Evet geldik topoloji serimizin final bölümüne. Öncelikle buraya kadar üşenmeyip, konulara ilgi gösterip okuyan herkese teşekkür ediyorum. Finali de yine korkunç detaylı, uzun ve elimden geldiğince okuması keyifli hale getirmeye çalışacağım. 3. Bölüm ile topoloji serisini ilk defa okuyacak arkadaşlarımız için bir önceki bölümde yaptığım hatırlatmayı yine yapayım: Önceki bölümleri okumanızı şiddetle tavsiye ediyorum. Çünkü hepsi birbiri ile bağlantılı, direkt bunu okumaya başlarsanız pek bir şey anlamayacaksınız. Girişi bu sefer fazla uzun tutmadan konuya girelim, kemerleri bağlıyoruz.
Aslında topoloji kavramına Primary ve Secondary side kavramı ile giriş yapmak yerine o ikiliyi son bölüme saklamıştım. Sebebini de önceden açıklamıştım zaten. İlk bölümden direkt bununla giriş yapsaydım sizin için hiçbir anlam ifade etmeyecekti. Çünkü topoloji kavramı ile yeni tanışıyorsanız, primary ve secondary üzerindeki devre elemanları hakkında hiçbir fikriniz olmayacağı için taraflar da hiçbir anlam ifade etmeyecekti. Üstelik primary ve secondary side kavramları aslında epey basit. Yani anlatması kısa sürecek.
Primary ve Secondary Side dediğimiz kavram, güç kaynaklarının iç yapısını incelemede kullanılan terimlerden bir tanesidir. Primary side için AC, Secondary side için DC tarafı da denilebilir. AC tarafındaki temel olay, gelen 230V AC'yi DC'ye dönüştürerek main transformer aracılığı ile bilgisayarımızın ihtiyacı olan 12V, 5V, 3.3V'a düşürmektir. DC tarafında da zaten bilgisayarımıza iletilmeye hazır hale getiriliyor. En temel mantık bu. Şekil üzerinde görelim.
Yine NZXT C650 Bronze'un içi. Kırmızı ile içine aldığım alan Primary Side, mor ile içine aldığım alan Secondary Side ve sarı ile içine aldığım yer ise DC-DC kartı. Tam olarak bu kadar. Geçen incelemede devre elemanlarını ele aldığımızda, Primary Side'ın neden bu alanın adı olduğunu anlayabildiniz mi? Mor ile kırmızının aynı anda kestiği main transformer'ın neden kırmızı ve moru kestiğini de anlayabiliyor olmanız lazım. Çünkü çift taraflı ve izolator görevi görüyor. Fotoğrafın hemen üstünde de tanımı yazdım bakın. Şimdi yalnız bununla iş bitmiyor çünkü her güç kaynağında bu şekilde ahenk içinde bir şekilde gösterilemiyor bu taraf konusu.
Eww... Aşağı yukarı böyle bir çizim yapabildim. Farkındaysanız üstteki ile bir alakası yok. Çok daha kompleks bir yapı söz konusu. PSU'nun kalitesi arttıkça yapı daha da karmaşıklaşır. Kırmızı olan Primary, sarı olan Secondary side. MSI MAG A850G olur kendileri.
Gördüğünüz gibi karışık değil. Temelinde ilk tanımda belirttiğim şey geçerli. Bu kadar kısa sürmesi de iyi, zira şimdi DC-DC kartına geçince kafayı sıyıracaksınız.
DC-DC kartları bu şekilde 5V ve 3.3V kanalının tek bir PCB üzerinde düzenlenmesi şeklinde veya:
5V ve 3.3V kanalının iki ayrı PCB'de düzenlenmesi şeklinde karşınıza çıkabilir. Kendilerine "Buck Regulator" de denir. Daha önceki bölümleri okuyan arkadaşlarımız için "Buck" kelimesi yabancı gelmeyecektir. İlk bölümde DC-DC kartına ufaktan bir göz kırpmış, onların da kendilerine ait bir topolojisinin olduğundan bahsetmiştim. "Buck" bunlardan sadece bir tanesi ve bizim değineceğimiz DC-DC kartları da Buck topolojisine aitler. Peki:
DC-DC kartları, Secondary Side üzerinde bulunan yani AC'den DC'ye dönüşümü tamamlanan ve indirgenen 12V'ı alıp 5V ve 3.3V'a regüle eden kartlardır. DC-DC kartı denmesinin sebebi de budur. 5V ve 3.3V elde etmek için AC'yi dönüştürmez. AC'den DC'ye dönüştürülüp 12V'a indirgenmiş voltajı alıp 5V ve 3.3V olarak düzenler çünkü bilgisayar bileşenlerimizden bazıları 5V ve 3.3V ile çalışırlar. Yine DC'den DC'ye bir dönüşüm söz konusu anlayacağınız üzere. Temel mantığı oldukça basit.
Bu A550BN'nin DC-DC kartı. Önü ve arkası bu şekilde. Ön tarafında iki adet indüktör, iki tane polymer kapasitör ve 4 tane de mosfet mevcut. Arka tarafı ile ön tarafı bağlayarak anlatacağım.
Bu gördüğünüz ufaklık DC-DC kartının kalbi aslında. Daha doğrusu beyni ve kalbi diyelim. Kendisi "Synchronous-Rectified Buck Controller" olarak geçer. "Synchronous Rectification" kavramını geçen bölümün başında anlatmıştım. Passive ve Synchronous'un en temel farkı diyot ve mosfet ayrımlarıydı. Yani diyotların aksine artık mosfetlere de geçiş yapmış bulunuyoruz ve DC-DC kartının üzerinde de farklı farklı mosfetler mevcut. Resim şimdi canlanmıştır diye düşünüyorum.
Şimdi Passive ve Synchronous'un avantaj ve dezavantajlarına geçen bölüm dolaylı olarak girmiştim diyotları anlatarak. Schottky ve standart PN diyotlarının her birisinin bize getirdiği dezavantajlar vardı hatırlarsanız. İşte o taslak bilgiyi şu an geliştirerek daha anlaşılır bir hale gelmesini sağlayacağım.
İkinci bölümde özellikle Schottky'lerin voltaj droplarının epey yüksek olmalarından bahsetmiştim ve bunun sebepleri de genel olarak fiziksel limitasyonlara bağlıydı. Mosfetler ise tam tersine, voltaj droplarını die'larının boyutlarını arttırarak diyotlardan çok daha düşük hale getirmek mümkün. Peki bu bize ne sağlar? İlk bölümde her şeyin eninde sonunda bağlandığı yerin verimlilik olduğunu söylemiştim. Tam olarak bu. Bunlara ek olarak daha düşük power loss, daha başarılı sıcaklık değerleri gibi etkenler de mevcut. Şimdi geçelim çipimize.
Çipin üzerinde farklı farklı bacaklar var ve hepsini anlatmak yerine en ilgi çekici olduklarını düşündüğümü anlatayım.
UG1, PH1 ve LG1 bacakları, DC-DC kartının önünde gördüğünüz iki tane 5V için kullanılan mosfete bağlı. Temel işlevleri de mosfetlerin açılıp kapandığı zamanları tespit etmek.
