Пульсации при коммутации неизбежны. Наша конечная цель — снизить пульсации на выходе до приемлемого уровня. Наиболее фундаментальное решение для достижения этой цели — исключить возникновение пульсаций. Прежде всего, нужно определить причину.
При переключении SWITCH ток в индуктивности L также колеблется вверх и вниз в соответствии с допустимым значением выходного тока. Следовательно, на выходе также будут пульсации с той же частотой, что и у Switch. Как правило, пульсации напряжения относятся к этому, что связано с ёмкостью выходного конденсатора и эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Частота этих пульсаций такая же, как у импульсного источника питания, и находится в диапазоне от десятков до сотен кГц.
Кроме того, в коммутаторе обычно используются биполярные транзисторы или полевые МОП-транзисторы (MOSFET). Независимо от того, какой из них используется, в его включенном и выключенном состоянии будет наблюдаться время нарастания и спада. В это время в схеме не будет шума, который будет равен времени нарастания, времени нарастания и спада коммутатора, или в несколько раз больше, и обычно составляет десятки МГц. Аналогично, диод D находится в состоянии обратного восстановления. Эквивалентная схема представляет собой последовательное соединение резистивных конденсаторов и индуктивностей, что приводит к резонансу, а частота шума составляет десятки МГц. Эти два вида шума обычно называются высокочастотными шумами, и их амплитуда обычно значительно превышает амплитуду пульсаций.
В случае AC/DC-преобразователя, помимо двух вышеупомянутых пульсаций (шума), присутствует также шум переменного тока. Частота соответствует частоте входного переменного тока, около 50-60 Гц. Также присутствует синфазный шум, поскольку силовая часть многих импульсных источников питания использует корпус в качестве радиатора, что создаёт эквивалентную ёмкость.
Измерение пульсаций коммутируемой мощности
Основные требования:
Связь с осциллографом переменного тока
Ограничение полосы пропускания 20 МГц
Отсоедините заземляющий провод зонда.
1. Связь по переменному току предназначена для устранения наложения постоянного напряжения и получения точной формы сигнала.
2. Расширение полосы пропускания до 20 МГц необходимо для предотвращения помех со стороны высокочастотных шумов и предотвращения ошибок. Поскольку амплитуда высокочастотных составляющих велика, их следует исключить при измерении.
3. Отсоедините зажим заземления щупа осциллографа и используйте измерение сопротивления заземления для снижения помех. Во многих отделениях заземляющие кольца отсутствуют. Однако учитывайте этот фактор при оценке пригодности прибора.
Ещё один момент — использование клеммы 50 Ом. Согласно информации о осциллографе, модуль 50 Ом предназначен для удаления постоянной составляющей и точного измерения переменной. Однако осциллографов с такими специальными щупами мало. В большинстве случаев используются щупы от 100 кОм до 10 МОм, что пока неясно.
Выше приведены основные меры предосторожности при измерении пульсаций переключения. Если щуп осциллографа не подключен непосредственно к выходу, измерение следует проводить с помощью витых пар или коаксиальных кабелей сопротивлением 50 Ом.
При измерении высокочастотного шума полная полоса пропускания осциллографа обычно составляет от сотен мегагерц до гигагерц. Другие параметры аналогичны указанным выше. Возможно, у разных компаний разные методы испытаний. В конечном счёте, вам необходимо знать результаты своих испытаний.
Об осциллографе:
Некоторые цифровые осциллографы не могут корректно измерять пульсации из-за помех и глубины памяти. В этом случае осциллограф следует заменить. Иногда, несмотря на то, что полоса пропускания старого имитационного осциллографа составляет всего несколько десятков мегабит, его характеристики превосходят характеристики цифрового осциллографа.
Подавление пульсаций коммутационной мощности
Пульсации при коммутации существуют теоретически и фактически. Существует три способа их подавления или уменьшения:
1. Увеличьте индуктивность и фильтрацию выходного конденсатора.
Согласно формуле импульсного источника питания, величина флуктуации тока и величина индуктивности индуктивного сопротивления обратно пропорциональны, а пульсации выходного напряжения и ёмкость выходных конденсаторов также обратно пропорциональны. Следовательно, увеличение электрических и выходных конденсаторов может снизить пульсации.
На рисунке выше показана форма тока в катушке индуктивности L импульсного источника питания. Ее пульсирующий ток △ i можно рассчитать по следующей формуле:
Видно, что увеличение значения L или увеличение частоты переключения может уменьшить колебания тока в индуктивности.
