Пульсації джерела живлення та коефіцієнт пульсацій
Основною функцією блоку живлення є забезпечення електричною енергією електронних виробів, але джерело живлення неминуче спричиняє пульсації, шуми тощо, що знижує стабільність і надійність електронної системи та навіть усього продукту.
Пульсації напруги можуть значно вплинути на різні схеми джерела живлення, такі як схеми аналого-цифрового перетворення, схеми операційного підсилювача, схеми випрямного фільтра тощо. Звичайні програми мають такі небезпеки:
Створювати небажані гармоніки, спричиняючи перенапругу або надмірний струм, що спричиняє аварії; збільшують додаткові втрати та знижують ефективність і коефіцієнт використання електрообладнання;
Спричиняти неправильну роботу обладнання, прискорювати старіння та скорочувати термін служби; призводити до ненормальної роботи релейного захисту, автоматичних пристроїв, комп’ютерних систем та іншого обладнання або до порушення нормальної роботи;
Це може викликати відхилення в вимірювальних приладах; заважати системам зв’язку, знижувати якість передачі сигналу та навіть пошкоджувати комунікаційне обладнання.
Тому при проектуванні електронних виробів необхідно точно вимірювати пульсації та пригнічувати пульсації в певному діапазоні.
1 Пульсації джерела живлення та коефіцієнт пульсацій
Строго кажучи, регульоване джерело живлення включає чотири частини: силовий трансформатор, схему випрямляча, схему фільтра та схему стабілізації напруги. Оскільки DC-DC також можна розглядати як регульоване джерело живлення, схема випрямляча, схема фільтра та схема стабілізації напруги розглядаються як три необхідні частини регульованого джерела живлення [1].
Схема випрямляча використовує односторонні провідні пристрої для перетворення змінного струму в пульсуючий постійний. Пульсуючий постійний струм не є плавним і містить велику кількість змінних складових струму.
Схема фільтра використовує компоненти накопичення енергії для перетворення пульсуючої потужності постійного струму у відносно рівну потужність постійного струму. Через різну продуктивність схеми фільтра, хоча вона може відфільтрувати більшість компонентів змінного струму, вона не може повністю відфільтрувати їх.
Схема стабілізації напруги після випрямлення та фільтрації використовує функцію налаштування схеми для стабілізації вихідної напруги та зменшення компонента змінного струму до мінімуму. Цей компонент змінного струму, який не може бути повністю відфільтрований разом зі стабільною вихідною напругою, називається напругою пульсацій.
Щоб охарактеризувати продуктивність фільтрації регульованого джерела живлення постійного струму, введено поняття коефіцієнта пульсацій [2-3]. Коефіцієнт пульсацій ψ визначається як процентне значення ефективного значення пульсаційної напруги Vr і вихідної напруги постійного струму Vo, тобто:
Коефіцієнт пульсацій є важливим показником для оцінки стабільного та чистого вихідного сигналу джерела постійного струму. Згідно з наведеною вище формулою, можна побачити, що для визначення коефіцієнта пульсацій необхідно виміряти напругу пульсацій.
2 Вимірювання пульсацій джерела живлення
Для точного вимірювання пульсацій джерела живлення зазвичай потрібні два прилади, а саме електронне навантаження (Electronic Load) і цифровий накопичувальний осцилограф (DSO).
Електронні навантаження полегшують регулювання струму і зазвичай встановлюються в режим постійного опору (CR); Цифрові запам'ятовуючі осцилографи можуть безпосередньо фіксувати всю форму хвилі пульсацій, зберігати, посилювати та зчитувати значення пульсацій. Підставте показання осцилографа у формулу, щоб отримати коефіцієнт пульсацій.
Під час вимірювання необхідно звернути увагу на наступні два моменти (ці два моменти особливо важливі для точності результатів вимірювання):
(1) Провід заземлення зонда цифрового запам’ятовуючого осцилографа має бути від’єднано, а замість нього слід використовувати штифт заземлення в зборі зонда. Це може запобігти впливу контурів заземлення на електромагнітні перешкоди, що робить результати вимірювань неточними.
Дріт заземлення зонда надто довгий, а зона петлі завелика, утворюючи приймальну антену та спричиняючи появу високочастотних перешкод або електромагнітних перешкод у вимірюваному сигналі.
(2) Сам цифровий запам’ятовуючий осцилограф потребує налаштування своїх параметрів.
Цифровий запам'ятовуючий осцилограф має бути добре заземлений, щоб додатково відфільтрувати шум, який додається з боку джерела живлення; використовуйте зв'язок змінного струму цифрового запам'ятовуючого осцилографа для блокування постійного струму, що робить перевірку пульсацій більш інтуїтивно зрозумілою та точною;
Загальне тестування пульсацій вимагає, щоб частота була обмежена нижче 20 МГц, тому цифровий запам’ятовуючий осцилограф має відкрити межу смуги пропускання 20 МГц, щоб ізолювати високочастотний шум.
3 методи придушення пульсацій джерела живлення
Для придушення пульсацій вихідної напруги регульованого джерела живлення зазвичай застосовуються наступні чотири методи: метод фільтрації RLC, метод фільтрації синфазного режиму, метод фільтрації за допомогою феритового магнітного кільця та комбінація трьох методів.
Схема фільтра, яка пригнічує пульсації джерела живлення DC-DC, продемонстрована шляхом експериментальної перевірки. У перевірочному експерименті було вибрано джерело живлення DC-DC потужністю 100 Вт, вхід 48 В, вихід 5 В, модель SD-100C-5 від Meanwell.
Цифровий накопичувальний осцилограф вибирає GDS-1072B від GWINSTEK із смугою пропускання 70 МГц, частотою дискретизації 1 Гвиб./с і глибиною зберігання 10 МБ на канал.
Електронне навантаження PEL{{0}} від GWINSTEK з діапазоном напруги 1,5 В~150 В, діапазоном струму 0~35 А та потужністю 175 Вт.
Відповідно до цього розрахунку сила струму в колі становить 20А. На рисунку 3 показана блок-схема підключення тесту на пульсації джерела живлення.
Щоб зробити ефект придушення пульсацій джерела живлення більш інтуїтивно зрозумілим і очевидним, спочатку замкніть ланцюг фільтра SD-100C-5 і виміряйте пульсації його вихідної напруги. Звідси видно, що пульсації джерела живлення становлять приблизно 85,6 мВ на пік, а ефективне значення становить 48,2 мВ (середньоквадратичне значення).