UG2, PH2 ve LG2 de aynı şekilde ama tek farkı 5V değil, 3.3V mosfetleri için bağlı olmaları.
PH1 ve PH2 bacakları, iki mosfet arasındaki anahtarlama işlevini gören bacak. Birisinin drain, diğerinin de source bacağına bağlanır.
VCC bacağı, çipin içerisinde bulunan regülatör için gerekli olan voltajı sağlamakla görevli olan bacaktır. Birnevi kontrol çipi diyebiliriz aslında:
OVP ve UVP yazıları da dikkatinizi çekmeli. Evet PSU korumalarında gördüğünüz OTP, OVP, UVP, OCP gibi korumalar bu IC'nin içinde de mevcut. Amacı da yukarıda gösterdiğim mosfetleri korumak. Birazdan geleceğim.
Neyse, VCC bacağının gücü çipe iletebilmesi için kendisine gücü sağlamak amacı ile hemen yanına bir kapasitör koyulması şart. O da şurada oluyor:
Bu gördüğünüz seramik kapasitör yaklaşık 1uF kapasitede. Zaten VCC bacağı için aşağı yukarı bu değer yeterli.
BOOT1 ve BOOT2 bacakları, mosfetlerin açılması için gerekli olan gücü sağlayan kapasitörleri bağlayan bacaklardır.
OCSET1 ve OCSET2 bacakları ise PCB'nin arkasında gördüğünüz birer tane resistörü, input'a bağlayarak mosfetler için OCP (Aşırı Akım Koruması) korumasını sağlayan bacaklardır. IC kendi sırtını kendi kaşıyabilse bile, mosfetler kendi sırtlarını kendileri kaşıyamayacaklarına göre OCP, OTP, UVP ve OVP gibi korumalarını da sağlamamız gerekir. Korumalara girersek:
OTP koruması, kontrol çipinin silikon sıcaklığı 150 dereceyi aştığı an triggerlanarak kontrolcüyü kapatır. Kontrolcünün kapanması demek, mosfetlerin de kapanması, yani DC-DC kartının kapanması, yani PSU'nun kapanması demektir. Bu korumalar sadece PSU'yu genel olarak korumak için değil, aynı zamanda DC-DC kartının başına bir şey gelmesin diye DC-DC kontrolcü çipinin içine de yerleştirilirler. PC'nizin bir anda kapanmasının sebebi belki de budur kim bilir? Hiç aklınıza bile gelmezdi değil mi?
OCP koruması, yani aşırı akım koruması. Kontrolcü çip, mosfetlerdeki voltage drop oranlarını sürekli izler. Yukarıda bahsettiğimiz OCSET bacaklarına bağlı resistör ve mosfetlerin drain bacakları OCP korumasının seviyesini ayarlar ve korumayı belirli bir mikroamperi aştıktan sonra devreye kendisini kapatır. Şekil üzerinde:
Ek bilgilendirme olarak, işaretlediğim ikili Enhancement mosfetleridir. Enhancement olduğunu da çizilen şekildeki yuvarlağın sol tarafındaki ters L olarak gördüğünüz "Gate" çiziminin hemen sağındaki üç tane üst üste çizilen çizgilerdir. Tek bir çizgi olsaydı Depletion mosfet diyecektik. En bariz farkı, Gate üzerindeki akım 0 bile olsa, Drain ve Source bacakları arasında bir akım olamayışıdır. Depletion mosfetlerinde, Gate üzerindeki akım 0V bile olsa arada ufak bir miktar akım geçişi olur. Bu şekilde gördüğünüz gibi OCSET başına 2 mosfet mevcut. IC kendini kapattığında, otomatik olarak mosfetleri de kapatarak onları korumuş oluyor zaten.
UVP koruması, voltaj belirli bir miktarın altına düştüğü zaman IC kendini kapatır. 0.5V'ın altına düşüldüğünü algıladığı andan itibaren, 3 mikrosaniye içinde kapatma işlemini gerçekleştirir. Yani saniyeye çevirecek olursak 0.000003 saniye. 1 mikrosaniye = 1 saniyenin milyonda biri. Korkunç hızlı.
OVP koruması, bu da tam tersi, voltaj belirli bir miktarın üzerine çıktığı zaman koruma amaçlı olarak IC kendini kapatır. Bu bir tık daha uzun, yaklaşık 0.00001 saniye. Yani 10 mikrosaniye.
Evet, aşağı yukarı çipin işlevlerini anlamışsınızdır. Mosfetleri kontrol et ve başlarına bir şey gelmesine izin verme. Çünkü başlarına bir şey gelirse PSU servise gider... Özet bu.
Şimdi çip ile işimiz henüz bitmedi ama ön tarafa da biraz uğramak lazım. Bakalım neler oluyor?
Hatırlarsanız, size ilk bölümde DC-DC kartlarında oldukça yüksek ripple görüldüğünden ve bunun filtrelenmesinin hayati olduğundan bahsetmiştim. Bu filtreleme için en uygun adaylarımız polymer kapasitörler. Üstelik Elite seçerek kalitesinden pek de kısma yapmamışlar. A550BN'nin ripple değerlerinin neden bu kadar başarılı olduğunu aşağı yukarı açıklıyor bu. Elbette tek amaç ripple filtrelemesi yapmak değil, mosfetlerin kapanıp açılması esnasında gerekli olan enerjiyi de depolayıp açılmaları için onlara iletmek.
Gördüğünüz iki kapasitörün altında yazan "16", voltaj değeridir ve sağlıklı olması için kapasitörün voltaj değeri, DC-DC kartına giren voltaj miktarının yaklaşık 1.25 katı olmalıdır. Eh DC-DC kartına giren voltaj 12V değil mi? Malum 12V'ı alıp 5V ve 3.3V'a düşürüp regüle ederek sistemimize iletiyoruz. O halde:
12V x 1.25 = 15V, seçilmesi gereken minimum voltaj miktarı. Bizim modellerimiz ise 16V. Özenle seçilmiş kısacası.
Seçilmesi gereken kapasitörlerin düşük ESR değerli olması, ripple filtrelemesi için çok önemlidir. Bu konuda da elektrolikitlere değil, polymer kapasitörlere başvururuz. Üstelik daha ufaklar ve PCB üzerinde alan tasarrufu da sağlıyorlar ancak bir tane değil, iki tane tercih etmek çok önemli. Zira ripple değerlerini yarı yarıya bile paylaşmaları her birinin üzerindeki stresi epey azaltacaktır.
Ripple değerinin hesaplanması için yardımcı olacak formül bu. ∆IL olarak gördüğünüz şey, indüktörün ripple değeri. COUT kapasitörün değeri. ESR zaten ESR. Parantez içindeki değerleri topladıktan sonra ∆IL ile çarpıyoruz ve çıkan değerin output voltage'dan büyük veya eşit olması gerekiyor. fOSC, DC-DC kartının total frekans değeri. fOSC'nin büyük olması, yani yüksek frekanslara çıkılması daha düşük Ripple değerleri demek. Çünkü ∆IL hesaplanması için kullanılan bir formül de var:
Buradaki formülde fOSC ne kadar büyük olursa, matematiksel olarak ∆IL de daha küçülmüş oluyor. ∆IL, yani indüktörün ripple değerini düşürmek de üstteki formüle ∆IL değerini koyduğumuzda total ripple değerini düşüreceği için amacımız yüksek frekanslara çıkmak. fOSC değerini olabildiğince arttırmamız elzem.
