Zvlnění spínacího výkonu je nevyhnutelné. Naším konečným cílem je snížit zvlnění výstupu na přijatelnou úroveň. Nejzákladnějším řešením k dosažení tohoto cíle je zabránit vzniku zvlnění. V první řadě a jeho příčina.
Při přepínání přepínače proud v indukčnosti L kolísá nahoru a dolů na platné hodnotě výstupního proudu. Proto se na výstupním konci objeví zvlnění se stejnou frekvencí jako přepínač. Zvlnění žebra obecně odkazuje na to, co souvisí s kapacitou výstupního kondenzátoru a ESR. Frekvence tohoto zvlnění je stejná jako u spínaného zdroje napájení a pohybuje se v řádu desítek až stovek kHz.
Kromě toho, Switch obecně používá bipolární tranzistory nebo MOSFETy. Bez ohledu na to, který z nich je, bude mít v zapnutém a neaktivním stavu dobu náběhu a poklesu. V tomto okamžiku nebude v obvodu žádný šum, doba náběhu je stejná jako doba náběhu a poklesu Switche nebo několikrát větší a obvykle je to desítky MHz. Podobně dioda D je v reverzní regeneraci. Ekvivalentní obvod je série odporových kondenzátorů a induktorů, které způsobují rezonanci a frekvence šumu je desítky MHz. Tyto dva druhy šumu se obecně nazývají vysokofrekvenční šum a jejich amplituda je obvykle mnohem větší než zvlnění.
Pokud se jedná o měnič AC/DC, kromě výše uvedených dvou vlnění (šumu) se vyskytuje také šum střídavého proudu. Frekvence je stejná jako frekvence vstupního střídavého napájení, přibližně 50-60 Hz. Existuje také šum v komodulu, protože napájecí zařízení mnoha spínaných zdrojů používá plášť jako zářič, což vytváří ekvivalentní kapacitu.
Měření zvlnění spínacího výkonu
Základní požadavky:
Propojení s osciloskopem AC
Limit šířky pásma 20 MHz
Odpojte zemnící vodič sondy
1. AC vazba slouží k odstranění superpozice stejnosměrného napětí a získání přesného tvaru vlny.
2. Omezení šířky pásma nad 20 MHz slouží k zabránění rušení vysokofrekvenčním šumem a chybám. Vzhledem k velké amplitudě vysokofrekvenčního šumu by se měl při měření tento šum odstranit.
3. Odpojte zemnící svorku osciloskopické sondy a použijte měření uzemnění ke snížení rušení. Mnoho oddělení nemá zemnící kroužky. Při posuzování, zda je sonda způsobilá, však zvažte tento faktor.
Dalším bodem je použití svorky 50Ω. Podle informací osciloskopu má modul 50Ω odstranit stejnosměrnou složku a přesně měřit střídavou složku. Existuje však jen málo osciloskopů s takovými speciálními sondami. Ve většině případů se používají sondy od 100 kΩ do 10 MΩ, což je dočasně nejasné.
Výše uvedené jsou základní opatření při měření zvlnění spínání. Pokud není sonda osciloskopu přímo vystavena výstupnímu bodu, měla by být měřena kroucenými vodiči nebo koaxiálními kabely 50Ω.
Při měření vysokofrekvenčního šumu je celé pásmo osciloskopu obecně na úrovni stovek megaHz až GHz. Jiné jsou stejné jako výše uvedené. Různé společnosti mohou mít různé testovací metody. V konečném důsledku musíte znát výsledky testů.
O osciloskopu:
Některé digitální osciloskopy nemohou správně měřit zvlnění kvůli rušení a hloubce úložiště. V takovém případě je nutné osciloskop vyměnit. Někdy je výkon starého simulačního osciloskopu, i když je jeho šířka pásma jen desítky megapixelů, lepší než u digitálního osciloskopu.
Inhibice zvlnění spínacího výkonu
Vlnění přepínání teoreticky i reálně existuje. Existují tři způsoby, jak ho potlačit nebo omezit:
1. Zvyšte indukčnost a filtraci výstupního kondenzátoru
Podle vzorce pro spínaný zdroj napájení se velikost kolísání proudu a hodnota indukčnosti stávají nepřímo úměrnými a výstupní vlnění a výstupní kondenzátory jsou nepřímo úměrné. Proto zvýšení elektrického proudu a výstupních kondenzátorů může vlnění snížit.
Obrázek výše znázorňuje průběh proudu v induktoru L spínaného napájecího zdroje. Jeho zvlnění proudu △ i lze vypočítat podle následujícího vzorce:
Je vidět, že zvýšení hodnoty L nebo zvýšení spínací frekvence může snížit kolísání proudu v indukčnosti.
