Коефіцієнт пульсацій і джерело живлення
Основною функцією джерела живлення є забезпечення електричною енергією для електронних виробів, але це неминуче призведе до виникнення пульсацій, шуму тощо під час живлення, що знизить стабільність і надійність електронної системи та навіть усього продукту.
Пульсації напруги можуть значно вплинути на різні схеми джерела живлення, такі як схема аналого-цифрового перетворення, схема операційного підсилювача, схема фільтра випрямляча тощо. Звичайні програми мають такі небезпеки:
Неочікувані гармоніки генеруються, щоб спричинити аварії, викликані перенапругою або надструмом; збільшити додаткові втрати та знизити ефективність і коефіцієнт використання електрообладнання;
Змусити обладнання працювати ненормально, прискорити старіння та скоротити термін служби; змушувати релейний захист, автоматичні пристрої, комп'ютерні системи та інше обладнання працювати ненормально або не працювати нормально;
Зробити відхилення вимірювань і вимірювальних приладів; 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, стабілізоване джерело живлення включає чотири частини: силовий трансформатор, схему випрямляча, схему фільтра та схему стабілізатора напруги. Оскільки DC-DC також можна розглядати як стабілізоване джерело живлення, схема випрямляча, схема фільтра та схема стабілізованої напруги розглядаються як необхідні три частини стабілізованого джерела живлення [1].
Схема випрямляча використовує односпрямовані провідні пристрої для перетворення змінного струму в пульсуючий постійний. Пульсуючий постійний струм не є плавним і містить велику кількість змінного струму.
Схема фільтра використовує елемент накопичення енергії для перетворення пульсуючого постійного струму у відносно плоский постійний струм. Через різну продуктивність схеми фільтра, хоча більшість компонентів змінного струму можна відфільтрувати, вони не можуть бути повністю відфільтровані.
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 за допомогою стабільної вихідної напруги, називається напругою пульсацій.
Щоб охарактеризувати продуктивність фільтра регульованого джерела живлення постійного струму, введено поняття коефіцієнта пульсацій [2-3]. Визначте коефіцієнт пульсацій ψ як відсоткове значення ефективного значення напруги пульсацій Vr та вихідної напруги постійного струму Vo, а саме:
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 (Digital Storage Oscilloscope, DSO).
Електронне навантаження зручно регулювати по струму, і зазвичай воно встановлюється в режим постійного опору (CR); Цифровий запам'ятовуючий осцилограф може безпосередньо захоплювати всю форму хвилі пульсацій, зберігати та посилювати її, а також зчитувати значення пульсацій. Підставте показання осцилографа у формулу, щоб отримати коефіцієнт пульсацій.
При вимірюванні необхідно звернути увагу на наступні два моменти (ці два моменти особливо важливі для точності результатів вимірювання):
(1) Провід заземлення зонда цифрового запам’ятовуючого осцилографа необхідно від’єднати та замінити штифтом пружини заземлення в зборі зонда. Це може запобігти зв’язку контуру заземлення з електромагнітними перешкодами та зробити результат вимірювання неточним.
Дріт заземлення зонда занадто довгий, а площа петлі занадто велика, утворюючи приймальну антену, високочастотні перешкоди або електромагнітні перешкоди будуть поєднані з вимірюваним сигналом.
(2) Сам цифровий запам’ятовуючий осцилограф потребує налаштування параметрів.
Цифровий запам’ятовуючий осцилограф повинен мати хороше заземлення, щоб додатково відфільтрувати перешкоди, додані джерелом живлення; використовуйте зв'язок змінного струму цифрового запам'ятовуючого осцилографа, щоб заблокувати постійний струм, що робить перевірку пульсацій більш інтуїтивно зрозумілою та точною;
Загальний тест 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 такі чотири методи: метод фільтрації RLC, метод фільтрації синфазного режиму, метод фільтрації за допомогою феритового магнітного кільця та комбінація трьох методів.
Шляхом експериментальної перевірки продемонстровано схему фільтра для придушення пульсацій джерела живлення DC-DC. У перевірочному експерименті вибрано джерело живлення постійного струму потужністю 100 Вт з входом 48 В і вихідним сигналом 5 В, а модель – SD-100C-5 компанії Meanwell.
Цифровий запам’ятовуючий осцилограф вибирає GDS-1072B від GWINSTEK, пропускна здатність становить 70 МГц, частота дискретизації – 1 Гвиб./с, а глибина зберігання кожного каналу – 10 МБ.
Електронне навантаження — PEL{{0}} від GWINSTEK, діапазон напруги — 1,5 В ~ 150 В, діапазон струму — 0 ~ 35 А, потужність — 175 Вт.
Відповідно до цього розрахунку сила струму в колі становить 20А. На малюнку 3 представлена блок-схема підключення тесту на пульсації потужності.
Щоб зробити ефект придушення пульсацій джерела живлення більш інтуїтивно зрозумілим і очевидним, схему фільтра SD-100C-5 спочатку замикають накоротко, і вимірюють пульсації її вихідної напруги. Можна отримати, що пульсації джерела живлення становлять приблизно 85,6 мВ на пік, а ефективне значення становить 48,2 мВ (середньоквадратичне значення).