Yalnız burada bir problem var. Polymer kapasitörlerin dezavantajı da düşük ESR değerlerinden ötürü, noise filtering konusunda kötü olmalarıdır. Orada da imdatlarına seramik kapasitörler yetişir, üstte göstermiştim aslında.
PCB'nin arka tarafı resistörlerden, seramik kapasitörlerden ve iki tane diyottan oluşuyor görüldüğü üzere.
Gördüğünüz iki tane indüktörün birisi 5V, diğeri ise 3.3V voltajı depolayıp iletmekle görevlidir. Aralarına da coil whine'ı engellemek amacı ile beyaz glue dökülmüş.
Şimdi çipimize geri dönelim ve performansını maksimize etmek için yapılması gerekenlere bakalım:
İndüktörler gerçekten de şımarık bir çocuk gibiler. Yani başımızı ağrıtmaları falan asi karakterlerinde yatıyor, çok inatçılar. Bu inatçılık neden oluyor onu anlatarak başlayalım:
Arkadaşlar bir indüktöre gidip bağırırsanız o da size aynı şekilde bağırır, laf söylerseniz tam olarak aynı lafı size söyler. Çünkü karakteri böyledir, bundan hoşlanır. Aynı şekilde indüktör her zaman kendisine gelen akımı sabit tutmaya çalışır. Bunu da tersine elektromanyetik bir alan yaratarak yapar. DC-DC kartından örnek verecek olursak: 5V gelirse gelen 5V'a karşı çıkmaya çalışır, 3.3V gelirse yine aynı şekilde. Değişim olduğu an, diyelim 1V bir değişim başladığında hemen tersine 1V bir EMF yaratarak bu değişimin önüne geçmek ister. Şunu hayal edin:
Diyelim bir sabah arabanıza bindiniz ve ışıkları açık unuttuğunuz için akünün bittiğini fark ettiniz. Arabayı vurdurmaya başladınız, ilk başta vurduramadınız çünkü araba çok ağır olduğu için bunu engelledi. Sonrasında vurdurmaya başlayıp hareket ettirdiğinizde ise arabayı artık durdurmak istediniz ama kendinize ne kadar çekerseniz çekin durduramadınız. Eninde sonunda durdu elbette. İndüktörün akım ile arasındaki ilişki tam olarak bu şekilde. Bu örnekte akım siz, indüktör ise araba oluyor. Çocuk gibi yani inatçı.
Şimdi gelin şöyle basit bir grafik üzerinde anlatmaya çalışayım:
Üstteki çizdiğim grafikte gördüğünüz yeşil çizgi, indüktörün üzerindeki akımın artış oranı. Ancak gerçek dünyada, güç kaynaklarında yeşil çizgideki gibi bir akım artışı söz konusu değil. Çünkü sürekli mosfetleri kapatıp açıyoruz kapatıp açıyoruz ve akım alçalıp yükseliyor alçalıp yükseliyor. Grafikte de gördüğünüz gibi direnç olan ve olmayan durum için senaryolar farklı. Direnç varken mosfet kapandığında, akım bir eğri şeklinde düşer. Direnç yokken mosfeti kapatırsanız düz bir doğru şeklinde düşer. Diyelim t zamanında indüktörden geçen akımı bulmak istiyoruz. Direncin olmadığı bir senaryoda işimiz kolay. Doğrusal fonksiyon formülü y = ax+c. İşin içinde direnç varsa peki bu durumda ne yapıyoruz? Sınava hazırlanan arkadaşlarımızın çok sevdiği bir konu olan türevden yararlanıyoruz elbette. Çünkü bir eğri üzerindeki noktanın değerini bulmamızı sağlayan şey türev, o eğrinin altındaki alanı bulmamızı sağlayan şey ise integral. İyice matematiğe evriliyor konu... Normal, bilimin dili çünkü. PSU da bir istisna değil. O halde formüle bir göz atalım madem işin içinde türev var:
Faraday'in üstte anlattığım tersine EMF için formülü bu. Başındaki eksi işareti de Lenz'in kuralı. Yani diyorlar ki: indüktör, gelen akımda ortaya çıkan bir değişime karşı çıkmak için tersine bir EMF üretir. Yalnız birisinde d yerine ∆ var. İkisi arasındaki fark ne? Yine sınava hazırlanan arkadaşlarımız ne olduğunu biliyor... d türev, ∆ ise doğrusal değişim.
İndüktörlerin temeldeki rolü bahsettiğim gibi elektromanyetik bir alanda depolamak ve iletmek. Daha önceki bölümlerde size indüktörün sarılması için ne kadar tel gerektiğine dair bir şey söylemiştim. Onun bir formülü falan da vardı hatta. Peki fazla veya az tel sarılırsa ne olur? Mesela DC-DC kartının üzerindeki indüktörde epey az tel sarılıydı. Daha fazla tel sarılması demek, daha fazla inductance anlamına gelir. Yani indüktörün yarattığı manyetik alan çok daha güçlü olur. DC-DC kartının üzerindeki indüktörlere tekrar bakalım:
DC-DC kartındakiler zaten 5V ve 3.3V için. Yalnız sağdaki büyük olan ise 12V için. Çok daha geniş bir indüktöre, çok daha fazla sayıda sarıma ve sarımın genişliğine sahip. Bunların tamamı daha fazla indüktans ile beraber daha güçlü bir elektromanyetik alan anlamına geliyor dediğim gibi. 12V olduğu için daha büyük bir indüktör kullanılması ve sarım sayısının arttırılması gerekiyor burada olduğu gibi. Bu görüntüden A550BN'nin independently regulated (bağımsız düzenleme) olduğunu da görebiliyoruz. 5V, 3.3V ve 12V kanalı için ayrı ayrı 3 tane indüktör mevcut. Eğer görüntü şu olsaydı:
Group regulated (grup düzenleme) olacaktı. Büyük indüktör 12V ve 5V kanalı için, yanındaki daha küçük indüktör ise 3.3V kanalı için. Bunun sıkıntısı da, 12V kanalındaki yük arttığı zaman 12V kanalındaki voltajı arttırdığında, mecbur olarak 5V kanalını da arttırmış olacak. Yani 5V kanalında yük olmasa bile voltajı o kanal için boş yere artmış olacaktı. Bu sebepten bağımsız düzenlemeli güç kaynaklarını grup düzenlemeli güç kaynaklarına tercih ediyoruz. Bu CV550'nin içi bu arada.
Evet indüktörleri de burada noktalayalım. 2. bölümde yine biraz değindiğimi hatırlıyorum. Şimdi son ve anlatacağım en karışık konuya gelip dağılıyoruz artık. Hazırlanın, çok ciddiyim.
