Tętnienia mocy przełączania są nieuniknione. Naszym ostatecznym celem jest zmniejszenie tętnień wyjściowych do akceptowalnego poziomu. Najbardziej fundamentalnym rozwiązaniem tego problemu jest unikanie generowania tętnień. Przede wszystkim należy ustalić przyczynę.
W przypadku przełącznika SWITCH, prąd w indukcyjności L również waha się w górę i w dół z prawidłową wartością prądu wyjściowego. W związku z tym wystąpią tętnienia o tej samej częstotliwości, co przełącznik na wyjściu. Zasadniczo tętnienia ribera odnoszą się do tego, co jest związane z pojemnością kondensatora wyjściowego i ESR. Częstotliwość tych tętnień jest taka sama jak w zasilaczu impulsowym i wynosi od dziesiątek do setek kHz.
Ponadto, Switch zazwyczaj wykorzystuje tranzystory bipolarne lub MOSFET-y. Niezależnie od tego, który z nich zostanie użyty, wystąpi czas narastania i opadania, gdy urządzenie jest włączone i wyłączone. W tym momencie w obwodzie nie będzie szumu, który byłby taki sam jak czas narastania i opadania Switcha, lub kilkukrotny, i zazwyczaj wynosiłby dziesiątki MHz. Podobnie, dioda D znajduje się w fazie odzyskiwania sygnału. Obwód zastępczy to szereg kondensatorów rezystancyjnych i cewek indukcyjnych, który powoduje rezonans, a częstotliwość szumu wynosi dziesiątki MHz. Te dwa rodzaje szumu są zazwyczaj nazywane szumem wysokoczęstotliwościowym, a ich amplituda jest zazwyczaj znacznie większa niż tętnienia.
W przypadku przetwornicy AC/DC, oprócz dwóch powyższych tętnień (szumów), występuje również szum AC. Częstotliwość jest częstotliwością napięcia wejściowego AC, około 50-60 Hz. Występuje również szum współbieżny, ponieważ element mocy wielu zasilaczy impulsowych wykorzystuje obudowę jako radiator, co generuje równoważną pojemność.
Pomiar tętnień mocy przełączania
Wymagania podstawowe:
Połączenie z oscyloskopem AC
Limit pasma 20 MHz
Odłącz przewód uziemiający sondy
1. Sprzężenie prądu przemiennego polega na usunięciu superpozycji napięcia stałego i uzyskaniu dokładnego kształtu fali.
2. Otwarcie pasma przenoszenia 20 MHz ma na celu zapobieganie interferencjom szumów o wysokiej częstotliwości i zapobieganie błędom. Ponieważ amplituda składowych o wysokiej częstotliwości jest duża, należy ją usunąć podczas pomiaru.
3. Odłącz zacisk uziemienia sondy oscyloskopu i użyj pomiaru uziemienia, aby zredukować zakłócenia. Wiele działów nie posiada pierścieni uziemienia. Należy jednak wziąć to pod uwagę przy ocenie, czy urządzenie jest odpowiednie.
Kolejnym punktem jest użycie zacisku 50Ω. Zgodnie z informacjami o oscyloskopie, moduł 50Ω ma na celu usunięcie składowej stałej i dokładny pomiar składowej przemiennej. Jednak niewiele oscyloskopów jest wyposażonych w takie specjalistyczne sondy. W większości przypadków stosuje się sondy o rezystancji od 100 kΩ do 10 MΩ, co jest chwilowo niejasne.
Powyższe stanowią podstawowe środki ostrożności podczas pomiaru tętnień przełączania. Jeśli sonda oscyloskopu nie jest bezpośrednio wystawiona na punkt wyjściowy, pomiar należy wykonać za pomocą przewodów skrętkowych lub kabli koncentrycznych 50 Ω.
Podczas pomiaru szumu o wysokiej częstotliwości, pełne pasmo oscyloskopu mieści się zazwyczaj w przedziale od setek megaherców do GHz. Inne są takie same jak powyżej. Być może różne firmy stosują różne metody testowania. Ostatecznie musisz znać wyniki swoich testów.
O oscyloskopie:
Niektóre oscyloskopy cyfrowe nie potrafią poprawnie mierzyć tętnień z powodu zakłóceń i głębokości zapisu. W takim przypadku oscyloskop należy wymienić. Czasami, mimo że przepustowość starego oscyloskopu symulacyjnego wynosi zaledwie kilkadziesiąt megapikseli, jego wydajność jest lepsza niż oscyloskopu cyfrowego.
Hamowanie tętnień mocy przełączania
Teoretycznie i faktycznie istnieją zakłócenia przełączania. Istnieją trzy sposoby ich tłumienia lub redukcji:
1. Zwiększ indukcyjność i filtrację kondensatora wyjściowego
Zgodnie ze wzorem zasilacza impulsowego, wielkość fluktuacji prądu i wartość indukcyjności indukcyjnej stają się odwrotnie proporcjonalne, a tętnienia wyjściowe i kondensatory wyjściowe są odwrotnie proporcjonalne. Dlatego zwiększenie pojemności elektrycznej i wyjściowej kondensatorów może zmniejszyć tętnienia.
Rysunek powyżej przedstawia przebieg prądu w cewce L zasilacza impulsowego. Jego prąd tętnień △ i można obliczyć z następującego wzoru:
Można zauważyć, że zwiększenie wartości L lub zwiększenie częstotliwości przełączania może zmniejszyć wahania prądu w indukcyjności.
Podobnie, zależność między tętnieniami wyjściowymi a kondensatorami wyjściowymi: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Widać, że zwiększenie wartości kondensatora wyjściowego może zmniejszyć tętnienia.
Zwykłą metodą jest stosowanie aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych do pojemności wyjściowej, aby osiągnąć cel dużej pojemności. Jednak kondensatory elektrolityczne nie są zbyt skuteczne w tłumieniu szumów o wysokiej częstotliwości, a ESR jest stosunkowo wysoki, dlatego należy podłączyć obok nich kondensator ceramiczny, aby zrekompensować brak aluminiowych kondensatorów elektrolitycznych.
Jednocześnie, gdy zasilacz pracuje, napięcie VIN na zacisku wejściowym pozostaje niezmienione, ale prąd zmienia się wraz z przełącznikiem. W tym momencie zasilacz wejściowy nie zapewnia studni prądowej, zazwyczaj w pobliżu zacisku wejściowego (na przykład typu buck, która znajduje się w pobliżu przełącznika), i podłącza pojemność, aby dostarczyć prąd.
Po zastosowaniu tego środka zaradczego zasilacz Buck-Switch jest pokazany na poniższym rysunku:
Powyższe podejście ogranicza się do redukcji tętnień. Ze względu na ograniczenie objętości, indukcyjność nie będzie bardzo duża; pojemność kondensatora wyjściowego wzrasta do pewnego stopnia, a redukcja tętnień nie ma wyraźnego wpływu; wzrost częstotliwości przełączania zwiększa straty przełączania. Zatem w przypadku surowych wymagań ta metoda nie jest zbyt dobra.
Aby poznać zasady działania zasilacza impulsowego, można zapoznać się z różnymi podręcznikami projektowania zasilaczy impulsowych.
2. Filtrowanie dwupoziomowe polega na dodaniu filtrów LC pierwszego poziomu
Hamujący wpływ filtra LC na tętnienia szumów jest stosunkowo oczywisty. W zależności od częstotliwości tętnień, które mają zostać usunięte, należy dobrać odpowiedni induktor/kondensator do utworzenia obwodu filtrującego. Zazwyczaj pozwala to skutecznie zredukować tętnienia. W takim przypadku należy wziąć pod uwagę punkt próbkowania napięcia sprzężenia zwrotnego. (Jak pokazano poniżej)
Punkt próbkowania jest wybierany przed filtrem LC (PA), a napięcie wyjściowe zostanie obniżone. Ponieważ każda indukcyjność ma rezystancję stałą, przy przepływie prądu następuje spadek napięcia na indukcyjności, co powoduje spadek napięcia wyjściowego zasilacza. Spadek ten zmienia się wraz ze zmianą prądu wyjściowego.
Punkt próbkowania jest wybierany za filtrem LC (PB), tak aby napięcie wyjściowe było zgodne z oczekiwanym. Jednak do systemu zasilania wprowadzana jest indukcyjność i kondensator, co może powodować niestabilność systemu.
3. Po wyjściu zasilacza impulsowego należy podłączyć filtr LDO
To najskuteczniejszy sposób redukcji tętnień i szumów. Napięcie wyjściowe jest stałe i nie wymaga zmiany oryginalnego układu sprzężenia zwrotnego, ale jest to również najbardziej ekonomiczne i energooszczędne rozwiązanie.
Każdy regulator LDO ma wskaźnik: współczynnik tłumienia szumów. Jest to krzywa częstotliwościowo-dB, jak pokazano na poniższym rysunku, krzywa LT3024.
Po zastosowaniu LDO tętnienia przełączania są zazwyczaj poniżej 10 mV. Poniższy rysunek przedstawia porównanie tętnień przed i po zastosowaniu LDO:
W porównaniu z krzywą na powyższym rysunku i przebiegiem po lewej stronie widać, że efekt hamujący LDO jest bardzo skuteczny w przypadku tętnień przełączania rzędu setek kHz. Jednak w zakresie wysokich częstotliwości efekt LDO nie jest już tak idealny.
Zmniejsz tętnienia. Okablowanie PCB zasilacza impulsowego ma również kluczowe znaczenie. W przypadku szumów o wysokiej częstotliwości, ze względu na wysoką częstotliwość, chociaż filtrowanie po etapie ma pewien wpływ, efekt ten nie jest oczywisty. Istnieją specjalistyczne badania w tym zakresie. Proste podejście polega na zastosowaniu diody i pojemności C lub RC albo na połączeniu szeregowym indukcyjności.
Powyższy rysunek przedstawia schemat zastępczy rzeczywistej diody. W przypadku diody o dużej szybkości, należy uwzględnić parametry pasożytnicze. Podczas odwrotnego powrotu diody, indukcyjność zastępcza i pojemność zastępcza stały się oscylatorem RC, generującym oscylacje o wysokiej częstotliwości. Aby stłumić te oscylacje o wysokiej częstotliwości, konieczne jest podłączenie pojemności C lub układu buforowego RC na obu końcach diody. Rezystancja wynosi zazwyczaj 10Ω–100 ω, a pojemność 4,7PF–2,2NF.
Pojemność C lub RC diody C lub RC można określić poprzez wielokrotne testy. Nieprawidłowy dobór pojemności spowoduje silniejsze oscylacje.
Czas publikacji: 08-07-2023
