Die Welligkeit der Schaltleistung ist unvermeidlich. Unser oberstes Ziel ist es, die Ausgangswelligkeit auf ein erträgliches Maß zu reduzieren. Die grundlegendste Lösung hierfür ist die Vermeidung der Entstehung von Welligkeiten. Zunächst einmal: Und die Ursache.
Mit dem Einschalten des SWITCH schwankt auch der Strom in der Induktivität L um den gültigen Wert des Ausgangsstroms. Daher tritt auch am Ausgangsende eine Welligkeit mit der gleichen Frequenz wie beim Einschalten auf. Im Allgemeinen bezieht sich die Welligkeit der Welligkeit darauf, was mit der Kapazität des Ausgangskondensators und dem ESR zusammenhängt. Die Frequenz dieser Welligkeit entspricht der des Schaltnetzteils und liegt im Bereich von einigen zehn bis einigen hundert kHz.
Darüber hinaus werden für Schalter üblicherweise Bipolartransistoren oder MOSFETs verwendet. Unabhängig davon, welcher Transistor verwendet wird, gibt es beim Einschalten und Ausschalten eine Anstiegs- und Abfallzeit. Zu diesem Zeitpunkt tritt kein Rauschen im Schaltkreis auf. Die Anstiegszeit entspricht der Anstiegs- und Abfallzeit des Schalters oder ist um ein Vielfaches kürzer und liegt im Allgemeinen im Bereich von mehreren zehn MHz. Ebenso befindet sich die Diode D in Sperrverzögerung. Der Ersatzschaltkreis besteht aus einer Reihe von Widerstandskondensatoren und Induktivitäten, die Resonanzen verursachen. Die Rauschfrequenz liegt im Bereich von mehreren zehn MHz. Diese beiden Rauscharten werden allgemein als Hochfrequenzrauschen bezeichnet, und ihre Amplitude ist in der Regel deutlich größer als die Welligkeit.
Bei einem AC/DC-Wandler tritt neben den beiden oben genannten Welligkeiten (Rauschen) auch Wechselstromrauschen auf. Die Frequenz entspricht der Eingangsfrequenz der Wechselstromversorgung, etwa 50–60 Hz. Es tritt auch ein Co-Mode-Rauschen auf, da das Netzteil vieler Schaltnetzteile das Gehäuse als Strahler nutzt, wodurch eine entsprechende Kapazität erzeugt wird.
Messung der Schaltleistungswelligkeit
Grundvoraussetzungen:
Kopplung mit einem Oszilloskop AC
20 MHz Bandbreitenbegrenzung
Ziehen Sie das Erdungskabel der Sonde ab
1. Die AC-Kopplung dient dazu, die überlagerte Gleichspannung zu entfernen und eine genaue Wellenform zu erhalten.
2. Das Öffnen der Bandbreitengrenze von 20 MHz dient dazu, Störungen durch hochfrequentes Rauschen zu verhindern und Fehler zu vermeiden. Da die Amplitude der hochfrequenten Zusammensetzung groß ist, sollte sie bei der Messung entfernt werden.
3. Ziehen Sie den Erdungsclip der Oszilloskopsonde ab und verwenden Sie die Erdungsmessung, um Störungen zu reduzieren. Viele Abteilungen haben keine Erdungsringe. Berücksichtigen Sie diesen Faktor jedoch bei der Beurteilung, ob es qualifiziert ist.
Ein weiterer Punkt ist die Verwendung eines 50-Ω-Anschlusses. Laut den Informationen des Oszilloskops dient das 50-Ω-Modul dazu, die Gleichstromkomponente zu entfernen und die Wechselstromkomponente genau zu messen. Es gibt jedoch nur wenige Oszilloskope mit solchen Spezialsonden. In den meisten Fällen werden Sonden von 100 kΩ bis 10 MΩ verwendet, was vorübergehend unklar ist.