Güç Kaynaklarındaki Kayıplar
Buradaki kayıptan kastım elbette ki enerji. Daha rahat anlaşılabilmesi için genellikle; switching, conduction, quiescent ve resistive kayıplar olarak dörde ayrılır. Ben sadece en sık karşılaştığımız ilk ikisine değineceğim.
Mosfetler ile alakalı olarak sürekli açılıp kapandıklarını söylüyoruz. Üstte bahsettiğimiz şekilde bu mosfetler açılıp kapandıkları zaman kayıplar gerçekleşir ve iki tür olan switching ve conduction kayıplarına sahiptir. Conduction loss, mosfet açıldığı durumda başlar. Açıldıktan sonra enerji mosfetin üzerinden geçerken dalgaboylarındaki değişimler stabilize olduktan sonra oluşan kayıp Conduction loss olarak adlandırılır. Switching loss ise mosfet her açılıp kapandığında yani switchlediğimiz durumda oluşan kayıp ve aklınızda tutması bu şekilde basit olur. Kayıplar aslında voltaj dropları şeklinde gerçekleşirler. Önceki bölümde diyotlardan bahsederken anlatmıştım. Mosfetlerin voltaj dropları, diyotlarınkine nazaran daha düşüktür.
Kayıbın hesaplanması için Voltaj ve Akım'ın saturated formları çarpılır. Bir mosfetin saturated forma geçmesi demek, mosfete uygulanabilecek maksimum voltajdaki (VDS) değişimin, mosfetin üzerinden geçecek akım (Id) üzerinde büyük bir etki yaratmadığı, aksine ufak etki yarattığı anlamına gelir. Tanımdaki mantığa göre saturated formdaki bir mosfetin voltaj dropları da az olacağı için kayıplar da daha az olacak.
Şimdi buradaki asıl problem, görüntüleme için stabil bir dalgaformu elde etmek. PSU için kayıbı gösteren dalgaboylarını görüntüleyebilmek için de osiloskop kullanmamız şart. Bu dalgaboylarını gösterirken, osiloskopa bağlayacağımız kablonun boyutunun da kısa ve üzerinde koruması olan bir kablo olması gerekir. Çünkü kablo ne kadar uzarsa, PSU'daki diğer devre elemanlarının noise'lerinden nasibini alma eğilimi de o kadar artar. Stabil bir dalgaformu elde ettikten sonra, görüntüleme yaparken mosfetlerin açılırken yaşattığı kaybı hesaplamak için tuhaf bir formülümüz mevcut:
Mosfetin açılırken yaşadığı kaybı da şu şekilde bir grafikte görebiliriz. Mosfet tam açıldığı esnada loss peak yapmış ve kapanana kadar da conduction loss'un artışı devam etmiş.
Osiloskop üzerinde mosfetlerin kaybını gösteren dalgaformu:
Output Rectifier ile alakalı kayıplarda, hani şu bildiğimiz Passive ve Synchronous Rectification olan, Passive rectification için diyotlardaki kayıp önem arz eder çünkü tüm işimiz onlarla. Burada gerçekleşen kayıp, PSU da gerçekleşen total kayıbın yaklaşık %50'sini oluşturur. Kısacası burası çokomelli. Kayıpları yine açılıp kapanırken oluşan ve conduction kaybı olarak üçe ayırabiliriz.
"Forward Recovery Time" aslında "Reverse Recovery Time"'ın tersi ama ben önceki bölümlerde bu kavramı biraz anlatmıştım. Reverse Voltage belası demiştim hatta. Forward Recovery Time, diyota uygulanan voltaj ile akıma başladığı an arasındaki toparlama süresine verilen isimdir. PN diyotlarında bu süre 10 nanosaniye gibi ruh hastalığı kıvamında kısa bir sürede gerçekleşir. Schottky'ler için durum biraz kötü, çünkü önceden anlattığım gibi kapasitansları yüksek ve bu durum, forward recovery time'ında uzamalara sebebiyet verebiliyor. Aradaki fark çok değil ama fark yine de farktır. Şöyle bir grafikte gözlemleyebilirsiniz:
Sağda reverse recovery time konusunu önceki bölümlerde işlemiştim, orayı pas geçiyorum o yüzden. Şimdi şu kapasitörlerdeki kayıplara bakalım, daha önce hiç girmediğimiz bir konu.
Kapasitörler bu konuda sicili en temiz devre elemanı diyebilirim sanırım. Ona rağmen yanlış kapasitör tercihleri, yoğun kayıplara sebebiyet vereceği için kapasitör tercihleri yaparken Allah ne verdiyse mantığı ile seçim yapmıyoruz. ESR (Equivalent Series Resistance) ve ESL (Equivalent Series Inductance) değerleri çok önemli. Bu iki değerin kapasitörlerin kapasitelerini izole edici özelliği sayesinde, bir kapasitör kendini en verimli olarak DC tarafında gösterir.
Kapasitörler aslında output rectifier ile mosfetlerin switchlerinin açılıp kapanmaları ile oluşan yüksek frekanslı akımın esas kaynağıdır. Yani yine dalgaboyu görüntülemesi yaparak kayıbı bulmak için ESR değerini tespit etmek mümkün. İlk cümlede bahsettiğim işlem takdir edeceğiniz gibi kapasitörün ısınmasıyla sonuçlanır ve yıl bazlı olarak ömürlerini ve performanslarını düşürür. Bu da kayıpların artacağı anlamına gelir.
ESR değerinin kapasitörde yaşattığı kaybı bulmak için yine bir formülden yararlanıyoruz:
İşte bu kayıpların hesaplanması ve engellenmesi, güç kaynaklarında verimliliği arttırmamızı sağlar.
Nasıl? Beğendiniz mi? PSU'yu öyle takıp sistemi açıyoruz falan ama arkada kocaman bir devran dönüyor ki bu anlattıklarım daha hiçbir şey. 20-30 bölüm bile anlatmaya yetmez çok ciddiyim. Neyse, topoloji serisinin finaline yakışır bir şekilde bir önceki bölümlere göre daha da fazla beyin yaktık. Benim aklıma gelenler şimdilik bu kadar. Bu yolculukta okuyup anlamaya çalışan herkese teşekkürler. Sırada ne var hiç bilmiyorum. Aklımda birkaç fikir var ama okuma yapmasıydı, kaynak toplamasıydı, yazmasıydı, kaynakların doğrulanmasıydı falan derken oh... Daha güzelce bir süre bir şeyler yazmam herhalde. Kaynaklar konusunda faydalı bağlantılar bırakayım:
www.easybom.com
Bu arada Feedback Compensation ve onunla doğrudan bağlantılı The Bode Plot kavramına girmek de istiyordum ama konu o kadar karışık ki, gerçekten kafayı sıyıracaktım ben bile anlayamıyorum. Bari bırakayım siz anlamaya çalışın:
eng.libretexts.org
Yok aman, kusacağım bu ne? Kapatın gidiyoruz. Hadi iyi sabahlar...
Aslında topoloji kavramına Primary ve Secondary side kavramı ile giriş yapmak yerine o ikiliyi son bölüme saklamıştım. Sebebini de önceden açıklamıştım zaten. İlk bölümden direkt bununla giriş yapsaydım sizin için hiçbir anlam ifade etmeyecekti. Çünkü topoloji kavramı ile yeni tanışıyorsanız, primary ve secondary üzerindeki devre elemanları hakkında hiçbir fikriniz olmayacağı için taraflar da hiçbir anlam ifade etmeyecekti. Üstelik primary ve secondary side kavramları aslında epey basit. Yani anlatması kısa sürecek.
Primary ve Secondary Side dediğimiz kavram, güç kaynaklarının iç yapısını incelemede kullanılan terimlerden bir tanesidir. Primary side için AC, Secondary side için DC tarafı da denilebilir. AC tarafındaki temel olay, gelen 230V AC'yi DC'ye dönüştürerek main transformer aracılığı ile bilgisayarımızın ihtiyacı olan 12V, 5V, 3.3V'a düşürmektir. DC tarafında da zaten bilgisayarımıza iletilmeye hazır hale getiriliyor. En temel mantık bu. Şekil üzerinde görelim.
Yine NZXT C650 Bronze'un içi. Kırmızı ile içine aldığım alan Primary Side, mor ile içine aldığım alan Secondary Side ve sarı ile içine aldığım yer ise DC-DC kartı. Tam olarak bu kadar. Geçen incelemede devre elemanlarını ele aldığımızda, Primary Side'ın neden bu alanın adı olduğunu anlayabildiniz mi? Mor ile kırmızının aynı anda kestiği main transformer'ın neden kırmızı ve moru kestiğini de anlayabiliyor olmanız lazım. Çünkü çift taraflı ve izolator görevi görüyor. Fotoğrafın hemen üstünde de tanımı yazdım bakın. Şimdi yalnız bununla iş bitmiyor çünkü her güç kaynağında bu şekilde ahenk içinde bir şekilde gösterilemiyor bu taraf konusu.
Eww... Aşağı yukarı böyle bir çizim yapabildim. Farkındaysanız üstteki ile bir alakası yok. Çok daha kompleks bir yapı söz konusu. PSU'nun kalitesi arttıkça yapı daha da karmaşıklaşır. Kırmızı olan Primary, sarı olan Secondary side. MSI MAG A850G olur kendileri.
Gördüğünüz gibi karışık değil. Temelinde ilk tanımda belirttiğim şey geçerli. Bu kadar kısa sürmesi de iyi, zira şimdi DC-DC kartına geçince kafayı sıyıracaksınız.
DC-DC Kartları
DC-DC kartları bu şekilde 5V ve 3.3V kanalının tek bir PCB üzerinde düzenlenmesi şeklinde veya:
5V ve 3.3V kanalının iki ayrı PCB'de düzenlenmesi şeklinde karşınıza çıkabilir. Kendilerine "Buck Regulator" de denir. Daha önceki bölümleri okuyan arkadaşlarımız için "Buck" kelimesi yabancı gelmeyecektir. İlk bölümde DC-DC kartına ufaktan bir göz kırpmış, onların da kendilerine ait bir topolojisinin olduğundan bahsetmiştim. "Buck" bunlardan sadece bir tanesi ve bizim değineceğimiz DC-DC kartları da Buck topolojisine aitler. Peki:
DC-DC Kartı Nedir?
DC-DC kartları, Secondary Side üzerinde bulunan yani AC'den DC'ye dönüşümü tamamlanan ve indirgenen 12V'ı alıp 5V ve 3.3V'a regüle eden kartlardır. DC-DC kartı denmesinin sebebi de budur. 5V ve 3.3V elde etmek için AC'yi dönüştürmez. AC'den DC'ye dönüştürülüp 12V'a indirgenmiş voltajı alıp 5V ve 3.3V olarak düzenler çünkü bilgisayar bileşenlerimizden bazıları 5V ve 3.3V ile çalışırlar. Yine DC'den DC'ye bir dönüşüm söz konusu anlayacağınız üzere. Temel mantığı oldukça basit.
Bu A550BN'nin DC-DC kartı. Önü ve arkası bu şekilde. Ön tarafında iki adet indüktör, iki tane polymer kapasitör ve 4 tane de mosfet mevcut. Arka tarafı ile ön tarafı bağlayarak anlatacağım.
Bu gördüğünüz ufaklık DC-DC kartının kalbi aslında. Daha doğrusu beyni ve kalbi diyelim. Kendisi "Synchronous-Rectified Buck Controller" olarak geçer. "Synchronous Rectification" kavramını geçen bölümün başında anlatmıştım. Passive ve Synchronous'un en temel farkı diyot ve mosfet ayrımlarıydı. Yani diyotların aksine artık mosfetlere de geçiş yapmış bulunuyoruz ve DC-DC kartının üzerinde de farklı farklı mosfetler mevcut. Resim şimdi canlanmıştır diye düşünüyorum.
Şimdi Passive ve Synchronous'un avantaj ve dezavantajlarına geçen bölüm dolaylı olarak girmiştim diyotları anlatarak. Schottky ve standart PN diyotlarının her birisinin bize getirdiği dezavantajlar vardı hatırlarsanız. İşte o taslak bilgiyi şu an geliştirerek daha anlaşılır bir hale gelmesini sağlayacağım.
İkinci bölümde özellikle Schottky'lerin voltaj droplarının epey yüksek olmalarından bahsetmiştim ve bunun sebepleri de genel olarak fiziksel limitasyonlara bağlıydı. Mosfetler ise tam tersine, voltaj droplarını die'larının boyutlarını arttırarak diyotlardan çok daha düşük hale getirmek mümkün. Peki bu bize ne sağlar? İlk bölümde her şeyin eninde sonunda bağlandığı yerin verimlilik olduğunu söylemiştim. Tam olarak bu. Bunlara ek olarak daha düşük power loss, daha başarılı sıcaklık değerleri gibi etkenler de mevcut. Şimdi geçelim çipimize.
Çipin üzerinde farklı farklı bacaklar var ve hepsini anlatmak yerine en ilgi çekici olduklarını düşündüğümü anlatayım.
UG1, PH1 ve LG1 bacakları, DC-DC kartının önünde gördüğünüz iki tane 5V için kullanılan mosfete bağlı. Temel işlevleri de mosfetlerin açılıp kapandığı zamanları tespit etmek.
UG2, PH2 ve LG2 de aynı şekilde ama tek farkı 5V değil, 3.3V mosfetleri için bağlı olmaları.
PH1 ve PH2 bacakları, iki mosfet arasındaki anahtarlama işlevini gören bacak. Birisinin drain, diğerinin de source bacağına bağlanır.
VCC bacağı, çipin içerisinde bulunan regülatör için gerekli olan voltajı sağlamakla görevli olan bacaktır. Birnevi kontrol çipi diyebiliriz aslında:
OVP ve UVP yazıları da dikkatinizi çekmeli. Evet PSU korumalarında gördüğünüz OTP, OVP, UVP, OCP gibi korumalar bu IC'nin içinde de mevcut. Amacı da yukarıda gösterdiğim mosfetleri korumak. Birazdan geleceğim.
