Что такое пульсации источника питания

Обновлено: 21.11.2024

Двумя наиболее распространенными характеристиками при оценке источника питания являются пульсации и переходные процессы. Хотя они могут показаться простыми измерениями, есть два важных аспекта, которые следует учитывать для получения правильных данных. Первый — это метод измерения при использовании пробника осциллографа, а второй — особые условия, при которых задаются эти данные.

Правильные методы измерения с использованием щупа осциллографа

Прежде чем пытаться измерить пульсации или переходные процессы, следует обсудить некоторые общие сведения о зондировании с помощью осциллографа. Поскольку величина интересующего сигнала, как правило, измеряется в милливольтах, любой внутренний сигнал, который усиливается, или внешний сигнал, который принимается, может легко затенить или исказить сигнал и привести к неверным результатам. Чрезвычайно важно смягчить это с помощью надлежащих методов зондового измерения.

Самое важное, что может сделать тестер для обеспечения качественных измерений, – это свести к минимуму контур заземления, создаваемый пробником. Петля, создаваемая обратным трактом пробника, вызывает индуктивность, которая может усиливать внутренний шум и улавливать внешний шум. Датчики обычно поставляются с заземляющим зажимом типа «крокодил», подобным показанному на изображении ниже. Несмотря на простоту подключения, эти зажимы заземления приводят к большим петлям заземления, которые не рекомендуются для этих измерений. Вместо этого есть два распространенных и предпочтительных метода создания небольшого контура заземления: метод "наконечник и корпус" и метод "скрепки".

Большая петля заземления из-за длинного зажима заземления

Метод наконечника и цилиндра удаляет почвенный покров и зажим зонда, оставляя наконечник и ствол зонда открытыми. Затем на кончик пробника подается выходное напряжение, а цилиндр наклоняют так, чтобы он соприкасался с землей в точке, очень близкой к наконечнику. Недостаток этого метода заключается в том, что доступные точки зонда или точки, к которым можно применить и наконечник, и цилиндр, могут быть не идеальными и/или находиться на расстоянии от любого выходного конденсатора. В идеале пробник должен располагаться как можно ближе к выходному конденсатору.

Идеальный вариант для метода "наконечник и бочонок"

С другой стороны, метод скрепки использует метод наконечника и ствола и добавляет к стволу небольшой виток проволоки с коротким проводом. Это создает на зонде наконечник, похожий на пинцет, что обеспечивает более гибкое расположение зонда при сохранении небольшой площади петли.

Идеальная установка для метода скрепки

Хотя это не единственные методы получения хорошего сигнала, следует приложить усилия, чтобы контур заземления был как можно меньше, независимо от выбранного метода. Для получения дополнительной информации посмотрите наше видео, демонстрирующее эти методы зондирования.

Пульсация и шум

Пульсации — это неотъемлемая переменная составляющая выходного напряжения, вызванная внутренним переключением источника питания. Шум — это проявление паразитных помех в источнике питания, которые проявляются в виде высокочастотных всплесков напряжения на выходном напряжении. В спецификациях указано максимальное размах отклонения выходного напряжения, вызванное пульсациями и шумом. Как обсуждалось выше, важно использовать хорошие методы измерения, чтобы гарантировать, что измерение точно отражает пульсации и шум источника питания.

При тестировании пульсаций и шума необходимо помнить о нескольких условиях. Во-первых, нагрузка оказывает значительное влияние на пульсации, поэтому важно, чтобы измерение проводилось при тех же условиях нагрузки, как правило, при полной нагрузке, как указано в техническом описании. Входное напряжение также влияет на пульсации, и тест следует проводить при всех интересующих входных напряжениях. В дополнение к электрическим параметрам многие производители указывают некоторые внешние конденсаторы (обычно это электролитические порядка 10 мкФ и керамические 0,1 мкФ), которые подключаются к выходу источника питания для целей измерения. . Щуп должен располагаться рядом с этими конденсаторами. Наконец, для этого измерения обычно указывается ограничение полосы пропускания канала осциллографа в 20 МГц.

Как правило, для выполнения этого теста требуется только один щуп осциллографа, при этом щуп должен быть подключен к выходному конденсатору или указанному внешнему конденсатору с использованием описанных выше методов измерения щупа.