Аналогично, зависимость между выходными пульсациями и ёмкостью выходных конденсаторов: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Видно, что увеличение ёмкости выходного конденсатора может снизить пульсации.
Обычный метод заключается в использовании алюминиевых электролитических конденсаторов для обеспечения большой выходной ёмкости. Однако электролитические конденсаторы не очень эффективны в подавлении высокочастотных помех, а их эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) относительно велико, поэтому для компенсации недостатка алюминиевых электролитических конденсаторов рядом с ними подключают керамический конденсатор.
В то же время, при работе источника питания напряжение VIN на входном выводе остаётся неизменным, но ток изменяется вместе с переключением. В этом случае источник питания не обеспечивает токовую яму, обычно находящуюся вблизи токового входа (например, в случае понижающего преобразователя, он находится вблизи переключателя), и подключает ёмкость для обеспечения тока.
После применения этой контрмеры блок питания с понижающим импульсным преобразователем показан на рисунке ниже:
Описанный выше подход ограничивается снижением пульсаций. Из-за ограничения по объёму индуктивность будет невелика; выходной конденсатор увеличивается до определённой степени, и очевидного влияния на снижение пульсаций не наблюдается; увеличение частоты коммутации приводит к увеличению потерь в коммутации. Поэтому при строгих требованиях этот метод не очень хорош.
О принципах работы импульсных источников питания можно узнать из руководств по проектированию различных типов импульсных источников питания.
2. Двухуровневая фильтрация заключается в добавлении LC-фильтров первого уровня.
Подавляющее влияние LC-фильтра на пульсации шума довольно очевидно. В зависимости от частоты пульсаций, которые необходимо устранить, выберите подходящий индуктивный конденсатор для формирования схемы фильтра. Как правило, он хорошо подавляет пульсации. В этом случае необходимо учитывать точку дискретизации напряжения обратной связи (как показано ниже).
Точка выборки выбирается перед LC-фильтром (PA), и выходное напряжение уменьшается. Поскольку любая индуктивность имеет сопротивление постоянному току, при наличии выходного тока на индуктивности возникает падение напряжения, что приводит к снижению выходного напряжения источника питания. Это падение напряжения изменяется вместе с выходным током.
Точка выборки выбирается после LC-фильтра (PB), чтобы обеспечить желаемое выходное напряжение. Однако в систему питания вносятся индуктивность и конденсатор, что может привести к нестабильности системы.
3. После выхода импульсного источника питания подключите LDO-фильтр.
Это наиболее эффективный способ снижения пульсаций и шума. Выходное напряжение постоянно и не требует изменения исходной системы обратной связи, но при этом он наиболее экономичен и потребляет наибольшее количество энергии.
У любого LDO-стабилизатора есть показатель: коэффициент подавления шума. Это зависимость частоты от дБ, как показано на рисунке ниже, это кривая LT3024.
После LDO пульсации переключения обычно ниже 10 мВ. На следующем рисунке представлено сравнение пульсаций до и после LDO:
Сравнивая кривую на рисунке выше и форму сигнала слева, можно увидеть, что ингибирующий эффект LDO очень хорош для пульсаций переключения в сотни килогерц. Однако в диапазоне высоких частот эффект LDO не столь идеален.
Уменьшение пульсаций. Разводка печатной платы импульсного источника питания также имеет решающее значение. Что касается высокочастотных шумов, то, учитывая их большую частоту, фильтрация после каскада, хотя и оказывает определённый эффект, эффект неочевиден. Существуют специальные исследования на эту тему. Простейший подход заключается в использовании диода и ёмкости C или RC, либо в последовательном подключении индуктивности.
На рисунке выше представлена эквивалентная схема диода. Если диод высокоскоростной, необходимо учитывать паразитные параметры. При обратном восстановлении диода эквивалентная индуктивность и эквивалентная емкость образуют RC-генератор, генерирующий высокочастотные колебания. Для подавления этих высокочастотных колебаний необходимо подключить к обоим концам диода емкость C или буферную RC-цепочку. Сопротивление обычно составляет 10 Ом – 100 Ом, а емкость – 4,7 пф – 2,2 нф.
Ёмкость C или RC диода C или RC можно определить путём повторных испытаний. Неправильный выбор ёмкости приведёт к усилению колебаний.
Время публикации: 08 июля 2023 г.
