya da gürültüyü ifade eder. Bunu engellemek...
Şimdi ripple değerleri hususunda hedeflenen bazı değerler vardır. Üretici, gelen peak AC voltajının %5-%8'i miktarda ripple değeri hedefler. Bunun için kullanılacak bulk kapasitörünün değerinin hesaplanması için kullanılan bir formül var, beyin yakıcı:
f(in): minimum AC frekansı.
V(in): düzenlenen minimum AC peak voltajı.
Vripple(p-p): bulk kapasitöründe hedeflenen peak to peak voltajı.
Bu formül üreticinin en ideal EMI/Transient & ripple dengelemesi yapmasını sağlar. Şimdi buradan bulk kapasitör için gerekli değeri bulduk ama sorun şu ki, bir tane ile mi sınırlı kalacak? Koskoca PCB'de ripple voltajı ile mücadele edecek bir tane kapasitör olması kabus gibi olurdu. O yüzden ekstra kapasitör eklemeleri de yapmamız gerekiyor. Kapasitörleri paralel olarak bağlamak, ripple değerlerini 1/ö şeklinde paylaştıracağından, ö yerine kaç tane kapasitör koyarsak ripple değerleri o kadar paylaşılacak ve kapasitör başına girilen stres azalacak. Yalnız kapasitörleri kafamıza göre paralel bağlayamayız, sağlıklı bir düşüş elde etmek için veriyolu üzerinde simetrik olarak bağlamamız gerekir.
Bunlara ek olarak kullandığımız elektrolikit kapasitörler, yüksek frekanslarda çuvalladıkları için bunlara destek olmak amacı ile yüksek frekanslı devre elemanlarının ripple değerlerini iyileştirmek amacıyla X ve Y kapasitörleri kullanmak da önemlidir.
Brownout Condition
Gelin Brownout'a bir göz atalım. Brownout, çalışmayı sürdürmek için gerekli minimum voltajın altına düşüldüğünde verilen isimdir ve mantıken güç kaynaklarının da Brownout periyodunda kapanmalarını isteriz. Ancak bu periyot esnasında güç kaynağı nedenini bilmediğim bir şekilde sapıtarak, bir anda verebileceği maksimum gücü vermeye başlayarak kapanır ve DC output'undaki kontrolünü büyük ölçüde kaybeder. Bu durum hem güç kaynağı, hem de bilgisayarımız için hayat karartıcı olabilir. İşte PSU'ların bozulmasına sebep verebilecek ve bileşenlerinize de zarar gelme ihtimalini arttırıcı bir durum bu. O durumlardan yalnızca bir tanesi. Yani bir gün durduk yere güç kaynağınız bozulursa, belki de sebebi Brownout condition'a girdiğinde, güç kaynağınızın bu durumu engellemek amacı ile tasarlanan mekanizmanın düzgün çalışmamasındandır.
Bunu engellemek için tasarlanan mekanizmaya "Undervoltage Shutdown Circuit" adı verilir ve tam yukarıdaki Brownout sürecindeki sorunu engellemek için dizayn edilirler. Dizaynı da kabaca şu şekildedir, farklı varyasyonları da var elbette. Formülleri vesaire var ama hiç girmiyorum oralara artık.
İşte bu kadar. DC-DC kartları hariç hepsini bitirmiş olduk bu şekilde. Yalnız ben de bittim, rehber de bitsin artık...
Her zaman dediğim gibi hatalı gördüğünüz yerler olursa lütfen belirtin. Düzeltelim ve rehberi beraber daha da doğruya taşıyalım. Okuduğunuz için teşekkür ederim.
Kaynaklar hususunda daha da ileri okuma yapmak isterseniz diye faydalı bağlantılar bırakıyorum:
Schottky vs Standard Diode
Diodes come in several different shapes and flavors, from tiny glass encapsulated Zener diodes to incredibly large rectifier diode PUK modules. Schottky diodes fall into this spectrum somewhere in the middle of things. What makes a Schottky special? In general, diodes can carry many common...
forum.digikey.com
An Adaptive Synchronous Rectification Driving Strategy for Bidirectional Full-Bridge LLC Resonant Converter
In this study, an adaptive driving method for synchronous rectification in bidirectional full-bridge LLC resonant converters used in railway applications is proposed. The drain to source voltage of the synchronous rectifier is utilized to detect the conduction of the body diode, and a suitable...
www.mdpi.com
EMI filtresinde LLC Resonant Converter'ın rolü ile alakalı bulduğum makale, göz atmıştım ama detaylı girmedim dediğim gibi:
Study on LLC Resonant Converter for EMI Reduction
Dosya Ekleri
Son düzenleme:
