Die Welligkeit der Schaltleistung ist unvermeidlich.Unser oberstes Ziel ist es, die Ausgangswelligkeit auf ein erträgliches Maß zu reduzieren.Die grundlegendste Lösung zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Entstehung von Wellen zu vermeiden.Zunächst einmal Und die Ursache.
Mit der Umschaltung des SWITCH schwankt auch der Strom in der Induktivität L auf und ab um den gültigen Wert des Ausgangsstroms.Daher entsteht auch am Ausgangsende eine Welligkeit mit der gleichen Frequenz wie der Schalter.Im Allgemeinen beziehen sich die Rippelwellen darauf, was mit der Kapazität des Ausgangskondensators und dem ESR zusammenhängt.Die Frequenz dieser Welligkeit ist mit der des Schaltnetzteils identisch und liegt im Bereich von mehreren zehn bis hundert kHz.
Darüber hinaus verwendet Switch im Allgemeinen Bipolartransistoren oder MOSFETs.Unabhängig davon gibt es eine Anstiegs- und Abfallzeit, wenn es eingeschaltet und ausgeschaltet ist.Zu diesem Zeitpunkt gibt es in der Schaltung kein Rauschen, das mit der Anstiegszeit und der Abfallzeit des Schalters übereinstimmt oder einige Male beträgt und im Allgemeinen mehrere zehn MHz beträgt.Ebenso befindet sich die Diode D im Sperrerholungsmodus.Das Ersatzschaltbild besteht aus einer Reihe von Widerstandskondensatoren und Induktivitäten, die Resonanz verursachen, und die Rauschfrequenz beträgt mehrere zehn MHz.Diese beiden Geräusche werden im Allgemeinen als Hochfrequenzrauschen bezeichnet und ihre Amplitude ist normalerweise viel größer als die Welligkeit.
Wenn es sich um einen AC/DC-Wandler handelt, kommt es zusätzlich zu den beiden oben genannten Welligkeiten (Rauschen) auch zu AC-Rauschen.Die Frequenz ist die Frequenz der Eingangs-Wechselstromversorgung, etwa 50–60 Hz.Es gibt auch ein Co-Mode-Rauschen, da das Leistungsgerät vieler Schaltnetzteile das Gehäuse als Strahler nutzt, der eine äquivalente Kapazität erzeugt.
Messung von Schaltleistungswelligkeiten
Grundlegende Anforderungen:
Kopplung mit einem Oszilloskop AC
20-MHz-Bandbreitenbegrenzung
Ziehen Sie das Erdungskabel der Sonde ab
1. AC-Kopplung dient dazu, die überlagerte Gleichspannung zu entfernen und eine genaue Wellenform zu erhalten.
2. Das Öffnen der 20-MHz-Bandbreitengrenze dient dazu, Störungen durch hochfrequentes Rauschen und Fehler zu verhindern.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 verfügen nicht über Erdungsringe.Berücksichtigen Sie diesen Faktor jedoch bei der Beurteilung, ob es qualifiziert ist.
Ein weiterer Punkt ist die Verwendung eines 50-Ω-Anschlusses.Den Informationen des Oszilloskops zufolge dient das 50-Ω-Modul dazu, die Gleichstromkomponente zu entfernen und die Wechselstromkomponente genau zu messen.Allerdings gibt es nur wenige Oszilloskope mit solch speziellen Tastköpfen.In den meisten Fällen wird die Verwendung von Sonden von 100 kΩ bis 10 MΩ verwendet, was vorübergehend unklar ist.
Das Obige sind die grundlegenden Vorsichtsmaßnahmen bei der Messung der Schaltwelligkeit.Wenn der Oszilloskop-Tastkopf nicht direkt dem Ausgangspunkt ausgesetzt ist, sollte er mit verdrillten Leitungen oder 50-Ω-Koaxialkabeln gemessen werden.
Bei der Messung von hochfrequentem Rauschen liegt das gesamte Band des Oszilloskops im Allgemeinen im Bereich von Hunderten von Mega- bis GHz-Bereichen.Andere sind die gleichen wie oben.Möglicherweise haben verschiedene Unternehmen unterschiedliche Testmethoden.Letztendlich müssen Sie Ihre Testergebnisse kennen.
Über Oszilloskop:
Einige digitale Oszilloskope können Welligkeiten aufgrund von Interferenzen und der Speichertiefe nicht korrekt messen.Zu diesem Zeitpunkt sollte das Oszilloskop ausgetauscht werden.Manchmal ist die Leistung besser als beim digitalen Oszilloskop, obwohl die Bandbreite des alten Simulationsoszilloskops nur mehrere zehn Megapixel beträgt.
Unterdrückung der Welligkeit der Schaltleistung
Für Schaltwelligkeiten gibt es theoretisch und tatsächlich.Es gibt drei Möglichkeiten, es zu unterdrücken oder zu reduzieren:
1. Erhöhen Sie die Filterung der Induktivität und des Ausgangskondensators
Gemäß der Formel des Schaltnetzteils werden die Stromschwankungsgröße und der Induktivitätswert der induktiven Induktivität umgekehrt proportional, und die Ausgangswelligkeit und Ausgangskondensatoren sind umgekehrt proportional.Daher kann eine Erhöhung der elektrischen Kapazität und der Ausgangskondensatoren die Welligkeit verringern.
Das Bild oben zeigt die Stromwellenform in der Induktivität L des Schaltnetzteils. Sein Welligkeitsstrom △ i kann mit der folgenden Formel berechnet werden:
Es ist ersichtlich, dass durch Erhöhen des L-Werts oder Erhöhen der Schaltfrequenz die Stromschwankungen in der Induktivität verringert werden können.