Пример плохого и хорошего измерения зонда: измерение большой пульсации и шума контура заземления (слева) и метод "скрепки" (справа)

Переходный отклик

Переходная характеристика — это величина, на которую выходное напряжение может отклоняться из-за изменения нагрузки. При изменении нагрузки источник питания не может сразу отреагировать на новые условия и либо имеет слишком много запасенной энергии, либо ее недостаточно. За избыток энергии или недостаток энергии будут отвечать выходные конденсаторы.Они либо расходуют свой заряд, чтобы поддерживать нагрузку, вызывая снижение напряжения, либо накапливают избыточную энергию, вызывая увеличение напряжения. В течение нескольких циклов переключения источник питания адаптируется к накоплению только той энергии, которая необходима нагрузке, а выходное напряжение вернется к своему номинальному значению. При измерении переходной характеристики представляет интерес степень отклонения выходного напряжения от номинального значения, время, необходимое для восстановления, или время, в течение которого напряжение выходит за указанные пределы регулирования.

В отличие от пульсаций и шума, условия которых ограничены нагрузкой и входным напряжением, переходная характеристика имеет несколько дополнительных условий, которые могут повлиять на ее измерение. Важными условиями, которые следует отметить, являются скорость нарастания приложенного шага нагрузки, начальный ток и конечный ток. Скорость нарастания оказывает большое влияние на переходную характеристику, потому что чем быстрее изменяется нагрузка, тем больше будет отклоняться выходной сигнал, прежде чем источник питания сможет отреагировать на изменяющиеся условия. Начальный и конечный текущие уровни также могут иметь значение. Источники питания часто ведут себя по-разному при малых нагрузках, и переходный процесс, который проходит между этими областями, может привести к тому, что источник питания будет реагировать иначе, чем если бы переходный процесс возник в одной области. Начальный и конечный токи вместе со скоростью нарастания также определяют время изменения тока и должны соответствовать заданным условиям.

Чтобы измерить переходную характеристику, пользователю потребуются два канала осциллографа. Первый щуп должен располагаться на выходе источника питания рядом с выходными контактами или точкой регулирования. Измерение выходного напряжения вдали от точки регулирования вызовет смещение постоянного тока между двумя состояниями нагрузки, вызванное падением напряжения в выходном кабеле. Второй датчик должен иметь ток или сигнал, синхронный с переходным изменением нагрузки. Этот пробник будет использоваться в качестве триггера, чтобы можно было четко увидеть результирующее отклонение выходного напряжения.

Измерение переходной характеристики с выходным напряжением (вверху) и нагрузкой (внизу)

Заключение

Пульсации и переходные процессы являются обычной частью оценки источника питания. При измерении этих характеристик с помощью осциллографа важно, чтобы площадь контура пробника была минимальной, чтобы избежать искажения исследуемых сигналов. В дополнение к надлежащим методам измерения зонда, условия, при которых в таблице данных указаны эти измерения, также должны быть известны и соблюдаться, чтобы любое сравнение было достоверным.

Производительность импульсного преобразователя может значительно снизиться, если на выходной сигнал влияют пульсации. Его присутствие хорошо заметно в спектрометре. Уменьшение выходных пульсаций и переходных процессов при переключении жизненно важно для всех приложений. Давайте посмотрим, как заметить и измерить любую волну, присутствующую в выходном напряжении постоянного тока.

Введение

Измерение выходных пульсаций в импульсных стабилизаторах является важной и деликатной операцией по многим причинам. Измерение этого нежелательного сигнала требует большой осторожности, так как легко получить ошибочные показания. Пульсация — это нежелательный сигнал, который присутствует на выходе импульсного регулятора. Это зависит от качества самого регулятора и характеристик используемых внешних компонентов.

Пульсация — это остаточная величина переменного напряжения на выходе переменного тока, и ее частота зависит от коммутации цепи. Его основная частота совпадает с частотой переключения. Важным параметром, определяющим его, является коэффициент пульсаций, который эквивалентен отношению между среднеквадратичным значением составляющей переменного тока на выходе и средним значением выпрямленного выхода (см. формулу 1). Оно всегда меньше единицы.

Формула 1: коэффициент пульсации

Часто бывает трудно точно измерить. У инженеров могут возникнуть трудности с проведением точных измерений с помощью осциллографа. Сумма источников ошибок должна составлять всего несколько мВ. Но для других, более важных приложений, таких как медицинские приложения, ограничения еще меньше.