Neyse, VCC bacağının gücü çipe iletebilmesi için kendisine gücü sağlamak amacı ile hemen yanına bir kapasitör koyulması şart. O da şurada oluyor:
Bu gördüğünüz seramik kapasitör yaklaşık 1uF kapasitede. Zaten VCC bacağı için aşağı yukarı bu değer yeterli.
BOOT1 ve BOOT2 bacakları, mosfetlerin açılması için gerekli olan gücü sağlayan kapasitörleri bağlayan bacaklardır.
OCSET1 ve OCSET2 bacakları ise PCB'nin arkasında gördüğünüz birer tane resistörü, input'a bağlayarak mosfetler için OCP (Aşırı Akım Koruması) korumasını sağlayan bacaklardır. IC kendi sırtını kendi kaşıyabilse bile, mosfetler kendi sırtlarını kendileri kaşıyamayacaklarına göre OCP, OTP, UVP ve OVP gibi korumalarını da sağlamamız gerekir. Korumalara girersek:
OTP koruması, kontrol çipinin silikon sıcaklığı 150 dereceyi aştığı an triggerlanarak kontrolcüyü kapatır. Kontrolcünün kapanması demek, mosfetlerin de kapanması, yani DC-DC kartının kapanması, yani PSU'nun kapanması demektir. Bu korumalar sadece PSU'yu genel olarak korumak için değil, aynı zamanda DC-DC kartının başına bir şey gelmesin diye DC-DC kontrolcü çipinin içine de yerleştirilirler. PC'nizin bir anda kapanmasının sebebi belki de budur kim bilir? Hiç aklınıza bile gelmezdi değil mi?
OCP koruması, yani aşırı akım koruması. Kontrolcü çip, mosfetlerdeki voltage drop oranlarını sürekli izler. Yukarıda bahsettiğimiz OCSET bacaklarına bağlı resistör ve mosfetlerin drain bacakları OCP korumasının seviyesini ayarlar ve korumayı belirli bir mikroamperi aştıktan sonra devreye kendisini kapatır. Şekil üzerinde:
Ek bilgilendirme olarak, işaretlediğim ikili Enhancement mosfetleridir. Enhancement olduğunu da çizilen şekildeki yuvarlağın sol tarafındaki ters L olarak gördüğünüz "Gate" çiziminin hemen sağındaki üç tane üst üste çizilen çizgilerdir. Tek bir çizgi olsaydı Depletion mosfet diyecektik. En bariz farkı, Gate üzerindeki akım 0 bile olsa, Drain ve Source bacakları arasında bir akım olamayışıdır. Depletion mosfetlerinde, Gate üzerindeki akım 0V bile olsa arada ufak bir miktar akım geçişi olur. Bu şekilde gördüğünüz gibi OCSET başına 2 mosfet mevcut. IC kendini kapattığında, otomatik olarak mosfetleri de kapatarak onları korumuş oluyor zaten.
UVP koruması, voltaj belirli bir miktarın altına düştüğü zaman IC kendini kapatır. 0.5V'ın altına düşüldüğünü algıladığı andan itibaren, 3 mikrosaniye içinde kapatma işlemini gerçekleştirir. Yani saniyeye çevirecek olursak 0.000003 saniye. 1 mikrosaniye = 1 saniyenin milyonda biri. Korkunç hızlı.
OVP koruması, bu da tam tersi, voltaj belirli bir miktarın üzerine çıktığı zaman koruma amaçlı olarak IC kendini kapatır. Bu bir tık daha uzun, yaklaşık 0.00001 saniye. Yani 10 mikrosaniye.
Evet, aşağı yukarı çipin işlevlerini anlamışsınızdır. Mosfetleri kontrol et ve başlarına bir şey gelmesine izin verme. Çünkü başlarına bir şey gelirse PSU servise gider... Özet bu.
Şimdi çip ile işimiz henüz bitmedi ama ön tarafa da biraz uğramak lazım. Bakalım neler oluyor?
Hatırlarsanız, size ilk bölümde DC-DC kartlarında oldukça yüksek ripple görüldüğünden ve bunun filtrelenmesinin hayati olduğundan bahsetmiştim. Bu filtreleme için en uygun adaylarımız polymer kapasitörler. Üstelik Elite seçerek kalitesinden pek de kısma yapmamışlar. A550BN'nin ripple değerlerinin neden bu kadar başarılı olduğunu aşağı yukarı açıklıyor bu. Elbette tek amaç ripple filtrelemesi yapmak değil, mosfetlerin kapanıp açılması esnasında gerekli olan enerjiyi de depolayıp açılmaları için onlara iletmek.
Gördüğünüz iki kapasitörün altında yazan "16", voltaj değeridir ve sağlıklı olması için kapasitörün voltaj değeri, DC-DC kartına giren voltaj miktarının yaklaşık 1.25 katı olmalıdır. Eh DC-DC kartına giren voltaj 12V değil mi? Malum 12V'ı alıp 5V ve 3.3V'a düşürüp regüle ederek sistemimize iletiyoruz. O halde:
12V x 1.25 = 15V, seçilmesi gereken minimum voltaj miktarı. Bizim modellerimiz ise 16V. Özenle seçilmiş kısacası.
Seçilmesi gereken kapasitörlerin düşük ESR değerli olması, ripple filtrelemesi için çok önemlidir. Bu konuda da elektrolikitlere değil, polymer kapasitörlere başvururuz. Üstelik daha ufaklar ve PCB üzerinde alan tasarrufu da sağlıyorlar ancak bir tane değil, iki tane tercih etmek çok önemli. Zira ripple değerlerini yarı yarıya bile paylaşmaları her birinin üzerindeki stresi epey azaltacaktır.
Ripple değerinin hesaplanması için yardımcı olacak formül bu. ∆IL olarak gördüğünüz şey, indüktörün ripple değeri. COUT kapasitörün değeri. ESR zaten ESR. Parantez içindeki değerleri topladıktan sonra ∆IL ile çarpıyoruz ve çıkan değerin output voltage'dan büyük veya eşit olması gerekiyor. fOSC, DC-DC kartının total frekans değeri. fOSC'nin büyük olması, yani yüksek frekanslara çıkılması daha düşük Ripple değerleri demek. Çünkü ∆IL hesaplanması için kullanılan bir formül de var:
Buradaki formülde fOSC ne kadar büyük olursa, matematiksel olarak ∆IL de daha küçülmüş oluyor. ∆IL, yani indüktörün ripple değerini düşürmek de üstteki formüle ∆IL değerini koyduğumuzda total ripple değerini düşüreceği için amacımız yüksek frekanslara çıkmak. fOSC değerini olabildiğince arttırmamız elzem.
Yalnız burada bir problem var. Polymer kapasitörlerin dezavantajı da düşük ESR değerlerinden ötürü, noise filtering konusunda kötü olmalarıdır. Orada da imdatlarına seramik kapasitörler yetişir, üstte göstermiştim aslında.
PCB'nin arka tarafı resistörlerden, seramik kapasitörlerden ve iki tane diyottan oluşuyor görüldüğü üzere.
Gördüğünüz iki tane indüktörün birisi 5V, diğeri ise 3.3V voltajı depolayıp iletmekle görevlidir. Aralarına da coil whine'ı engellemek amacı ile beyaz glue dökülmüş.