Ebenso die Beziehung zwischen Ausgangswelligkeiten und Ausgangskondensatoren: VRIPPLE = IMAX/(CO × F).Es ist ersichtlich, dass eine Erhöhung des Ausgangskondensatorwerts die Welligkeit verringern kann.
Die übliche Methode besteht darin, Aluminium-Elektrolytkondensatoren als Ausgangskapazität zu verwenden, um den Zweck einer großen Kapazität zu erreichen.Allerdings sind Elektrolytkondensatoren bei der Unterdrückung hochfrequenter Störungen nicht sehr effektiv und der ESR ist relativ groß. Daher wird ein Keramikkondensator daneben geschaltet, 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 stellt die Eingangsstromversorgung keine Stromquelle bereit, normalerweise in der Nähe des Stromeingangsanschlusses (am Beispiel des Buck-Typs befindet er sich in der Nähe des Schalters) und verbindet die Kapazität, um Strom bereitzustellen.
Nach Anwendung dieser Gegenmaßnahme ist die Stromversorgung des Buck-Schalters in der folgenden Abbildung dargestellt:
Der obige Ansatz beschränkt sich auf die Reduzierung von Wellen.Aufgrund der Volumenbegrenzung wird die Induktivität nicht sehr groß sein;Der Ausgangskondensator erhöht sich bis zu einem gewissen Grad und es gibt keinen offensichtlichen Effekt auf die Reduzierung der Welligkeit.Die Erhöhung der Schaltfrequenz erhöht den Schaltverlust.Wenn die Anforderungen streng sind, ist diese Methode nicht sehr gut.
Informationen zu den Prinzipien der Schaltnetzteilversorgung finden Sie in den Designhandbüchern für verschiedene Arten von Schaltnetzteilen.
2. Bei der zweistufigen Filterung werden LC-Filter der ersten Stufe hinzugefügt
Die hemmende Wirkung des LC-Filters auf die Rauschwelligkeit ist relativ offensichtlich.Wählen Sie entsprechend der zu entfernenden Welligkeitsfrequenz den geeigneten Induktorkondensator zur Bildung der Filterschaltung aus.Im Allgemeinen kann es die Wellen gut reduzieren.In diesem Fall müssen Sie den Abtastpunkt der Rückkopplungsspannung berücksichtigen.(Wie nachfolgend dargestellt)
Der Abtastpunkt wird vor dem LC-Filter (PA) gewählt und die Ausgangsspannung wird reduziert.Da jede Induktivität über einen Gleichstromwiderstand verfügt, kommt es bei einem Stromausgang zu einem Spannungsabfall in der Induktivität, was zu einer Verringerung der Ausgangsspannung des Netzteils führt.Und dieser Spannungsabfall ändert sich mit dem Ausgangsstrom.
Der Abtastpunkt wird nach dem LC-Filter (PB) ausgewählt, sodass die Ausgangsspannung die von uns gewünschte Spannung ist.Allerdings werden im Stromnetz eine Induktivität und ein Kondensator eingebaut, was zu Systeminstabilität führen kann.
3. Schließen Sie nach dem Ausgang des Schaltnetzteils die LDO-Filterung an
Dies ist der effektivste Weg, Wellen und Lärm zu reduzieren.Die Ausgangsspannung ist konstant und erfordert keine Änderung des ursprünglichen Rückkopplungssystems, ist aber auch am kostengünstigsten und hat den höchsten Stromverbrauch.
Jeder LDO hat einen Indikator: Rauschunterdrückungsverhältnis.Es handelt sich um eine Frequenz-DB-Kurve, wie in der Abbildung unten gezeigt, die Kurve von LT3024 LT3024.
Nach LDO liegt die Schaltwelligkeit im Allgemeinen unter 10 mV.Die folgende Abbildung zeigt den Vergleich der Wellen vor und nach LDO:
Verglichen mit der Kurve in der Abbildung oben und der Wellenform links ist ersichtlich, dass die Hemmwirkung von LDO für Schaltwellen von Hunderten von kHz sehr gut ist.Im Hochfrequenzbereich ist die Wirkung des LDO jedoch nicht so ideal.
Reduzieren Sie Wellen.Auch die Leiterplattenverkabelung des Schaltnetzteils ist von entscheidender Bedeutung.Bei hochfrequentem Rauschen hat die Filterung nach der Stufe aufgrund der großen Frequenz der Hochfrequenz zwar einen gewissen Effekt, dieser ist jedoch nicht offensichtlich.Hierzu gibt es spezielle Studien.Der einfache Ansatz besteht darin, die Diode und die Kapazität C oder RC einzuschalten oder die Induktivität in Reihe zu schalten.
Die obige Abbildung ist ein Ersatzschaltbild der tatsächlichen Diode.Bei Hochgeschwindigkeitsdioden müssen parasitäre Parameter berücksichtigt werden.Während der Rückwärtserholung der Diode wurden die äquivalente Induktivität und die äquivalente Kapazität zu einem RC-Oszillator, der hochfrequente Schwingungen erzeugte.Um diese hochfrequente Schwingung zu unterdrücken, ist es notwendig, an beiden Enden der Diode eine Kapazität C oder ein RC-Puffernetzwerk anzuschließen.Der Widerstand beträgt im Allgemeinen 10 Ω–100 ω und die Kapazität beträgt 4,7 PF–2,2 NF.
Die Kapazität C bzw. RC an der Diode C bzw. RC kann durch wiederholte Tests ermittelt werden.Wenn es nicht richtig ausgewählt wird, kommt es zu stärkeren Schwingungen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.07.2023