Измерение пульсаций с помощью осциллографа

Осциллограф измеряет пульсации (см. рис. 1). На высоких уровнях этот выбор не самый лучший. Кабели, ведущие к наконечникам осциллографа, образуют петлю. Пробник и заземляющие проводники создают паразитную индуктивность, которая отрицательно влияет на измеряемый сигнал. Проблема усугубляется, когда измеренная частота выше. Для этого анализа, для некоторых типов измерений, включая измерение пульсаций, необходимо использовать очень короткие кабели и очень качественные датчики. Осциллограф тоже должен выполнять свою роль и быть отличного качества.Он должен иметь хорошую чувствительность, отличное соотношение сигнал/шум, высокое разрешение и достаточную полосу пропускания. Низкокачественные зонды не вознаграждаются. Осциллографы низкого уровня имеют высокий фоновый шум при использовании с высоким входным сопротивлением. Если пульсация минимальна, ее визуализация крайне неудобна и сложна. Необходимо устранить постоянную составляющую полученного сигнала и увеличить слабый переменный сигнал для измерения пульсаций, наложенных на постоянное напряжение питания. По этой причине вход переменного тока развязан конденсатором емкостью C, включенным последовательно с кабелем, что создает простой фильтр верхних частот, характеризующийся постоянной времени:

t = 2 x Z x C

Как видно из рисунка, несмотря на то, что выходной сигнал напряжением около 17 В является постоянным током, на него влияет нежелательная переменная составляющая. Иногда бывает полезно усилить переменную составляющую после блокировки постоянной через конденсатор.

Рисунок 1. Пульсации сигнала постоянного тока

Измерение пульсаций с помощью тестера

Напряжение пульсаций — это небольшое напряжение переменного тока, которое превышает смещение постоянного тока. Его также можно измерить с помощью цифрового мультиметра, даже если операция неудобная, неточная и сложная. Для этого подключаются щупы цифрового мультиметра и выход регулятора. Красный подключается к положительной клемме, а черный к отрицательной. Выберите режим «Напряжение переменного тока», повернув ручку тестера. Измеритель будет измерять только переменную составляющую сигнала, пульсирующее напряжение, если оно присутствует. На дисплее отображается измеренное значение амплитуды пульсаций напряжения. Если он показывает значение 0,00 мВ, это означает, что, скорее всего, пульсации отсутствуют. Чтобы правильно охарактеризовать напряжение пульсаций, необходимо измерить его частоту. Обратите внимание на тип переменного напряжения, которое измеряет тестер. Это может быть эффективное значение, среднее значение, размах или другое значение. Кроме того, в большинстве случаев форма волны пульсаций не является синусоидальной, но всегда необходимо проверять тип измерения мультиметра. На простой схеме подключения, показанной на рис. 2, показан очень простой источник питания переменного/постоянного тока. Компоненты настроены так, чтобы обеспечить выходной сигнал постоянного тока, на который влияет пульсирующий шум.

Рисунок 2. Оценка пульсаций с помощью мультиметра

Наблюдение за звуковым спектром

Один из методов проверки наличия пульсаций включает в себя определение звукового спектра выходного сигнала, как показано на рис. 3. Идеальный сигнал, очень чистый и свободный от волнистости, должен возвращать черный экран. С другой стороны, то, что на рисунке, относится к напряжению, создаваемому предыдущей схемой подключения, на которое также влияют волнообразные колебания и помехи на линии электропередачи. Имеются пульсирующие сигналы и связанные с ними гармоники (50 Гц, 100 Гц, 150 Гц и т. д.). На спектрограмме также присутствуют пики различной природы, часто присутствующие в линии питания.

Рисунок 3: Спектрограмма сигнала постоянного тока с пульсациями

Звук и звуковое ПО

Для высоких уровней пульсаций можно использовать менее распространенные методы измерения. Одним из них является подключение выхода нашего блока питания или преобразователя ко входу звуковой карты и оцифровка сигнала, поступающего от преобразователя, с помощью программного обеспечения для анализа звука, такого как, например, Audacity. При приличном усилении переменного сигнала различимы даже очень низкие уровни пульсаций. На рис. 4 показана складка, созданная предыдущей схемой подключения, и соответствующая спектрограмма, которая подчеркивает наличие волны на частоте 50 Гц и ее гармоник. Если пульсация имеет низкую частоту, она может прорваться через громкоговоритель.

