Пульсации источника питания, как определить
Обновлено: 17.05.2024
При оценке источника питания инженерам необходимо проверить количество пульсаций и шумов, присутствующих в выходном напряжении, а также реакцию выхода на переходные процессы нагрузки. Особое внимание к методам измерения с использованием пробника осциллографа и применение подходящих условий для испытаний на переходные процессы необходимо для обеспечения точной оценки.
Рон Стулл, инженер по энергосистемам, CUI Inc.
Минимизация контура заземления пробника осциллографа
Величина пульсаций и шума на выходе источника питания обычно составляет всего несколько милливольт и может быть скрыта или искажена нежелательными внутренними сигналами или шумом, полученным от внешних источников. Этого можно избежать, правильно настроив зонд.
Ключом к точным измерениям является минимизация контура заземления, создаваемого пробником и его обратным трактом, поскольку индуктивность в этом контуре может усиливать внутренние сигналы и улавливать внешние шумы. Хотя провод заземления и зажим типа «крокодил» типичного стандартного пробника просты в использовании, они создают относительно большую петлю заземления, которая может внести заметные искажения в небольшие измерения.
Однако контур заземления можно свести к минимуму, адаптировав пробник. Два популярных способа сделать это — метод «наконечника и ствола» или метод «скрепки».
Типичный стандартный пробник имеет длинный заземляющий провод, что создает большой контур заземления
Метод наконечника и цилиндра включает снятие заземляющего провода и крышки зонда рядом с наконечником. При снятии крышки зонда открывается ствол. Затем, при измерении выходного напряжения наконечником, открытый металл ствола необходимо удерживать в контакте с ближайшим заземляющим соединением.
Хотя проблемы с контуром заземления сведены к минимуму, найти место для контакта с выходным напряжением и одновременно заземлить цилиндр может быть сложно. Более того, такая точка может находиться на некотором расстоянии от выходного конденсатора, что также не является идеальным. Выходное напряжение должно подаваться как можно ближе к выходному конденсатору.
Тметод IP и ствола на практике
Метод со скрепкой также включает снятие заземляющего провода и обнажение ствола. Затем вокруг ствола наматывается небольшая катушка проволоки, которая образует короткий заземляющий электрод. Это сочетает в себе преимущество небольшой площади контура с дополнительной гибкостью для поиска подходящего места для измерения выходного напряжения и заземления рядом с выходным конденсатором.
Альтернативные методы известны, и у инженеров могут быть свои фавориты, но самая важная цель — сделать контур заземления как можно короче.
Тметод со скрепкой может упростить позиционирование зонда
Условия тестирования пульсаций и шумов
Используя эти усовершенствованные методы тестирования с помощью осциллографа, можно точно измерить пульсации и шум источника питания. Пульсация описывает небольшую составляющую переменного тока, присутствующую в выходном напряжении источника питания, возникающую в результате внутреннего переключения. Под шумом понимаются высокочастотные всплески выходного напряжения, вызванные паразитными индуктивностями.
Пульсации и шум, как указано в техническом описании, обычно измеряются при полной нагрузке, поэтому их необходимо измерять при тех же условиях нагрузки. Однако нагрузка — не единственный фактор, влияющий на пульсацию. Входное напряжение также оказывает влияние, поэтому следует измерять все интересующие напряжения.
Кроме того, некоторые производители указывают внешние конденсаторы, которые следует добавлять к выходу для целей измерения. Обычно это электролитический конденсатор емкостью около 10 мкФ и керамический емкостью 0,1 мкФ. Измерения обычно можно проводить с помощью одного пробника, расположенного рядом с этими конденсаторами, при этом полоса пропускания канала осциллографа обычно составляет 20 МГц.
