Пульсации мощности переключения неизбежны. Наша конечная цель — снизить пульсации выходного сигнала до приемлемого уровня. Самым фундаментальным решением для достижения этой цели является предотвращение образования пульсаций. Прежде всего И причина.
При переключении ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ ток в индуктивности L также колеблется вверх и вниз при действительном значении выходного тока. Следовательно, на выходном конце также будет пульсация той же частоты, что и у переключателя. Обычно к этому относятся пульсации рибера, связанные с емкостью выходного конденсатора и ESR. Частота этой пульсации такая же, как у импульсного источника питания, с диапазоном от десятков до сотен кГц.
Кроме того, в Switch обычно используются биполярные транзисторы или MOSFET. Независимо от того, какой из них, будет время нарастания и убывания, когда он включен и выключен. В это время в схеме не будет шума, который равен времени увеличения времени уменьшения времени нарастания переключателя или в несколько раз и обычно составляет десятки МГц. Аналогично, диод D находится в обратном восстановлении. Эквивалентная схема представляет собой ряд резистивных конденсаторов и катушек индуктивности, которые вызывают резонанс, а частота шума составляет десятки МГц. Эти два шума обычно называют высокочастотным шумом, и их амплитуда обычно намного больше пульсаций.
Если это преобразователь переменного/постоянного тока, то помимо двух вышеперечисленных пульсаций (шума) присутствует еще и шум переменного тока. Частота — это частота входного источника переменного тока, около 50-60 Гц. Также присутствует коммодовый шум, поскольку в силовом устройстве многих импульсных блоков питания в качестве радиатора используется оболочка, которая создает эквивалентную емкость.
Измерение пульсаций коммутируемой мощности
Основные требования:
Соединение с осциллографом переменного тока
Ограничение полосы пропускания 20 МГц
Отсоедините заземляющий провод зонда
1. Связь по переменному току предназначена для устранения суперпозиции постоянного напряжения и получения точной формы сигнала.
2. Открытие ограничения полосы пропускания 20 МГц предназначено для предотвращения помех высокочастотного шума и предотвращения ошибок. Поскольку амплитуда высокочастотной композиции велика, при измерении ее следует удалять.
3. Отсоедините зажим заземления щупа осциллографа и используйте измерение заземления, чтобы уменьшить помехи. Во многих ведомствах нет заземляющих колец. Но учтите этот фактор при оценке того, соответствует ли он требованиям.
Другой момент — использовать клемму с сопротивлением 50 Ом. Согласно данным осциллографа, модуль 50 Ом предназначен для удаления постоянной составляющей и точного измерения переменной составляющей. Однако осциллографов с такими специальными пробниками немного. В большинстве случаев применяется использование щупов от 100кОм до 10МОм, что временно неясно.
Вышеизложенное представляет собой основные меры предосторожности при измерении пульсаций переключения. Если щуп осциллографа не подключен непосредственно к выходной точке, его следует измерять с помощью витых линий или коаксиальных кабелей с сопротивлением 50 Ом.
При измерении высокочастотного шума полный диапазон осциллографа обычно составляет от сотен мегагерц до уровня ГГц. Остальные аналогичны описанным выше. Возможно, у разных компаний разные методы испытаний. В конечном итоге вы должны знать результаты своего теста.
О осциллографе:
Некоторые цифровые осциллографы не могут правильно измерить пульсации из-за помех и глубины хранения. В это время осциллограф следует заменить. Иногда, хотя полоса пропускания старого моделирующего осциллографа составляет всего лишь десятки мегапикселей, производительность лучше, чем у цифрового осциллографа.
Подавление пульсаций коммутируемой мощности
Для переключения пульсации теоретически и реально существуют. Есть три способа подавить или уменьшить его:
1. Увеличьте индуктивность и фильтрацию выходного конденсатора.
По формуле импульсного источника питания величина колебаний тока и величина индуктивности индуктивности становятся обратно пропорциональными, а выходные пульсации и выходные конденсаторы обратно пропорциональны. Следовательно, увеличение электрических и выходных конденсаторов может уменьшить пульсации.
На рисунке выше показана форма сигнала тока в дросселе L импульсного источника питания. Его пульсирующий ток △ i можно рассчитать по следующей формуле:
Видно, что увеличение значения L или увеличение частоты переключения может уменьшить колебания тока индуктивности.
Аналогично, соотношение между выходными пульсациями и выходными конденсаторами: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Видно, что увеличение номинала выходного конденсатора может уменьшить пульсации.
Обычный метод заключается в использовании алюминиевых электролитических конденсаторов для выходной емкости для достижения цели большой емкости. Однако электролитические конденсаторы не очень эффективны в подавлении высокочастотных шумов, а ESR относительно велико, поэтому рядом с ним будет подключен керамический конденсатор, чтобы восполнить недостаток алюминиевых электролитических конденсаторов.
При этом при работе блока питания напряжение VIN входной клеммы не меняется, а ток меняется переключателем. В это время входной источник питания не обеспечивает ток, обычно рядом с входной клеммой тока (например, понижающий тип находится рядом с переключателем), и подключает емкость для подачи тока.
После применения этой контрмеры источник питания понижающего переключателя показан на рисунке ниже:
Вышеописанный подход ограничивается уменьшением пульсаций. Из-за ограничения объема индуктивность не будет очень большой; выходной конденсатор в определенной степени увеличивается, и очевидного эффекта на уменьшение пульсаций нет; увеличение частоты переключения приведет к увеличению потерь при переключении. Поэтому, когда требования строгие, этот метод не очень хорош.
Принципы импульсного источника питания можно найти в различных руководствах по проектированию импульсного источника питания.
2. Двухуровневая фильтрация заключается в добавлении LC-фильтров первого уровня.
Тормозящий эффект LC-фильтра на пульсации шума относительно очевиден. В зависимости от частоты пульсаций, которые необходимо устранить, выберите соответствующий индукторный конденсатор для формирования схемы фильтра. Как правило, это может хорошо уменьшить пульсацию. В этом случае нужно учитывать точку выборки напряжения обратной связи. (Как показано ниже)
Точка отбора проб выбирается перед LC-фильтром (PA), и выходное напряжение будет уменьшено. Поскольку любая индуктивность имеет сопротивление постоянному току, при наличии выходного тока произойдет падение напряжения на индуктивности, что приведет к уменьшению выходного напряжения источника питания. И это падение напряжения меняется в зависимости от выходного тока.
Точка выборки выбирается после LC-фильтра (PB), чтобы выходное напряжение было именно тем напряжением, которое нам нужно. Однако внутри энергосистемы вводятся индуктивность и конденсатор, что может вызвать нестабильность системы.
3. После выхода импульсного источника питания подключите LDO-фильтрацию.
Это наиболее эффективный способ уменьшить пульсации и шум. Выходное напряжение постоянно и не требует изменения исходной системы обратной связи, но оно также является наиболее экономичным и потребляет самую высокую мощность.
У любого LDO есть показатель: коэффициент шумоподавления. Это кривая частоты DB, как показано на рисунке ниже, это кривая LT3024 LT3024.
После LDO пульсации переключения обычно ниже 10 мВ. На следующем рисунке показано сравнение пульсаций до и после LDO:
По сравнению с кривой на рисунке выше и формой сигнала слева можно увидеть, что тормозной эффект LDO очень хорош для пульсаций переключения в сотни кГц. Но в диапазоне высоких частот эффект LDO не столь идеален.
Уменьшите пульсации. Монтаж печатной платы импульсного источника питания также имеет решающее значение. Для высокочастотного шума из-за большой частоты высокой частоты, хотя послекаскадная фильтрация имеет определенный эффект, эффект не очевиден. На этот счет существуют специальные исследования. Самый простой подход — подключить диод и емкость C или RC или соединить индуктивность последовательно.
На рисунке выше представлена эквивалентная схема настоящего диода. Когда диод является быстродействующим, необходимо учитывать паразитные параметры. Во время обратного восстановления диода эквивалентная индуктивность и эквивалентная емкость превратились в RC-генератор, генерирующий высокочастотные колебания. Чтобы подавить это высокочастотное колебание, необходимо подключить емкость C или буферную цепь RC на обоих концах диода. Сопротивление обычно составляет 10 Ом-100 Ом, а емкость 4,7PF-2,2NF.
Емкость C или RC на диоде C или RC можно определить повторными испытаниями. Если он выбран неправильно, это вызовет более серьезные колебания.
Время публикации: 08 июля 2023 г.