Şimdi çipimize geri dönelim ve performansını maksimize etmek için yapılması gerekenlere bakalım:
- DC-DC kartı üzerindeki devre elemanlarını mümkün olduğunca yakın konumlandırmak,
- Mosfetlerin açılıp kapanmaları esnasındaki transient spike'ları minimuma indirmek için DC-DC kartının veriyollarını geniş yapmak ve bakır kullanmak,
- ESR değerlerini düşürmek için, tek bir kapasitör yerine iki tane kapasitör kullanmak, (Tıpkı bizim incelediğimiz DC-DC kartında iki tane kullanıldığı gibi)
- Çipi mosfetlere yakın konumlandırmak ve indüktörden uzak tutmak. (İndüktör noise kaynağıdır çünkü)
- GND, yani topraklama yapmak (DC-DC kartında GND pinleri mevcut) ve mosfetlere olabildiğince yakın tutmak.
İndüktörler
İndüktörler gerçekten de şımarık bir çocuk gibiler. Yani başımızı ağrıtmaları falan asi karakterlerinde yatıyor, çok inatçılar. Bu inatçılık neden oluyor onu anlatarak başlayalım:
Arkadaşlar bir indüktöre gidip bağırırsanız o da size aynı şekilde bağırır, laf söylerseniz tam olarak aynı lafı size söyler. Çünkü karakteri böyledir, bundan hoşlanır. Aynı şekilde indüktör her zaman kendisine gelen akımı sabit tutmaya çalışır. Bunu da tersine elektromanyetik bir alan yaratarak yapar. DC-DC kartından örnek verecek olursak: 5V gelirse gelen 5V'a karşı çıkmaya çalışır, 3.3V gelirse yine aynı şekilde. Değişim olduğu an, diyelim 1V bir değişim başladığında hemen tersine 1V bir EMF yaratarak bu değişimin önüne geçmek ister. Şunu hayal edin:
Diyelim bir sabah arabanıza bindiniz ve ışıkları açık unuttuğunuz için akünün bittiğini fark ettiniz. Arabayı vurdurmaya başladınız, ilk başta vurduramadınız çünkü araba çok ağır olduğu için bunu engelledi. Sonrasında vurdurmaya başlayıp hareket ettirdiğinizde ise arabayı artık durdurmak istediniz ama kendinize ne kadar çekerseniz çekin durduramadınız. Eninde sonunda durdu elbette. İndüktörün akım ile arasındaki ilişki tam olarak bu şekilde. Bu örnekte akım siz, indüktör ise araba oluyor. Çocuk gibi yani inatçı.
Şimdi gelin şöyle basit bir grafik üzerinde anlatmaya çalışayım:
Üstteki çizdiğim grafikte gördüğünüz yeşil çizgi, indüktörün üzerindeki akımın artış oranı. Ancak gerçek dünyada, güç kaynaklarında yeşil çizgideki gibi bir akım artışı söz konusu değil. Çünkü sürekli mosfetleri kapatıp açıyoruz kapatıp açıyoruz ve akım alçalıp yükseliyor alçalıp yükseliyor. Grafikte de gördüğünüz gibi direnç olan ve olmayan durum için senaryolar farklı. Direnç varken mosfet kapandığında, akım bir eğri şeklinde düşer. Direnç yokken mosfeti kapatırsanız düz bir doğru şeklinde düşer. Diyelim t zamanında indüktörden geçen akımı bulmak istiyoruz. Direncin olmadığı bir senaryoda işimiz kolay. Doğrusal fonksiyon formülü y = ax+c. İşin içinde direnç varsa peki bu durumda ne yapıyoruz? Sınava hazırlanan arkadaşlarımızın çok sevdiği bir konu olan türevden yararlanıyoruz elbette. Çünkü bir eğri üzerindeki noktanın değerini bulmamızı sağlayan şey türev, o eğrinin altındaki alanı bulmamızı sağlayan şey ise integral. İyice matematiğe evriliyor konu... Normal, bilimin dili çünkü. PSU da bir istisna değil. O halde formüle bir göz atalım madem işin içinde türev var:
Faraday'in üstte anlattığım tersine EMF için formülü bu. Başındaki eksi işareti de Lenz'in kuralı. Yani diyorlar ki: indüktör, gelen akımda ortaya çıkan bir değişime karşı çıkmak için tersine bir EMF üretir. Yalnız birisinde d yerine ∆ var. İkisi arasındaki fark ne? Yine sınava hazırlanan arkadaşlarımız ne olduğunu biliyor... d türev, ∆ ise doğrusal değişim.
İndüktörlerin temeldeki rolü bahsettiğim gibi elektromanyetik bir alanda depolamak ve iletmek. Daha önceki bölümlerde size indüktörün sarılması için ne kadar tel gerektiğine dair bir şey söylemiştim. Onun bir formülü falan da vardı hatta. Peki fazla veya az tel sarılırsa ne olur? Mesela DC-DC kartının üzerindeki indüktörde epey az tel sarılıydı. Daha fazla tel sarılması demek, daha fazla inductance anlamına gelir. Yani indüktörün yarattığı manyetik alan çok daha güçlü olur. DC-DC kartının üzerindeki indüktörlere tekrar bakalım:
DC-DC kartındakiler zaten 5V ve 3.3V için. Yalnız sağdaki büyük olan ise 12V için. Çok daha geniş bir indüktöre, çok daha fazla sayıda sarıma ve sarımın genişliğine sahip. Bunların tamamı daha fazla indüktans ile beraber daha güçlü bir elektromanyetik alan anlamına geliyor dediğim gibi. 12V olduğu için daha büyük bir indüktör kullanılması ve sarım sayısının arttırılması gerekiyor burada olduğu gibi. Bu görüntüden A550BN'nin independently regulated (bağımsız düzenleme) olduğunu da görebiliyoruz. 5V, 3.3V ve 12V kanalı için ayrı ayrı 3 tane indüktör mevcut. Eğer görüntü şu olsaydı:
Group regulated (grup düzenleme) olacaktı. Büyük indüktör 12V ve 5V kanalı için, yanındaki daha küçük indüktör ise 3.3V kanalı için. Bunun sıkıntısı da, 12V kanalındaki yük arttığı zaman 12V kanalındaki voltajı arttırdığında, mecbur olarak 5V kanalını da arttırmış olacak. Yani 5V kanalında yük olmasa bile voltajı o kanal için boş yere artmış olacaktı. Bu sebepten bağımsız düzenlemeli güç kaynaklarını grup düzenlemeli güç kaynaklarına tercih ediyoruz. Bu CV550'nin içi bu arada.
Evet indüktörleri de burada noktalayalım. 2. bölümde yine biraz değindiğimi hatırlıyorum. Şimdi son ve anlatacağım en karışık konuya gelip dağılıyoruz artık. Hazırlanın, çok ciddiyim.
Güç Kaynaklarındaki Kayıplar
Buradaki kayıptan kastım elbette ki enerji. Daha rahat anlaşılabilmesi için genellikle; switching, conduction, quiescent ve resistive kayıplar olarak dörde ayrılır. Ben sadece en sık karşılaştığımız ilk ikisine değineceğim.