Сравнение измерений зонда, выполненных с помощью большого контура заземления (слева) и методом "скрепки" (справа)
Переходная характеристика и условия тестирования
Переходная характеристика относится к отклонению выходного напряжения при резком увеличении или уменьшении нагрузки. Источник питания не может реагировать мгновенно и либо накапливает слишком много энергии при снижении нагрузки, либо недостаточно, если нагрузка увеличивается. Выходная емкость поглощает избыточную энергию, вызывая увеличение выходного сигнала, или отдает энергию в нагрузку, что приводит к снижению напряжения.
Несмотря на то, что это занимает несколько циклов переключения, блок питания адаптируется к новой нагрузке, а выходное напряжение стабилизируется на своем номинальном значении. Следовательно, переходная характеристика источника питания характеризуется величиной отклонения от номинального выходного напряжения и временем, необходимым для восстановления или возврата в заданные пределы регулирования.
В то время как пульсации и шум для данного источника питания зависят только от нагрузки и входного напряжения, переходная характеристика зависит от ряда дополнительных факторов, включая скорость нарастания переходного процесса нагрузки, начальный и конечный ток. . Чем выше скорость нарастания, тем больше будет отклонение выходного сигнала, прежде чем источник питания среагирует на стабилизацию напряжения. Начальный и конечный уровни тока также важны, поскольку блоки питания часто ведут себя по-разному при малых нагрузках.
Переходный процесс, который пересекается между одной областью и другой, может привести к изменению режима работы источника питания с сопутствующим влиянием на переходную характеристику. Поэтому при измерении переходной характеристики важно, чтобы начальный ток, конечный ток и скорость нарастания соответствовали заданным условиям.
2-канальное измерение переходной характеристики
Для измерения переходной характеристики необходимы два канала осциллографа. Один пробник подключается к выходу и должен располагаться рядом с выходными контактами или точкой регулирования, чтобы предотвратить любое падение напряжения в выходном кабеле, вызывающее смещение постоянного тока между двумя состояниями нагрузки. Второй датчик необходим для контроля сигнала, синхронного с переходным процессом нагрузки, например, выходного тока, который используется в качестве триггера, чтобы осциллограф отображал отклонение выходного напряжения.
Измерение переходной характеристики, вызванное сигналом тока нагрузки (нижняя кривая)
Заключение
Чтобы провести детальную оценку источника питания, инженер должен понимать пульсации и переходные процессы, а также способы их точного измерения. При использовании осциллографа следует использовать подходящие методы измерения пробника, чтобы свести к минимуму площадь контура заземления и исключить посторонние шумы и искажения.
Кроме того, важно понимать, что результаты можно сравнивать со спецификациями производителя только в том случае, если условия испытаний, описанные в техническом описании, применялись должным образом.
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.
Если вы неправильно измерите пульсации, прибор может вас обмануть.
Тестирование пульсаций выходного напряжения и соответствия блока питания (PSU).
Единицы измерения
Пульсации обычно измеряются в милливольтах от пика до пика (mVp-p) для большинства компьютерных приложений ATX. Это измерение амплитуды сигнала от самого высокого напряжения до самого низкого напряжения на заданной частоте или в течение определенного периода времени.
Необходимые инструменты и инструменты для тестирования
Правильно откалиброванный осциллограф станет самым мощным инструментом для этих испытаний. Убедитесь, что у него есть возможность ограничить полосу пропускания тестового канала до 20 МГц. Делая это, вы устраните много лишнего шума, который в противном случае был бы уловлен осциллографом, но в реальности не повлиял бы на реальную производительность выхода блока питания. Щупы эндоскопа должны быть высокого качества и иметь возможность оснащения наконечником (+), кольцом (-) проводом (см. рисунок ниже).
Использование стандартного заземляющего кабеля неприемлемо из-за дополнительного шума, создаваемого заземляющим зажимом и проводом.
Плата нагрузки (LB) — это место, где все собирается вместе (тестовое оборудование, блок питания и нагрузка), поэтому крайне важно, чтобы все соединения были надежными, все конденсаторы и точки тестирования наконечников и колец (TP) были припаяны должным образом, а вся проводка переход от БП к ЛБ и от ЛБ к нагрузкам аккуратный и упорядоченный. Мы обсудим правильную настройку LB позже.
Фактическая нагрузка, которую вы используете для тестирования блока питания, также повлияет на результат вашего теста. Вы заметите, что некоторые электронные нагрузки будут иметь такие конфигурации, как постоянный ток, постоянное сопротивление и постоянное напряжение. Поскольку большинство выходных напряжений проседают или повышаются при различных конфигурациях нагрузки, наиболее идеальной конфигурацией является электронная нагрузка в режиме постоянного тока. Если у вас нет доступа к электронной нагрузке постоянного тока, подойдет чисто резистивная нагрузка, состоящая из сети резисторов высокой мощности.
Пульсация — это небольшое нежелательное остаточное периодическое изменение выходного постоянного тока (постоянного тока) источника питания, полученного от источника переменного тока (переменного тока).
Эта пульсация возникает из-за неполного подавления переменного сигнала в источнике питания.
В преобразователях переменного тока в постоянный напряжение переменного тока очевидно.
Но в преобразователях постоянного тока мы переключаем входной постоянный ток. В результате возникает пульсация.
Нижеприведенная форма волны показывает источник постоянного тока и пульсацию или составляющую переменного тока в источнике переменного/постоянного тока.
Глядя на этот уровень, похоже, что достигнута постоянная DC.
Похоже, у нас здесь постоянное напряжение 5,0 В постоянного тока
Присмотревшись, мы можем увидеть отчетливую пульсацию напряжения
Как можно измерить пульсацию с помощью приборов, доступных в производственном цеху?
Нам необходимо протестировать SMPS со следующими выходными характеристиками:
5В, 1А. Допуск 2 %
Мы собираемся протестировать этот SMPS без нагрузки.
Я использую мультиметр Fluke 115. Обратите внимание, что селектор работает от постоянного напряжения
Когда мы проверяем напряжение постоянного тока, оно показывает 5,040 В
Это находится в пределах заявленного допустимого уровня 2%.
.
Электронный счетчик показывает 5,040 В постоянного тока.
Все еще остается вопрос: какой пульсации он дает при отсутствии нагрузки?
Затем мы выбираем напряжение переменного тока на мультиметре.
На изображении выше вы можете видеть переменное напряжение, присутствующее в постоянном.
Напряжение пульсаций составляет 0,021 В. То есть 21 мВ.
Так измеряется пульсация. И, по нашему мнению, именно так измеряется пульсация.
Как рассчитать процент пульсации
Здесь мы собираемся рассчитать процент пульсации .
Процент пульсаций в источнике постоянного тока рассчитывается по приведенной ниже формуле –
Пульсация в процентах = (выходная составляющая переменного тока/выходная составляющая постоянного тока) * 100
Для приведенного выше примера процент пульсаций = (21 мВ / 5,040 В) * 100 = 0,41%
Мы также убедились в испытательных лабораториях, что это принятый метод.
Если вы обнаружите какое-либо различие или можете отправить отзыв, сделайте это по адресу
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ
Другое интересное видео, объясняющее пульсации напряжения, снято EEVBlog
Видео о пульсирующем источнике питания
В этом видео показано, как измерять и анализировать пульсации в любом импульсном блоке питания.
Пульсации возникают из-за заряда и разряда конденсатора. Шум — это все остальное на высоких частотах.
В этом видеоролике показана разница между аналоговым и цифровым осциллографом. Он показывает форму сигнала в обоих осциллографах.
Цифровой осциллограф может работать медленно из-за большого объема вычислений, а аналоговый работает быстро.
Измерение пульсации также зависит от типа соединения между областью применения и источником питания.
На датчиках присутствует внутреннее сопротивление. из-за чего форма волны может выглядеть более искаженной.
В этом видео также указан диапазон пульсаций напряжения, присутствующих в импульсных источниках питания. В этом видео показан анализ блока питания 5В 2А. Он содержит пульсации 2 мВ с полосой пропускания 20 МГц.
Читайте также: