Пульсації комутаційної потужності неминучі. Наша кінцева мета — зменшити пульсації вихідної напруги до допустимого рівня. Найфундаментальнішим рішенням для досягнення цієї мети є уникнення виникнення пульсацій. Перш за все, і причина їх виникнення.
При перемиканні ПЕРЕМИКАТЧА струм в індуктивності L також коливається вгору та вниз відповідно до допустимого значення вихідного струму. Тому на виході також виникатимуть пульсації з такою ж частотою, як і перемикач. Зазвичай пульсації ребра пов'язані з ємністю вихідного конденсатора та ESR. Частота цих пульсацій така ж, як і у імпульсного джерела живлення, і коливається від десятків до сотень кГц.
Крім того, комутатори зазвичай використовують біполярні транзистори або MOSFET. Незалежно від того, який з них увімкнений та вимкнений, час наростання та спаду напруги буде коливатися. У цей час у схемі не буде шуму, який дорівнює або збільшується в кілька разів, як час наростання та спаду комутатора, і зазвичай становить десятки МГц. Аналогічно, діод D знаходиться у зворотному відновленні. Еквівалентна схема - це послідовне з'єднання резисторних конденсаторів та індуктивностей, що викликає резонанс, а частота шуму становить десятки МГц. Ці два шуми зазвичай називають високочастотним шумом, а їх амплітуда зазвичай значно більша за пульсації.
Якщо це перетворювач змінного/постійного струму, то, окрім двох вищезгаданих пульсацій (шуму), також присутній шум змінного струму. Частота відповідає частоті вхідного джерела змінного струму, приблизно 50-60 Гц. Також присутній шум синхронного режиму, оскільки багато імпульсних джерел живлення використовують корпус як радіатор, що створює еквівалентну ємність.
Вимірювання пульсацій комутаційної потужності
Основні вимоги:
Зв'язок з осцилографом змінного струму
Обмеження пропускної здатності 20 МГц
Від'єднайте заземлювальний провід зонда
1. Зв'язок змінного струму полягає у видаленні суперпозиції постійної напруги та отриманні точної форми хвилі.
2. Відкриття межі смуги пропускання 20 МГц призначене для запобігання перешкодам високочастотного шуму та запобігання похибкам. Оскільки амплітуда високочастотного шуму велика, її слід видаляти під час вимірювання.
3. Від’єднайте заземлювальний затискач зонда осцилографа та використовуйте вимірювання заземлення для зменшення перешкод. У багатьох відділах немає кілець заземлення. Але враховуйте цей фактор, оцінюючи його відповідність вимогам.
Ще один момент полягає у використанні терміналу 50Ω. Згідно з інформацією осцилографа, модуль 50Ω призначений для видалення постійної складової та точного вимірювання змінної складової. Однак, осцилографів з такими спеціальними зондами небагато. У більшості випадків використовуються зонди від 100 кОм до 10 МОм, що тимчасово незрозуміло.
Вищезазначені основні запобіжні заходи є основними запобіжними заходами під час вимірювання пульсацій перемикання. Якщо зонд осцилографа не підключений безпосередньо до вихідної точки, його слід вимірювати за допомогою кручених ліній або коаксіальних кабелів 50 Ом.
Під час вимірювання високочастотного шуму повний діапазон осцилографа зазвичай становить сотні мегагерц. Інші діапазони такі ж, як і вищезазначені. Можливо, різні компанії мають різні методи випробувань. Зрештою, ви повинні знати результати своїх випробувань.
Про осцилограф:
Деякі цифрові осцилографи не можуть правильно вимірювати пульсації через перешкоди та глибину зберігання. У такому разі осцилограф слід замінити. Іноді, хоча пропускна здатність старого симуляційного осцилографа становить лише десятки мегабайт, його продуктивність краща, ніж у цифрового осцилографа.
Пригнічення пульсацій комутаційної потужності
Для комутаційних пульсацій теоретично та фактично існують. Існує три способи їх придушення або зменшення:
1. Збільште індуктивність та фільтрацію вихідного конденсатора
Згідно з формулою імпульсного джерела живлення, величина коливань струму та значення індуктивності стають обернено пропорційними, а вихідні пульсації та вихідні конденсатори обернено пропорційні. Тому збільшення електричної ємності та вихідних конденсаторів може зменшити пульсації.
На зображенні вище показано форму хвилі струму в індуктивності імпульсного джерела живлення L. Його пульсаційний струм △ i можна розрахувати за такою формулою:
Можна побачити, що збільшення значення L або збільшення частоти перемикання може зменшити коливання струму в індуктивності.