Mosfetler ile alakalı olarak sürekli açılıp kapandıklarını söylüyoruz. Üstte bahsettiğimiz şekilde bu mosfetler açılıp kapandıkları zaman kayıplar gerçekleşir ve iki tür olan switching ve conduction kayıplarına sahiptir. Conduction loss, mosfet açıldığı durumda başlar. Açıldıktan sonra enerji mosfetin üzerinden geçerken dalgaboylarındaki değişimler stabilize olduktan sonra oluşan kayıp Conduction loss olarak adlandırılır. Switching loss ise mosfet her açılıp kapandığında yani switchlediğimiz durumda oluşan kayıp ve aklınızda tutması bu şekilde basit olur. Kayıplar aslında voltaj dropları şeklinde gerçekleşirler. Önceki bölümde diyotlardan bahsederken anlatmıştım. Mosfetlerin voltaj dropları, diyotlarınkine nazaran daha düşüktür.
Kayıbın hesaplanması için Voltaj ve Akım'ın saturated formları çarpılır. Bir mosfetin saturated forma geçmesi demek, mosfete uygulanabilecek maksimum voltajdaki (VDS) değişimin, mosfetin üzerinden geçecek akım (Id) üzerinde büyük bir etki yaratmadığı, aksine ufak etki yarattığı anlamına gelir. Tanımdaki mantığa göre saturated formdaki bir mosfetin voltaj dropları da az olacağı için kayıplar da daha az olacak.
Şimdi buradaki asıl problem, görüntüleme için stabil bir dalgaformu elde etmek. PSU için kayıbı gösteren dalgaboylarını görüntüleyebilmek için de osiloskop kullanmamız şart. Bu dalgaboylarını gösterirken, osiloskopa bağlayacağımız kablonun boyutunun da kısa ve üzerinde koruması olan bir kablo olması gerekir. Çünkü kablo ne kadar uzarsa, PSU'daki diğer devre elemanlarının noise'lerinden nasibini alma eğilimi de o kadar artar. Stabil bir dalgaformu elde ettikten sonra, görüntüleme yaparken mosfetlerin açılırken yaşattığı kaybı hesaplamak için tuhaf bir formülümüz mevcut:
Mosfetin açılırken yaşadığı kaybı da şu şekilde bir grafikte görebiliriz. Mosfet tam açıldığı esnada loss peak yapmış ve kapanana kadar da conduction loss'un artışı devam etmiş.
Osiloskop üzerinde mosfetlerin kaybını gösteren dalgaformu:
Output Rectifier ile alakalı kayıplarda, hani şu bildiğimiz Passive ve Synchronous Rectification olan, Passive rectification için diyotlardaki kayıp önem arz eder çünkü tüm işimiz onlarla. Burada gerçekleşen kayıp, PSU da gerçekleşen total kayıbın yaklaşık %50'sini oluşturur. Kısacası burası çokomelli. Kayıpları yine açılıp kapanırken oluşan ve conduction kaybı olarak üçe ayırabiliriz.
"Forward Recovery Time" aslında "Reverse Recovery Time"'ın tersi ama ben önceki bölümlerde bu kavramı biraz anlatmıştım. Reverse Voltage belası demiştim hatta. Forward Recovery Time, diyota uygulanan voltaj ile akıma başladığı an arasındaki toparlama süresine verilen isimdir. PN diyotlarında bu süre 10 nanosaniye gibi ruh hastalığı kıvamında kısa bir sürede gerçekleşir. Schottky'ler için durum biraz kötü, çünkü önceden anlattığım gibi kapasitansları yüksek ve bu durum, forward recovery time'ında uzamalara sebebiyet verebiliyor. Aradaki fark çok değil ama fark yine de farktır. Şöyle bir grafikte gözlemleyebilirsiniz:
Sağda reverse recovery time konusunu önceki bölümlerde işlemiştim, orayı pas geçiyorum o yüzden. Şimdi şu kapasitörlerdeki kayıplara bakalım, daha önce hiç girmediğimiz bir konu.
Kapasitörler bu konuda sicili en temiz devre elemanı diyebilirim sanırım. Ona rağmen yanlış kapasitör tercihleri, yoğun kayıplara sebebiyet vereceği için kapasitör tercihleri yaparken Allah ne verdiyse mantığı ile seçim yapmıyoruz. ESR (Equivalent Series Resistance) ve ESL (Equivalent Series Inductance) değerleri çok önemli. Bu iki değerin kapasitörlerin kapasitelerini izole edici özelliği sayesinde, bir kapasitör kendini en verimli olarak DC tarafında gösterir.
Kapasitörler aslında output rectifier ile mosfetlerin switchlerinin açılıp kapanmaları ile oluşan yüksek frekanslı akımın esas kaynağıdır. Yani yine dalgaboyu görüntülemesi yaparak kayıbı bulmak için ESR değerini tespit etmek mümkün. İlk cümlede bahsettiğim işlem takdir edeceğiniz gibi kapasitörün ısınmasıyla sonuçlanır ve yıl bazlı olarak ömürlerini ve performanslarını düşürür. Bu da kayıpların artacağı anlamına gelir.
ESR değerinin kapasitörde yaşattığı kaybı bulmak için yine bir formülden yararlanıyoruz:
İşte bu kayıpların hesaplanması ve engellenmesi, güç kaynaklarında verimliliği arttırmamızı sağlar.
Nasıl? Beğendiniz mi? PSU'yu öyle takıp sistemi açıyoruz falan ama arkada kocaman bir devran dönüyor ki bu anlattıklarım daha hiçbir şey. 20-30 bölüm bile anlatmaya yetmez çok ciddiyim. Neyse, topoloji serisinin finaline yakışır bir şekilde bir önceki bölümlere göre daha da fazla beyin yaktık. Benim aklıma gelenler şimdilik bu kadar. Bu yolculukta okuyup anlamaya çalışan herkese teşekkürler. Sırada ne var hiç bilmiyorum. Aklımda birkaç fikir var ama okuma yapmasıydı, kaynak toplamasıydı, yazmasıydı, kaynakların doğrulanmasıydı falan derken oh... Daha güzelce bir süre bir şeyler yazmam herhalde. Kaynaklar konusunda faydalı bağlantılar bırakayım:
How to Get a Buck Converter with Low Output Voltage Ripple? | Easybom
When the Buck circuit is working, the inductor current generally appears as a sawtooth wave. If it is a discontinuous state, it is not a sawtooth wave. Its average value is the average value of the load current.
Bu arada Feedback Compensation ve onunla doğrudan bağlantılı The Bode Plot kavramına girmek de istiyordum ama konu o kadar karışık ki, gerçekten kafayı sıyıracaktım ben bile anlayamıyorum. Bari bırakayım siz anlamaya çalışın:
5.3: Feedback Compensation
Series compensation is accomplished by adding a cascaded element to a single-loop feedback system. Feedback compensation is implemented by adding a feedback element which creates a two-loop system.
eng.libretexts.org
Yok aman, kusacağım bu ne? Kapatın gidiyoruz. Hadi iyi sabahlar...
Dosya Ekleri
Son düzenleyen: Moderatör:
