Zvlnenie spínacieho výkonu je nevyhnutné. Naším konečným cieľom je znížiť zvlnenie výstupu na prijateľnú úroveň. Najzákladnejším riešením na dosiahnutie tohto cieľa je zabrániť vzniku zvlnenia. V prvom rade a jeho príčina.
Pri prepínaní prepínača prúd v indukčnosti L kolíše hore a dole pri platnej hodnote výstupného prúdu. Preto sa na výstupnom konci objaví zvlnenie s rovnakou frekvenciou ako prepínač. Vlnenie rebra vo všeobecnosti súvisí s kapacitou výstupného kondenzátora a ESR. Frekvencia tohto zvlnenia je rovnaká ako pri spínanom zdroji napájania s rozsahom desiatok až stoviek kHz.
Okrem toho, Switch vo všeobecnosti používa bipolárne tranzistory alebo MOSFETy. Bez ohľadu na to, ktorý z nich je, bude mať čas nárastu a poklesu, keď je zapnutý a mŕtvy. V tomto čase nebude v obvode žiadny šum, ktorý je rovnaký ako čas nárastu a poklesu Switcha alebo niekoľkonásobok času, a zvyčajne je to desiatky MHz. Podobne dióda D je v spätnom zotavení. Ekvivalentný obvod je sériovo zapojený odporový kondenzátor a induktor, čo spôsobí rezonanciu a frekvencia šumu je desiatky MHz. Tieto dva druhy šumu sa vo všeobecnosti nazývajú vysokofrekvenčný šum a ich amplitúda je zvyčajne oveľa väčšia ako zvlnenie.
Ak ide o menič AC/DC, okrem vyššie uvedených dvoch vlnení (šumu) sa vyskytuje aj šum AC. Frekvencia je frekvencia vstupného striedavého napájania, približne 50 – 60 Hz. Existuje aj šum v režime co-mode, pretože napájacie zariadenie mnohých spínaných zdrojov používa plášť ako žiarič, čo vytvára ekvivalentnú kapacitu.
Meranie zvlnenia spínacieho výkonu
Základné požiadavky:
Spojenie s osciloskopom AC
Limit šírky pásma 20 MHz
Odpojte uzemňovací vodič sondy
1. AC väzba slúži na odstránenie superpozičného jednosmerného napätia a získanie presného tvaru vlny.
2. Otvorenie limitu šírky pásma 20 MHz slúži na zabránenie rušenia vysokofrekvenčným šumom a zabránenie chybám. Pretože amplitúda vysokofrekvenčného šumu je veľká, mala by sa pri meraní odstrániť.
3. Odpojte uzemňovací konektor osciloskopickej sondy a na zníženie rušenia použite meranie uzemnenia. Mnoho oddelení nemá uzemňovacie krúžky. Pri posudzovaní, či je sonda kvalifikovaná, však zvážte tento faktor.
Ďalším bodom je použitie svorky 50Ω. Podľa informácií osciloskopu má modul 50Ω odstrániť jednosmernú zložku a presne zmerať striedavú zložku. Existuje však len málo osciloskopov s takýmito špeciálnymi sondami. Vo väčšine prípadov sa používajú sondy od 100kΩ do 10MΩ, čo je dočasne nejasné.
Vyššie uvedené sú základné opatrenia pri meraní zvlnenia spínania. Ak sonda osciloskopu nie je priamo vystavená výstupnému bodu, mala by sa merať pomocou krútených vodičov alebo koaxiálnych káblov s impedanciou 50 Ω.
Pri meraní vysokofrekvenčného šumu je celé pásmo osciloskopu zvyčajne na úrovni stoviek megaHz až GHz. Iné sú rovnaké ako vyššie uvedené. Možno majú rôzne spoločnosti rôzne testovacie metódy. V konečnom dôsledku musíte poznať výsledky testov.
O osciloskope:
Niektoré digitálne osciloskopy nedokážu správne merať zvlnenie kvôli rušeniu a hĺbke úložiska. V takom prípade by sa mal osciloskop vymeniť. Niekedy, aj keď je šírka pásma simulačného osciloskopu len desiatky megapixelov, výkon je lepší ako u digitálneho osciloskopu.
Inhibícia zvlnenia spínacieho výkonu
Vlnky prepínania existujú teoreticky aj skutočne. Existujú tri spôsoby, ako ich potlačiť alebo znížiť:
1. Zvýšte indukčnosť a filtrovanie výstupného kondenzátora
Podľa vzorca pre spínaný zdroj napájania sa veľkosť kolísania prúdu a hodnota indukčnosti stávajú nepriamo úmernými a výstupné vlnenie a výstupné kondenzátory sú nepriamo úmerné. Preto zvýšenie elektrického prúdu a výstupných kondenzátorov môže znížiť vlnenie.
Obrázok vyššie znázorňuje priebeh prúdu v induktore L spínaného zdroja. Jeho zvlnenie prúdu △ i možno vypočítať podľa nasledujúceho vzorca:
Je vidieť, že zvýšenie hodnoty L alebo zvýšenie spínacej frekvencie môže znížiť kolísanie prúdu v indukčnosti.
Podobne aj vzťah medzi zvlnením na výstupe a výstupnými kondenzátormi: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Je zrejmé, že zvýšenie hodnoty výstupného kondenzátora môže znížiť zvlnenie.
Obvyklá metóda je použitie hliníkových elektrolytických kondenzátorov na výstupnú kapacitu na dosiahnutie účelu veľkej kapacity. Elektrolytické kondenzátory však nie sú veľmi účinné pri potlačovaní vysokofrekvenčného šumu a ESR je relatívne vysoké, takže sa vedľa nich pripojí keramický kondenzátor, aby sa kompenzoval nedostatok hliníkových elektrolytických kondenzátorov.
Súčasne, keď je zdroj napájania v prevádzke, napätie VIN na vstupnej svorke sa nemení, ale prúd sa mení s prepínačom. V tomto prípade vstupný zdroj napájania neposkytuje dostatočný prúd, zvyčajne v blízkosti vstupnej svorky prúdu (napríklad typ buck, v blízkosti prepínača) a pripája kapacitu na poskytovanie prúdu.
Po použití tohto protiopatrenia je napájací zdroj s prepínačom Buck znázornený na obrázku nižšie:
Vyššie uvedený prístup je obmedzený na zníženie zvlnenia. Kvôli obmedzeniu objemu nebude indukčnosť veľmi veľká; výstupný kondenzátor sa do určitej miery zvýši a nie je zjavný vplyv na zníženie zvlnenia; zvýšenie spínacej frekvencie zvýši straty spínača. Takže pri prísnych požiadavkách nie je táto metóda veľmi vhodná.
Princípy spínaného napájania nájdete v rôznych manuáloch pre návrh spínaného napájania.
2. Dvojúrovňové filtrovanie slúži na pridanie LC filtrov prvej úrovne
Inhibičný účinok LC filtra na zvlnenie šumu je pomerne zrejmý. Podľa frekvencie zvlnenia, ktorú je potrebné odstrániť, vyberte vhodnú cievku/kondenzátor na vytvorenie filtračného obvodu. Vo všeobecnosti to dokáže zvlnenie dobre znížiť. V tomto prípade je potrebné zvážiť bod odberu vzoriek spätnoväzobného napätia. (Ako je znázornené nižšie)
Vzorkovací bod sa vyberie pred LC filtrom (PA) a výstupné napätie sa zníži. Pretože každá indukčnosť má jednosmerný odpor, pri prúdovom výstupe dôjde k poklesu napätia v indukčnosti, čo má za následok pokles výstupného napätia napájacieho zdroja. A tento pokles napätia sa mení s výstupným prúdom.
Vzorkovací bod sa vyberie za LC filtrom (PB), aby výstupné napätie bolo požadované. V napájacom systéme sa však nachádza indukčnosť a kondenzátor, čo môže spôsobiť nestabilitu systému.
3. Za výstupom spínaného zdroja pripojte LDO filtrovanie
Toto je najefektívnejší spôsob, ako znížiť vlnenie a šum. Výstupné napätie je konštantné a nevyžaduje zmenu pôvodného systému spätnej väzby, ale je to tiež najefektívnejší spôsob z hľadiska nákladov a najvyššej spotreby energie.
Každý LDO má indikátor: pomer potlačenia šumu. Je to krivka frekvencia-DB, ako je znázornené na obrázku nižšie a je to krivka pre LT3024.
Po LDO je zvlnenie prepínania zvyčajne pod 10 mV. Nasledujúci obrázok zobrazuje porovnanie zvlnenia pred a po LDO:
V porovnaní s krivkou na obrázku vyššie a priebehom vľavo je vidieť, že inhibičný účinok LDO je veľmi dobrý pre spínacie vlny v stovkách kHz. Avšak vo vysokofrekvenčnom rozsahu nie je účinok LDO taký ideálny.
Zníženie zvlnenia. Zapojenie DPS spínaného zdroja je tiež kritické. Pri vysokofrekvenčnom šume, vzhľadom na vysokú frekvenciu vysokých frekvencií, hoci má filtrovanie po fáze určitý účinok, nie je tento účinok zrejmý. V tomto smere existujú špeciálne štúdie. Jednoduchý prístup je zapojiť diódu a kapacitu C alebo RC, alebo zapojiť indukčnosť do série.
Vyššie uvedený obrázok znázorňuje ekvivalentný obvod skutočnej diódy. Pri vysokorýchlostnom chode diódy je potrebné zvážiť parazitné parametre. Počas spätného chodu diódy sa ekvivalentná indukčnosť a ekvivalentná kapacita stávajú RC oscilátorom, ktorý generuje vysokofrekvenčné kmitanie. Na potlačenie tohto vysokofrekvenčného kmitania je potrebné na oba konce diódy pripojiť kapacitu C alebo RC vyrovnávaciu sieť. Odpor je zvyčajne 10Ω až 100 ω a kapacita je 4,7PF až 2,2NF.
Kapacitancia C alebo RC na dióde C alebo RC sa dá určiť opakovanými testami. Ak nie je zvolená správne, spôsobí to silnejšie kmitanie.
Čas uverejnenia: 8. júla 2023