Рисунок 4. Пульсации на выходе

Оценка пульсаций в понижающем регуляторе

Для правильного расчета нельзя пренебрегать пульсациями тока дросселя, протекающего в основном через конденсатор С (см. рис. 5). Прилив на индукторе содержит прямую составляющую, которая также проходит через нагрузку, и небольшую пульсацию.Постоянный ток протекает только через сопротивление нагрузки, и конденсатор блокирует этот постоянный ток. Морщина разделяется между конденсатором и сопротивлением нагрузки. По этой причине емкость должна быть достаточно большой, чтобы ее импеданс на частоте коммутации был значительно ниже импеданса нагрузки (как минимум в десять раз меньше). Конденсатор действует как фильтр, так что большая часть пульсаций дросселя проходит через него. Форма тока на конденсаторе такая же, с катушкой индуктивности, без нагрузки. Катушка индуктивности и конденсатор являются реактивными компонентами, влияющими на пульсации. Значения индуктора должны быть тщательно проанализированы. Конденсатор с низким ESR минимизирует пульсации. Но по мере увеличения его мощности растут стоимость и размер преобразователя. Иногда полезно использовать анализатор спектра, потому что волнистость может проявляться и через ее верхние гармоники.

Рисунок 5. Пульсации в понижающем регуляторе

Оценка пульсаций в повышающем регуляторе

В повышающем регуляторе процент пульсаций на выходе может варьироваться в зависимости от многих факторов, таких как:

• качество электронных компонентов,
• поглощение и тип нагрузки,
• емкость сглаживающих и фильтрующих конденсаторов,
• номинал дросселя
• мощность частота переключения

На рис. 6 показан простой повышающий регулятор, изготовленный на микросхеме Analog LTC1872. Несколько других внешних электронных компонентов достаточны для создания пригодного для использования преобразователя.

Рисунок 6: Повышающий регулятор с LTC1872 компании Analog

На рисунке 7 показаны два разных сигнала пульсаций, в зависимости от того, какой конденсатор фильтра используется: 44 мкФ или 100 мкФ.

Рисунок 7. Пульсации также зависят от емкости фильтрующего конденсатора

Выводы

Пульсации почти всегда присутствуют в блоках питания и преобразователях, особенно бюджетных. При измерении с помощью осциллографа очень важно минимизировать площадь контура пробника, чтобы избежать искажения сигнала. Условия работы схемы также должны быть соблюдены, согласно официальной документации устройства. Импеданс измерительных приборов также должен составлять около 50 Ом вместе с кабелями и пробниками, которые должны соответствовать тому же импедансу, чтобы обеспечить ровную характеристику и единичное усиление.

Силовая электроника играет все более важную роль на различных рынках, таких как автомобильный, промышленный и потребительский. Это также технология, позволяющая реализовать широкий спектр новых и улучшенных функций, повышающих производительность, безопасность и функциональность автомобилей и интеллектуальных сетей. Сложные электрические и тепловые требования сильно влияют на проектирование силовых электронных систем. Новости силовой электроники будут посвящены таким основным темам, как силовой преобразователь, управление движением, полупроводники и терморегулирование. Электронная книга Power Electronics News представляет собой интерактивный подход к информированию о новейших технологиях, тенденциях и инновациях продуктов на определенных рынках.

Причины пульсаций напряжения: шум источника питания и переходные процессы в сети PDN

Если вы проверяете стабильность напряжения источника питания с помощью осциллографа, вы всегда обнаружите шум во временной и частотной областях. При проектировании печатной платы вашей целью является выявление различных источников шума и принятие мер по их уменьшению.

Простые шаги, такие как конденсаторы фильтрации и развязки, подходят для определенных источников шума, но они не обеспечат достаточную развязку при работе с очень быстрыми цифровыми сигналами (время нарастания менее ~1 нс, по словам Рика Хартли). В рамках проектирования печатных плат, особенно анализа целостности сигнала и целостности питания, понимание того, как различные источники шума проявляются в частотной и временной областях, помогает вам идентифицировать ваши источники шума.Вот как источники пульсирующего напряжения и другие источники шума создают проблемы с целостностью питания на вашей плате и как обнаружить пульсации напряжения в вашей PDN.

Причины пульсаций напряжения и шума источника питания

Собственный шум от источника питания и шин питания на печатной плате бывает четырех видов:

  • Случайный шум в частотной области. Этот шум проявляется как тепловой шум (т. е. шум Джонсона-Найквиста) во всей частотной области. Этот белый шум (т. е. охватывающий весь частотный спектр) имеет гауссово распределение (т. е. изменения величины во времени следуют гауссовскому процессу).
  • Шум переключения. Это проявляется на определенных частотах на выходе импульсного регулятора (понижающе-повышающий преобразователь, обратноходовой/прямоходовой преобразователь, VRM и т. д.). Этот шум возникает из-за сигнала ШИМ, используемого для переключения одного или нескольких драйверов FET в преобразователе.
  • Пульсации от преобразования переменного тока в постоянный. Это видно на выходе нерегулируемых источников питания без фильтров, которые преобразуют входной переменный ток в выходной постоянный. Это остатки двухполупериодного выпрямителя, используемого для преобразования энергии.
  • Временный звонок. Этот тип колебаний похож на пульсацию от преобразования энергии, но принципиально отличается. Это происходит из-за паразитной емкости и индуктивности в PDN. Когда ИС переключает состояния или выходные уровни, она потребляет всплеск тока, который вызывает переходные колебания, которые иногда называют пульсациями напряжения. Этот переходный процесс может появиться на шинах питания, даже если напряжение питания регулируется.