Dies sind die grundlegenden Vorsichtsmaßnahmen beim Messen der Schaltwelligkeit. Wenn die Oszilloskopsonde nicht direkt dem Ausgangspunkt ausgesetzt ist, sollte sie über verdrillte Leitungen oder 50-Ω-Koaxialkabel gemessen werden.
Bei der Messung von Hochfrequenzrauschen liegt das gesamte Band des Oszilloskops im Allgemeinen im Bereich von mehreren Hundert Megahertz bis GHz. Andere Messungen sind die gleichen wie oben beschrieben. Möglicherweise verwenden verschiedene Unternehmen unterschiedliche Testmethoden. Letztendlich müssen Sie Ihre Testergebnisse kennen.
Über Oszilloskope:
Einige digitale Oszilloskope können aufgrund von Störungen und Speichertiefe Welligkeiten nicht korrekt messen. In diesem Fall sollte das Oszilloskop ausgetauscht werden. Manchmal ist die Leistung eines alten Simulationsoszilloskops besser als die eines digitalen Oszilloskops, obwohl die Bandbreite nur einige zehn Megabyte beträgt.
Unterdrückung von Schaltleistungswelligkeiten
Beim Schalten von Welligkeiten gibt es theoretisch und tatsächlich eine gewisse Welligkeit. Es gibt drei Möglichkeiten, diese zu unterdrücken bzw. zu reduzieren:
1. Erhöhen Sie die Induktivität und die Ausgangskondensatorfilterung
Gemäß der Formel des Schaltnetzteils werden die Stromschwankungsgröße und der Induktivitätswert der induktiven Induktivität umgekehrt proportional, und die Ausgangswelligkeit und die Ausgangskondensatoren sind umgekehrt proportional. Daher kann eine Erhöhung der elektrischen und Ausgangskondensatoren die Welligkeit reduzieren.
Das Bild oben zeigt die Stromwellenform in der Induktivität L des Schaltnetzteils. Ihr Welligkeitsstrom △ i kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Es ist ersichtlich, dass eine Erhöhung des L-Werts oder eine Erhöhung der Schaltfrequenz die Stromschwankungen in der Induktivität verringern kann.
Ähnlich verhält es sich mit der Beziehung zwischen Ausgangswelligkeit und Ausgangskondensator: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Man erkennt, dass eine Erhöhung des Ausgangskondensatorwerts die Welligkeit verringern kann.
Die übliche Methode besteht darin, Aluminium-Elektrolytkondensatoren für die Ausgangskapazität zu verwenden, um eine hohe Kapazität zu erreichen. Elektrolytkondensatoren sind jedoch nicht sehr effektiv bei der Unterdrückung von Hochfrequenzrauschen, und der ESR ist relativ groß. Daher wird ein Keramikkondensator daneben angeschlossen, um den Mangel an Aluminium-Elektrolytkondensatoren auszugleichen.
Gleichzeitig bleibt bei eingeschalteter Stromversorgung die Spannung VIN des Eingangsanschlusses unverändert, der Strom ändert sich jedoch mit dem Schalter. Zu diesem Zeitpunkt liefert die Eingangsstromversorgung keinen Strombrunnen, normalerweise in der Nähe des Stromeingangsanschlusses (beim Abwärtswandler beispielsweise in der Nähe des Schalters) und verbindet die Kapazität, um Strom bereitzustellen.
Nach Anwendung dieser Gegenmaßnahme wird das Buck-Schaltnetzteil in der folgenden Abbildung dargestellt:
Der obige Ansatz beschränkt sich auf die Reduzierung von Welligkeiten. Aufgrund der Volumenbegrenzung ist die Induktivität nicht sehr groß; der Ausgangskondensator erhöht sich bis zu einem gewissen Grad, und es gibt keinen offensichtlichen Effekt auf die Reduzierung der Welligkeiten; die Erhöhung der Schaltfrequenz erhöht den Schaltverlust. Bei strengen Anforderungen ist diese Methode daher nicht sehr gut geeignet.