Аналогічно, зв'язок між вихідними пульсаціями та вихідними конденсаторами: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Можна побачити, що збільшення номіналу вихідного конденсатора може зменшити пульсації.
Звичайний метод полягає у використанні алюмінієвих електролітичних конденсаторів для вихідної ємності, щоб досягти великої ємності. Однак електролітичні конденсатори не дуже ефективні для придушення високочастотного шуму, а ESR відносно великий, тому поруч з ними підключають керамічний конденсатор, щоб компенсувати відсутність алюмінієвих електролітичних конденсаторів.
Водночас, коли джерело живлення працює, напруга VIN на вхідному терміналі не змінюється, але струм змінюється разом із перемикачем. У цей час вхідне джерело живлення не забезпечує струмового колодязя, зазвичай поблизу вхідного струмового терміналу (наприклад, понижувальний тип, поблизу перемикача), і підключає ємність для забезпечення струму.
Після застосування цього контрзаходу, блок живлення з понижувальним перемикачем показано на малюнку нижче:
Вищезазначений підхід обмежується зменшенням пульсацій. Через обмеження обсягу індуктивність не буде дуже великою; вихідний конденсатор збільшується до певної міри, і немає помітного впливу на зменшення пульсацій; збільшення частоти комутації збільшить втрати на комутації. Тому, коли вимоги суворі, цей метод не дуже ефективний.
Щоб дізнатися про принципи імпульсного живлення, ви можете звернутися до різних посібників з проектування імпульсних джерел живлення.
2. Дворівнева фільтрація полягає у додаванні LC-фільтрів першого рівня
Гальмівний вплив LC-фільтра на пульсації шуму є досить очевидним. Залежно від частоти пульсацій, які необхідно видалити, виберіть відповідний індуктивний конденсатор для формування схеми фільтра. Як правило, це може добре зменшити пульсації. У цьому випадку потрібно враховувати точку вибірки напруги зворотного зв'язку. (Як показано нижче)
Точку вибірки вибирають перед LC-фільтром (PA), і вихідна напруга зменшується. Оскільки будь-яка індуктивність має опір постійному струму, при наявності вихідного струму на ній відбувається падіння напруги, що призводить до зменшення вихідної напруги джерела живлення. І це падіння напруги змінюється разом із вихідним струмом.
Точку вибірки вибирають після LC-фільтра (PB), щоб вихідна напруга відповідала бажаній напрузі. Однак, всередині системи живлення вводяться індуктивність і конденсатор, що може спричинити нестабільність системи.
3. Після виходу імпульсного блоку живлення підключіть LDO-фільтр
Це найефективніший спосіб зменшення пульсацій та шуму. Вихідна напруга постійна і не потребує зміни оригінальної системи зворотного зв'язку, але це також найекономічніший спосіб з найвищим енергоспоживанням.
Будь-який LDO має індикатор: коефіцієнт придушення шуму. Це крива залежності частоти від демпфування, як показано на рисунку нижче, крива для LT3024.
Після LDO пульсації перемикання зазвичай нижче 10 мВ. На наступному рисунку показано порівняння пульсацій до та після LDO:
Порівняно з кривою на рисунку вище та формою хвилі ліворуч, видно, що гальмівний ефект LDO дуже хороший для пульсацій перемикання в сотні кГц. Але в діапазоні високих частот ефект LDO не такий ідеальний.
Зменшення пульсацій. Підключення друкованої плати імпульсного блоку живлення також є критично важливим. Для високочастотного шуму, через високу частоту високої частоти, хоча посткаскадна фільтрація має певний ефект, він не є очевидним. Існують спеціальні дослідження з цього приводу. Простий підхід полягає в тому, щоб з'єднати діод та ємність C або RC, або послідовно з'єднати індуктивність.
Наведений вище малюнок є еквівалентною схемою реального діода. Коли діод працює на високій швидкості, необхідно враховувати паразитні параметри. Під час зворотного відновлення діода еквівалентна індуктивність та еквівалентна ємність стають RC-генератором, генеруючи високочастотні коливання. Щоб придушити ці високочастотні коливання, необхідно підключити ємність C або RC-буферну мережу до обох кінців діода. Опір зазвичай становить 10 Ом - 100 Ω, а ємність - 4,7 пФ - 2,2 НФ.
Ємність C або RC на діоді C або RC можна визначити шляхом повторних випробувань. Якщо її вибрати неправильно, це спричинить сильніші коливання.
Час публікації: 08 липня 2023 р.