Ваша задача как дизайнера состоит в том, чтобы предвидеть, когда эти различные источники шума будут заметны, и принять меры для устранения или подавления каждого источника шума.

Существует пятый источник шума, который мы не обсуждали, хотя он связан с шумом переключения ШИМ в импульсном стабилизаторе, как упоминалось выше. Выход импульсного стабилизатора будет содержать шум переключения на частотах ~ кГц (кондуктивные электромагнитные помехи), который может легко индуцировать ток в нисходящей цепи. Хотя эта кондуктивная электромагнитная помеха обычно устраняется с помощью фильтрации, импульсный регулятор может индуцировать шум в нисходящем контуре в виде излучаемой электромагнитной помехи. В регуляторах, обеспечивающих значительный ток (~ 5 А и более), паразитная индуктивность нижестоящих цепей достаточно велика (обычно ~ нГн), что может вызвать значительный всплеск напряжения. Этот всплеск может быть достаточно большим, чтобы вызвать непреднамеренное переключение, увеличивая частоту битовых ошибок. Как минимум, это увеличит джиттер/фазовый шум в микросхеме нисходящего потока.

Пульсация напряжения: звон шины питания или сглаживание пульсаций конденсатора?

Основное различие между пульсациями от сглаживающего конденсатора и переходным звоном заключается в частоте, на которой наблюдаются колебания. Мост выпрямителя, используемый для преобразования переменного тока в постоянный, берет синусоидальный источник питания с частотой 60 Гц или 50 Гц и преобразует его в абсолютное значение, которое затем преобразуется в сигнал постоянного тока с помощью сглаживающего конденсатора. Сглаживающий конденсатор в выпрямительном мосту разряжается дважды за цикл, поэтому на выходе выпрямителя появляются пульсации с удвоенной частотой входного сигнала переменного тока. Вы можете уменьшить влияние этой конкретной частоты с помощью полосового режекторного фильтра. Однако это по-прежнему оставляет выход нерегулируемым, а это означает, что напряжение на нагрузке будет меняться при изменении импеданса нагрузки.

Рис. 1: Пульсации напряжения от выпрямительного моста со сглаживающим конденсатором.

Обычно выходной сигнал преобразователя переменного тока в постоянный, который можно рассматривать просто как нерегулируемый источник питания, затем подается на регулятор (обычно импульсный регулятор). Регулятор предназначен для поддержания постоянного выходного напряжения при изменении нагрузки на выходе, что характерно для нелинейных элементов схемы (транзисторов, диодов и т. д.). При поддержании постоянного напряжения устройство выдает некоторый ток до некоторого максимального значения. Регулировка обеспечивается диодом и переключающим драйвером полевого транзистора, который управляется одиночным ШИМ. В результате это подавляет пульсации от выпрямительного моста, но создает упомянутый выше шум переключения. Шум от регулятора мощности не выглядит как плавное низкочастотное колебание. Вместо этого он выглядит как пик высокой добротности в частотной области, обычно на частотах ~ 100 кГц.

Теперь сравните это с переходным пульсирующим напряжением. Переходное пульсирующее напряжение появляется на более высоких частотах, соответствующих частоте затухающих переходных колебаний в ПДН. Обычно это проявляется как недодемпфированное колебание во время одного события переключения, хотя оно может проявляться как затухающее колебание на PDN. Это также может выглядеть как вынужденное колебание, как показано на графике сигнала ниже (рис. 2).

Рис. 2: Переходное пульсирующее напряжение на шине питания при переключении ИС. Изображение предоставлено.

Рис. 3 ниже показано, как переходное пульсирующее напряжение распространяется по системе. На этапах проектирования схемы и печатной платы вам потребуется смоделировать поведение вашего проекта PDN с помощью инструмента пост-компоновки, чтобы учесть паразитные явления. Цель состоит в том, чтобы гарантировать, что импеданс PDN будет ниже некоторого целевого значения, что обеспечит меньшее напряжение пульсаций, чем запас по шуму в ваших ИС.

Рис. 3: Распространение переходного пульсирующего напряжения через печатную плату из-за переключающей ИС. Изображение предоставлено.

С ECL и другими семействами быстрой логики лучший способ обеспечить надлежащую развязку — использовать плоскости питания и земли во внутренних слоях платы, чтобы обеспечить достаточно низкий импеданс PDN. Такое расположение вместе с некоторыми развязывающими конденсаторами между точками питания и земли на вашей плате сформирует параллельное расположение конденсаторов, которое обеспечит достаточно большую емкость для обеспечения развязки. Это уменьшает количество необходимых развязывающих конденсаторов в вашей PDN. Следите за частотами собственного резонанса емкостных элементов в вашем PDN, поскольку они ответственны за пики и впадины, наблюдаемые в спектре импеданса PDN.

Диагностика проблем с питанием и целостностью сигнала на вашей плате может быть затруднена, но работа с правильной проектной и исследовательской фирмой может помочь вам решить эти проблемы и определить правильный выбор конструкции печатной платы для подавления пульсаций напряжения на вашем PDN. Если вы ищете компетентную фирму, предлагающую передовые услуги по проектированию печатных плат и передовые маркетинговые услуги для компаний, производящих электронику, обратитесь за консультацией в NWES.

Пульсирующее напряжение означает величину напряжения переменного тока, которое появляется на напряжении постоянного тока. Основная причина пульсаций напряжения заключается в том, что преобразователь преобразует переменное напряжение в постоянное, но полностью устранить переменное напряжение не может. Например, на рис. 1 показана принципиальная схема мостового выпрямителя с конденсатором, подключенным к выходной стороне. Пунктирная линия — это форма волны напряжения до мостового выпрямителя, сплошная линия — это форма волны напряжения после конденсаторной фильтрации, а пульсации напряжения относятся к размаху сплошной линии.

Пульсирующее напряжение, показанное на рисунке 1, представляет собой низкочастотное пульсирующее напряжение. В высокочастотных приложениях, таких как преобразователи переменного тока в постоянный или постоянного тока, частота пульсаций напряжения может быть выше. Рисунок 2 представляет собой принципиальную схему преобразователя постоянного тока в постоянный. Шум напряжения генерируется во время переключения полевого МОП-транзистора и передается на выход через трансформатор. И, наконец, пульсации, измеренные на выходном конденсаторе, представляют собой пульсации напряжения, содержащие шумовые компоненты.

Общий метод измерения напряжения заключается в использовании пробника напряжения для измерения выходного напряжения или стороны нагрузки, как показано на рис. 3, и отображения уровня выходного напряжения с помощью осциллографа. Однако, если использовать те же методы для измерения напряжения пульсаций, форма сигнала может быть подвержена помехам.

На рис. 4 показано напряжение пульсаций, измеренное с использованием общего метода измерения. Видно, что шумовая часть значительно выше. В основном это связано с длинным проводом заземления зонда. Путь измерения для пробника эквивалентен увеличению паразитной индуктивности, которая вызывает шум в форме сигнала выходного напряжения. Это не вызвано преобразователем, и легко ошибиться. Таким образом, правильный метод измерения очень важен.

На рис. 5 показан правильный метод измерения пульсаций. Из рисунка видно, что выход преобразователя соединен с фильтрующим конденсатором. Цель состоит в том, чтобы подавить шум, поэтому емкость конденсатора обычно не слишком велика, в основном от 0,1 мкФ до 1 мкФ. И зонд должен использовать метод короткого заземления для измерения. Точка измерения должна измениться с нагрузки на выходной конденсатор. Цель состоит в том, чтобы избежать измерения шума. На рис. 6 показана разница между пульсациями короткого замыкания и отсутствия короткого замыкания. Напряжение пульсаций преобразователя можно измерить правильно, если использовать правильные методы.

Большинство измерений пульсаций напряжения происходит, когда осциллограф находится рядом с преобразователем. Если расстояние относительно велико, использование пробника напряжения для измерения может оказаться нецелесообразным. Более подходящим методом является использование разъема BNC 50 Ом и коаксиального кабеля для измерения больших расстояний, как показано на рисунке 7. Следует отметить, что чем короче длина кабеля от выходного конца коаксиального кабеля до конденсатора и осциллограф, тем меньше вероятность получения помех.

В этой статье используется пробник напряжения и метод короткого замыкания на землю, а для измерения пульсаций напряжения используется полоса пропускания 20 МГц.

Внешняя цепь для уменьшения пульсации и шума

Далее будут перечислены четыре внешние цепи и объяснена теория схемы.

Как показано на рисунке 8, подключение конденсатора к выходу преобразователя — это простой способ уменьшить пульсации выходного напряжения.

В качестве примера возьмем мостовой преобразователь.

Vpp — это размах пульсаций напряжения.

I — выходной ток.

f — рабочая частота.

C — емкость.

Как показано в формуле (1), напряжение пульсаций обратно пропорционально емкости. То есть чем больше емкость, тем меньше пульсации напряжения. Это показывает, что внешний конденсатор помогает подавить пульсации напряжения.

Фильтр нижних частот может быть хорошим выбором для уменьшения пульсаций напряжения в большей степени, чем конденсатор, как показано на рис. 9.

Он может использовать частотную характеристику для расчета параметров L и C.

f0 — частота среза.

Q – показатель качества.

RL — выходная нагрузка.

Возьмите формулу (3) в формулу (2), и она сможет рассчитать L и C соответственно, как показано в формулах (4) и (5).

Коэффициент добротности связан с импедансом нагрузки и LC-фильтром, который можно разделить на три кривые чрезмерного демпфирования, критического демпфирования и недостаточного демпфирования, как показано на рисунке 10. В идеале использование критического демпфирования в качестве параметров фильтра LC является наиболее подходящим.

Из-за того, что внутри преобразователя есть некоторые переключающие компоненты, он будет генерировать коммутационный шум. Эти шумы также могут передаваться на выходную сторону. И синфазный дроссель может ограничивать этот вид шума, как показано на рис. 11.

Дроссельный фильтр синфазного сигнала обычно используется в качестве фильтра электромагнитных помех. Однако внутри синфазного фильтра все еще присутствует индуктивность рассеяния. Индуктивность рассеяния действует как индуктор дифференциального режима и похожа на LC-частотный фильтр. Таким образом, индуктор синфазного фильтра все еще может оказывать некоторое влияние на подавление пульсаций напряжения.

На рис. 12 показана схема емкостного умножителя, которая может уменьшить пульсации на выходе с помощью транзистора и резисторов R, C. Для выходной стороны это имеет эффект усиления C1, аналогично добавлению большой емкости на выходной стороне. Он подходит для уменьшения пульсаций напряжения и ограничения размеров.

Как показано на рис. 13 (а), в схеме используется RC-фильтр нижних частот. Если хотите подавить пульсации напряжения, емкость C1 должна быть очень большой. Если к этому добавить транзистор, как показано на рис. 13(b), ток, подаваемый C1 на выход, уменьшится примерно в β раз. Другими словами, емкость конденсатора C1 увеличивается примерно в β раз на выходе.

Схема емкостного умножителя также имеет недостатки, поскольку напряжение транзистора Vce будет изменяться в зависимости от выходного тока, что вызовет определенное падение напряжения на выходе, в пределах от 0,65 В до 3 В.Следовательно, это подходит для приложений с малым током, а точность напряжения невысока, например, для операционного усилителя или источника питания ЦАП.

Приложение

В дальнейшем специальный преобразователь постоянного тока будет использоваться для измерения разницы пульсаций напряжения до и после применения различных схем снижения пульсаций напряжения.

Преобразователь представляет собой широкий диапазон входного напряжения от 9 до 36В на входе, 5В на выходе регулируемый преобразователь, выходная мощность 30Вт, выходной ток 6А, технические характеристики приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики преобразователя постоянного тока в постоянный
Преобразователь постоянного тока в постоянный PF30WR4-2405
Входное напряжение 24 В постоянного тока
Выход 5 В постоянного тока / 6A
Рабочая частота 400 кГц
Пульсации и шум 75 мВпик-пик (макс.)

На рис. 14 показана форма пульсаций выходного напряжения при использовании метода короткого замыкания на землю. Из-за отсутствия дополнительных схем шумоподавления. Видно, что размах пульсаций выходного напряжения и шума составляет около 445,9 мВ при отсутствии внешнего конденсатора.

Чтобы подавить пульсации выходного напряжения и шум, наиболее распространенным и простым способом является добавление конденсатора.

На рис. 15 показаны пульсации выходного напряжения, измеренные внешним MLCC 22 мкФ. Из рисунка видно, что напряжение пульсаций уменьшилось с 445,9 мВ до примерно 30 мВ.

Кроме того, на рис. 16 показана форма сигнала для удвоенного выходного конденсатора. Пульсации выходного напряжения становятся ниже, а размах составляет 19,5 мВ. Поэтому внешний конденсатор на выходе преобразователя может эффективно подавлять пульсации выходного напряжения.