Podobně platí vztah mezi zvlněním na výstupu a výstupními kondenzátory: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Je vidět, že zvýšení hodnoty výstupního kondenzátoru může zvlnění snížit.
Obvyklá metoda spočívá v použití hliníkových elektrolytických kondenzátorů pro výstupní kapacitu, aby se dosáhlo velké kapacity. Elektrolytické kondenzátory však nejsou příliš účinné při potlačování vysokofrekvenčního šumu a ESR je relativně vysoké, proto se vedle nich připojuje keramický kondenzátor, aby se kompenzoval nedostatek hliníkových elektrolytických kondenzátorů.
Současně, když je napájecí zdroj v provozu, napětí VIN na vstupní svorce se nemění, ale proud se mění s přepínačem. V tomto okamžiku vstupní napájecí zdroj neposkytuje dostatečný proud, obvykle v blízkosti proudové vstupní svorky (například u typu buck, v blízkosti přepínače), a připojuje kapacitu pro dodávku proudu.
Po aplikaci tohoto protiopatření je napájecí zdroj Buck znázorněn na obrázku níže:
Výše uvedený přístup je omezen na snížení zvlnění. Vzhledem k omezení objemu nebude indukčnost příliš velká; výstupní kondenzátor se do určité míry zvýší a není patrný žádný vliv na snížení zvlnění; zvýšení spínací frekvence zvýší ztráty spínače. Takže při přísných požadavcích není tato metoda příliš vhodná.
Principy spínaného napájení naleznete v různých manuálech pro návrh spínaných zdrojů.
2. Dvouúrovňová filtrace slouží k přidání LC filtrů první úrovně
Inhibiční účinek LC filtru na zvlnění šumu je poměrně zřejmý. V závislosti na frekvenci zvlnění, kterou je třeba odstranit, vyberte vhodnou cívku/kondenzátor pro vytvoření filtračního obvodu. Obecně lze zvlnění dobře omezit. V tomto případě je třeba zvážit bod odběru zpětnovazebního napětí. (Jak je znázorněno níže)
Vzorkovací bod je vybrán před LC filtrem (PA) a výstupní napětí se sníží. Protože každá indukčnost má stejnosměrný odpor, při proudovém výstupu dojde k úbytku napětí v indukčnosti, což má za následek pokles výstupního napětí napájecího zdroje. A tento úbytek napětí se mění s výstupním proudem.
Vzorkovací bod je vybrán za LC filtrem (PB), aby výstupní napětí odpovídalo požadovanému napětí. Do napájecího systému je však zavedena indukčnost a kondenzátor, což může způsobit nestabilitu systému.
3. Za výstupem spínaného zdroje připojte LDO filtr.
Toto je nejúčinnější způsob, jak snížit zvlnění a šum. Výstupní napětí je konstantní a nevyžaduje změnu původního systému zpětné vazby, ale je také nejefektivnější z hlediska nákladů a s nejvyšší spotřebou energie.
Každý LDO má indikátor: potlačení šumu. Jedná se o křivku frekvence-DB, jak je znázorněno na obrázku níže a je to křivka pro LT3024.
Po LDO je zvlnění přepínání obvykle pod 10 mV. Následující obrázek je srovnáním zvlnění před a po LDO:
Ve srovnání s křivkou na obrázku výše a průběhem signálu vlevo je vidět, že inhibiční účinek LDO je velmi dobrý pro spínací vlnění v řádu stovek kHz. V rozsahu vysokých frekvencí však účinek LDO není tak ideální.
Snížení zvlnění. Zapojení desky plošných spojů spínaného zdroje je také důležité. U vysokofrekvenčního šumu, vzhledem k vysoké frekvenci vysoké frekvence, sice má filtrování za stupněm určitý vliv, ale tento vliv není zřejmý. V tomto ohledu existují speciální studie. Jednoduchý přístup spočívá v zapojování diody a kapacity C nebo RC, nebo v sériovém zapojení indukčnosti.
Výše uvedený obrázek znázorňuje ekvivalentní obvod skutečné diody. Pokud je dioda vysokorychlostní, je třeba vzít v úvahu parazitní parametry. Během zpětného chodu diody se ekvivalentní indukčnost a ekvivalentní kapacita stávají RC oscilátorem, který generuje vysokofrekvenční kmitání. Pro potlačení tohoto vysokofrekvenčního kmitání je nutné na oba konce diody připojit kapacitu C nebo RC vyrovnávací síť. Odpor je obvykle 10Ω až 100 ω a kapacita je 4,7PF až 2,2NF.
Kapacitu C nebo RC na diodě C nebo RC lze určit opakovanými testy. Pokud není správně zvolena, způsobí silnější kmitání.
Čas zveřejnění: 8. července 2023