Informationen zu den Prinzipien von Schaltnetzteilen finden Sie in den verschiedenen Designhandbüchern für Schaltnetzteile.
2. Zweistufige Filterung besteht darin, LC-Filter der ersten Ebene hinzuzufügen
Die hemmende Wirkung des LC-Filters auf die Rauschwelligkeit ist relativ offensichtlich. Wählen Sie entsprechend der zu entfernenden Welligkeitsfrequenz den entsprechenden Induktorkondensator für die Filterschaltung aus. Im Allgemeinen kann die Welligkeit dadurch gut reduziert werden. In diesem Fall müssen Sie den Abtastpunkt der Rückkopplungsspannung berücksichtigen. (Wie unten gezeigt)
Der Abtastpunkt wird vor dem LC-Filter (PA) gewählt, wodurch die Ausgangsspannung reduziert wird. Da jede Induktivität einen Gleichstromwiderstand besitzt, kommt es bei Stromausgang zu einem Spannungsabfall in der Induktivität, was zu einer Verringerung der Ausgangsspannung des Netzteils führt. Dieser Spannungsabfall ändert sich mit dem Ausgangsstrom.
Der Abtastpunkt wird nach dem LC-Filter (PB) ausgewählt, sodass die Ausgangsspannung der gewünschten Spannung entspricht. Allerdings werden im Stromversorgungssystem eine Induktivität und ein Kondensator eingeführt, die zu Systeminstabilitäten führen können.
3. Nach dem Ausgang des Schaltnetzteils schließen Sie LDO-Filterung an
Dies ist der effektivste Weg, um Welligkeit und Rauschen zu reduzieren. Die Ausgangsspannung ist konstant und das ursprüngliche Rückkopplungssystem muss nicht geändert werden, aber es ist auch der kostengünstigste und der höchste Stromverbrauch.
Jeder LDO hat einen Indikator: Rauschunterdrückungsverhältnis. Es handelt sich um eine Frequenz-DB-Kurve, wie in der folgenden Abbildung dargestellt, ist die Kurve des LT3024 LT3024.
Nach LDO liegt die Schaltwelligkeit im Allgemeinen unter 10 mV. Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich der Welligkeit vor und nach LDO:
Ein Vergleich der Kurve in der Abbildung oben und der Wellenform links zeigt, dass die Hemmwirkung des LDO bei Schaltwelligkeiten von mehreren hundert KHz sehr gut ist. Im Hochfrequenzbereich ist die Wirkung des LDO jedoch nicht so optimal.
Reduzieren Sie Welligkeiten. Auch die Leiterplattenverdrahtung des Schaltnetzteils ist entscheidend. Bei hochfrequentem Rauschen hat die Nachstufenfilterung aufgrund der hohen Frequenz zwar einen gewissen Effekt, dieser ist jedoch nicht offensichtlich. Hierzu gibt es spezielle Studien. Ein einfacher Ansatz besteht darin, die Diode und die Kapazität C oder RC oder die Induktivität in Reihe zu schalten.
Die obige Abbildung zeigt ein Ersatzschaltbild der tatsächlichen Diode. Bei Hochgeschwindigkeitsdioden müssen parasitäre Parameter berücksichtigt werden. Während der Sperrverzögerungszeit der Diode bilden die äquivalente Induktivität und Kapazität einen RC-Oszillator, der hochfrequente Schwingungen erzeugt. Um diese hochfrequenten Schwingungen zu unterdrücken, muss an beiden Enden der Diode eine Kapazität C oder ein RC-Puffernetzwerk angeschlossen werden. Der Widerstand beträgt in der Regel 10 Ω–100 ω, die Kapazität 4,7 pF–2,2 NF.
Die Kapazität C bzw. RC an der Diode C bzw. RC lässt sich durch wiederholte Tests ermitteln. Eine falsche Wahl führt zu stärkeren Schwingungen.
Beitragszeit: 08.07.2023
