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 цепи 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.Существует также коммодовый шум, поскольку в силовом устройстве многих импульсных источников питания в качестве радиатора используется оболочка, которая создает эквивалентную емкость.
Измерение пульсаций коммутируемой мощности
Базовые 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 симуляционного осциллографа составляет всего 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.
Согласно 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 для подавления 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 нет очевидного эффекта на уменьшение пульсаций;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 высоких частот, 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.