Рис. 17 - схематическая диаграмма фильтра нижних частот. Из таблицы характеристик преобразователя рабочая частота преобразователя составляет 400 кГц. Сначала установите частоту среза на 40 кГц и добротность на 0,707. С помощью уравнений 4 и 5 можно получить индуктивность 4,69 мкГн и емкость 3,376 мкФ. Наконец, выберите индуктивность 4,7 мкГн и два MLCC 2,2 мкФ в качестве выходного фильтра нижних частот.

На рис. 18 показана форма пульсаций выходного напряжения. Есть сравнение до и после фильтра. Фильтр нижних частот эффективно подавляет пульсации и шумы.

На рис. 19 представлена ​​схема синфазного дросселя в качестве выходного фильтра. В данном эксперименте в качестве железного сердечника использовался Mn-Zn ферритовый сердечник марки А151, Т16х12х8С. Количество обмоток 10. Основная индуктивность 0,35 мГн, индуктивность рассеяния 3,18 мкГн. C1 и C2 — MLCC 0,22 мкФ.

На рис. 20 представлена ​​схема фильтра синфазных помех. Можно видеть, что индуктивность рассеяния используется в качестве индуктивности дифференциального режима, которая аналогична двум фильтрам нижних частот, поэтому эффект подавления пульсаций выходного напряжения должен быть лучше, чем один фильтр нижних частот.

На рис. 21 показана кривая измерения. Это правда, что напряжение пульсаций ниже, чем у одного фильтра нижних частот, но недостатком является то, что он занимает больше места на макете.

На рисунке 22 показана схема этого эксперимента со следующими параметрами.

Q1 - 2SCR552PT100, это транзистор ROHM.

Поскольку емкостной умножитель подходит для малой мощности или уровня сигнала. Поскольку это приведет к падению напряжения, он не подходит для сильноточных приложений. Таким образом, выходной ток этого эксперимента ограничен 0,2 А.

На рис. 23 – тестовый сигнал. Он может видеть разницу между до и после фильтра. Пульсации до подавления составляют около 97 мВ, а пульсации после подавления — 12,8 мВ, что может уменьшить пульсации напряжения. Недостатком является то, что его можно использовать только при уровне сигнала, момент более высокой выходной мощности.

Заключение

Эта статья содержит введение о формировании пульсаций и шума, а также о методе измерения. Также предоставляет четыре вида методов подавления пульсаций и шумов и проводит эксперименты для каждого типа фильтра.

В таблице 2 показана сравнительная таблица четырех методов: чем ниже оценка, тем лучше.

Из общего балла только добавление конденсаторов является наиболее подходящим методом подавления пульсаций, который не только имеет наименьший объем, но и дает определенный эффект.

Второй и третий — фильтр нижних частот и синфазный фильтр. Поскольку он имеет внешние катушки индуктивности и синфазный дроссель, пространство для компоновки больше, чем у конденсатора, но эффект лучше. Поэтому во многих приложениях с низкой пульсацией используются эти два метода.

Четвертая схема — емкостной умножитель, который хорошо влияет на подавление пульсаций напряжения, но его можно использовать только при низком токе или уровне сигнала, что ограничивает область применения.

Таблица 2. Сравнительная таблица фильтров
C LC-фильтр CMC-фильтр C-множитель< /td>
Количество частей 1 2 3 3
Пространство макета 1 2 3 3
Подавление пульсаций и шума 2 1 1 1
Текущий вывод 1 1 1 3
< /p>

1→Хорошее, 2→Среднее, 3→Плохое

CTC уже 30 лет является профессиональным поставщиком высококачественных модулей питания (преобразователей переменного тока в постоянный и преобразователей постоянного тока в постоянный) для критически важных приложений по всему миру. Наша основная компетенция заключается в разработке и поставке продуктов с передовыми технологиями, конкурентоспособными ценами, чрезвычайно гибкими сроками поставки, глобальным техническим обслуживанием и высококачественным производством (Сделано в Тайване).

CTC — единственная корпорация, сертифицированная по ISO-9001, IATF-16949, ISO22613 (IRIS) и ESD/ANSI-2020. Мы можем на 100% гарантировать, что не только продукт, но и наш рабочий процесс и сервис с самого начала соответствуют системе управления качеством для каждого высококлассного приложения. От проектирования до производства и технической поддержки каждая деталь работает в соответствии с высочайшими стандартами.

Читайте также: