Zvlnenie napájania a koeficient zvlnenia
Hlavnou funkciou napájacieho zdroja je poskytovať elektrickú energiu pre elektronické produkty, ale napájanie nevyhnutne spôsobí vlnenie, šum atď., čo zníži stabilitu a spoľahlivosť elektronického systému a dokonca aj celého produktu.
Zvlnenie napätia môže výrazne ovplyvniť rôzne obvody napájacieho zdroja, ako sú obvody A/D konverzie, obvody operačného zosilňovača, obvody filtra usmerňovača atď. Bežné aplikácie majú nasledujúce nebezpečenstvá:
Generovať nežiaduce harmonické, spôsobujúce prepätie alebo nadprúd spôsobujúce nehody; zvýšiť dodatočné straty a znížiť účinnosť a využitie elektrických zariadení;
Spôsobiť, že zariadenie bude fungovať abnormálne, urýchliť starnutie a skrátiť životnosť; spôsobiť, že ochrana relé, automatické zariadenia, počítačové systémy a iné zariadenia nefungujú normálne alebo nefungujú normálne;
Môže spôsobiť odchýlky v meracích a meracích prístrojoch; zasahovať do komunikačných systémov, znižovať kvalitu prenosu signálu a dokonca poškodzovať komunikačné zariadenia.
Preto pri navrhovaní elektronických výrobkov je potrebné presne zmerať zvlnenie a potlačiť zvlnenie v určitom rozsahu.
1 Zvlnenie napájacieho zdroja a koeficient zvlnenia
Presne povedané, regulovaný napájací zdroj obsahuje štyri časti: výkonový transformátor, obvod usmerňovača, filtračný obvod a obvod stabilizácie napätia. Keďže DC-DC možno považovať aj za regulovaný napájací zdroj, obvod usmerňovača, filtračný obvod a obvod stabilizácie napätia sa považujú za tri nevyhnutné časti regulovaného napájacieho zdroja [1].
Obvod usmerňovača využíva jednosmerné vodivé zariadenia na premenu striedavého prúdu na pulzujúci jednosmerný prúd. Pulzujúci jednosmerný prúd nie je hladký a obsahuje veľké množstvo zložiek striedavého prúdu.
Filtračný obvod využíva komponenty na uchovávanie energie na premenu pulzujúceho jednosmerného prúdu na relatívne plochý jednosmerný prúd. Kvôli rozdielnemu výkonu filtračného obvodu síce dokáže odfiltrovať väčšinu komponentov striedavého prúdu, ale nedokáže ho úplne odfiltrovať.
Obvod stabilizácie napätia po usmernení a filtrácii využíva funkciu nastavenia obvodu na stabilizáciu výstupného napätia a zníženie striedavej zložky na minimum. Táto zložka striedavého prúdu, ktorú nemožno úplne odfiltrovať spolu so stabilným výstupným napätím, sa nazýva zvlnené napätie.
Aby sa charakterizoval výkon filtrovania jednosmerného regulovaného zdroja napájania, zaviedol sa koncept koeficientu zvlnenia [2-3]. Koeficient zvlnenia ψ je definovaný ako percentuálna hodnota efektívnej hodnoty napätia zvlnenia Vr a výstupného jednosmerného napätia Vo, tj:
Koeficient zvlnenia je dôležitým ukazovateľom pre hodnotenie stabilného a čistého výkonu jednosmerného zdroja. Podľa vyššie uvedeného vzorca je možné vidieť, že na zistenie koeficientu zvlnenia je potrebné zmerať napätie zvlnenia.
2 Meranie zvlnenia napájacieho zdroja
Na presné meranie zvlnenia napájacieho zdroja sú vo všeobecnosti potrebné dva prístroje, a to elektronická záťaž (Electronic Load) a digitálny pamäťový osciloskop (DSO).
Elektronické záťaže uľahčujú nastavenie prúdu a sú zvyčajne nastavené v režime konštantného odporu (CR); digitálne pamäťové osciloskopy dokážu priamo zachytiť celý priebeh zvlnenia, uložiť, zosilniť a prečítať hodnotu zvlnenia. Nahraďte údaj osciloskopu do vzorca, aby ste získali koeficient zvlnenia.
Pri meraní musíte venovať pozornosť nasledujúcim dvom bodom (tieto dva body sú obzvlášť dôležité pre presnosť výsledkov merania):
(1) Uzemňovací vodič sondy digitálneho pamäťového osciloskopu musí byť odpojený a namiesto toho musí byť použitý uzemňovací kolík v zostave sondy. Môže zabrániť tomu, aby sa zemné slučky spojili so šumom EMI, čo spôsobuje nepresnosť výsledkov merania.
Uzemňovací vodič sondy je príliš dlhý a oblasť slučky je príliš veľká, čo vytvára prijímaciu anténu a spôsobuje, že sa do meraného signálu spája vysokofrekvenčné rušenie alebo EMI šum.
(2) Samotný digitálny pamäťový osciloskop potrebuje upraviť svoje nastavenia.
Digitálny pamäťový osciloskop musí byť dobre uzemnený, aby sa ďalej odfiltroval šum pridaný z napájacieho konca; použite AC prepojenie digitálneho pamäťového osciloskopu na blokovanie DC, vďaka čomu je test zvlnenia intuitívnejší a presnejší;
Všeobecné testovanie zvlnenia vyžaduje, aby bola frekvencia obmedzená pod 20 MHz, takže digitálny pamäťový osciloskop by mal otvoriť limit šírky pásma 20 MHz, aby izoloval vysokofrekvenčný šum.
3 metódy na potlačenie zvlnenia napájania
Na potlačenie zvlnenia výstupného napätia regulovaného napájacieho zdroja sa vo všeobecnosti používajú tieto štyri metódy: metóda filtrovania RLC, metóda filtrovania so spoločným režimom, metóda filtrovania feritovým magnetickým kruhom a kombinácia týchto troch metód.
Experimentálnym overením je demonštrovaný filtračný obvod, ktorý potláča zvlnenie DC-DC napájania. V overovacom experimente bol vybraný 100W DC-DC zdroj, 48V vstup, 5V výstup, Model SD-100C-5 od Meanwell.
Digitálny úložný osciloskop si vyberie GWINSTEK GDS{0}}B so šírkou pásma 70 MHz, vzorkovacou rýchlosťou 1GSa/s a hĺbkou ukladania 10M na kanál.
Elektronická záťaž je PEL{{0}} od GWINSTEK, s rozsahom napätia 1,5V~150V, prúdovým rozsahom 0~35A a výkonom 175W.
Podľa tohto výpočtu je prúd v obvode 20A. Obrázok 3 zobrazuje blokovú schému zapojenia testu zvlnenia napájacieho zdroja.
Aby bol efekt potlačenia zvlnenia napájacieho zdroja intuitívnejší a zrejmejší, najprv skratujte obvod filtra SD-100C-5 a zmerajte zvlnenie jeho výstupného napätia. Z toho je možné vidieť, že zvlnenie napájacieho zdroja je približne 85,6 mVpp a efektívna hodnota je 48,2 mVrms.
