L'ondulazione residua della potenza di commutazione è inevitabile. Il nostro obiettivo finale è ridurre l'ondulazione residua in uscita a un livello tollerabile. La soluzione più fondamentale per raggiungere questo obiettivo è evitare la generazione di ondulazioni. Innanzitutto, bisogna individuarne la causa.
Con l'interruttore SWITCH, anche la corrente nell'induttanza L fluttua verso l'alto e verso il basso al valore valido della corrente di uscita. Pertanto, si verificherà anche un'ondulazione alla stessa frequenza dell'interruttore all'estremità di uscita. Generalmente, le ondulazioni dell'induttanza si riferiscono a questo, che è correlato alla capacità del condensatore di uscita e all'ESR. La frequenza di questa ondulazione è la stessa dell'alimentatore switching, con un intervallo da decine a centinaia di kHz.
Inoltre, lo Switch utilizza generalmente transistor bipolari o MOSFET. Indipendentemente da quale sia, ci sarà un tempo di salita e di discesa quando è acceso e spento. In questo momento, non ci sarà rumore nel circuito che sia uguale al tempo di salita e di discesa dello Switch, o di qualche volta, ed è generalmente di decine di MHz. Analogamente, il diodo D è in reverse recovery. Il circuito equivalente è la serie di condensatori e induttori a resistenza, che causerà risonanza, e la frequenza del rumore è di decine di MHz. Questi due tipi di rumore sono generalmente chiamati rumore ad alta frequenza e l'ampiezza è solitamente molto maggiore dell'ondulazione.
Se si tratta di un convertitore CA/CC, oltre alle due ondulazioni (rumore) sopra menzionate, si verifica anche un rumore CA. La frequenza è quella dell'alimentazione CA in ingresso, circa 50-60 Hz. È presente anche un rumore co-mode, poiché il dispositivo di potenza di molti alimentatori switching utilizza l'involucro come radiatore, producendo una capacità equivalente.
Misurazione delle ondulazioni della potenza di commutazione
Requisiti di base:
Accoppiamento con un oscilloscopio AC
Limite di larghezza di banda di 20 MHz
Scollegare il filo di terra della sonda
1. L'accoppiamento CA serve a rimuovere la sovrapposizione della tensione CC e a ottenere una forma d'onda precisa.
2. L'apertura del limite di larghezza di banda di 20 MHz serve a prevenire l'interferenza del rumore ad alta frequenza e a prevenire l'errore. Poiché l'ampiezza della composizione ad alta frequenza è elevata, è necessario rimuoverla durante la misurazione.
3. Scollegare la pinza di terra della sonda dell'oscilloscopio e utilizzare la misurazione della messa a terra per ridurre le interferenze. Molti dipartimenti non dispongono di anelli di terra. Tuttavia, è opportuno considerare questo fattore quando si valuta se un sistema è idoneo.
Un altro punto è l'utilizzo di un terminale da 50Ω. Secondo le informazioni dell'oscilloscopio, il modulo da 50Ω serve a rimuovere la componente continua e a misurare accuratamente la componente alternata. Tuttavia, sono pochi gli oscilloscopi dotati di sonde così speciali. Nella maggior parte dei casi, si utilizzano sonde da 100kΩ a 10MΩ, il che è temporaneamente poco chiaro.
Quanto sopra riportato rappresenta le precauzioni di base da adottare quando si misura il ripple di commutazione. Se la sonda dell'oscilloscopio non è esposta direttamente al punto di uscita, la misurazione deve essere effettuata tramite cavi intrecciati o cavi coassiali da 50 Ω.
Quando si misura il rumore ad alta frequenza, l'intera banda dell'oscilloscopio è generalmente compresa tra centinaia di mega e GHz. Altri sono identici a quelli sopra. È possibile che aziende diverse utilizzino metodi di prova diversi. In ultima analisi, è fondamentale conoscere i risultati dei test.
Informazioni sull'oscilloscopio:
Alcuni oscilloscopi digitali non riescono a misurare correttamente le ondulazioni a causa di interferenze e profondità di memoria. In questo caso, è consigliabile sostituire l'oscilloscopio. A volte, sebbene la larghezza di banda del vecchio oscilloscopio di simulazione sia solo di poche decine di mega, le prestazioni sono migliori rispetto a quelle dell'oscilloscopio digitale.
Inibizione delle increspature di potenza di commutazione
Per quanto riguarda le increspature di commutazione, esistono sia teoricamente che realmente. Esistono tre modi per sopprimerle o ridurle:
1. Aumentare l'induttanza e il filtraggio del condensatore di uscita
Secondo la formula dell'alimentatore switching, l'entità della fluttuazione di corrente e il valore dell'induttanza induttiva diventano inversamente proporzionali, e le ondulazioni di uscita e i condensatori di uscita sono inversamente proporzionali. Pertanto, l'aumento del numero di condensatori elettrici e di uscita può ridurre le ondulazioni.
L'immagine sopra mostra la forma d'onda della corrente nell'induttore L dell'alimentatore switching. La sua corrente di ripple △ i può essere calcolata con la seguente formula:
Si può osservare che aumentando il valore L o aumentando la frequenza di commutazione è possibile ridurre le fluttuazioni di corrente nell'induttanza.
Analogamente, la relazione tra ondulazioni di uscita e condensatori di uscita è: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Si può osservare che aumentando il valore del condensatore di uscita si può ridurre l'ondulazione.
Il metodo più comune consiste nell'utilizzare condensatori elettrolitici in alluminio per la capacità di uscita, al fine di ottenere una capacità elevata. Tuttavia, i condensatori elettrolitici non sono molto efficaci nel sopprimere il rumore ad alta frequenza e l'ESR è relativamente elevato, quindi si collegherà un condensatore ceramico accanto per compensare la mancanza di condensatori elettrolitici in alluminio.
Allo stesso tempo, quando l'alimentatore è in funzione, la tensione VIN del terminale di ingresso rimane invariata, ma la corrente varia con l'interruttore. In questo momento, l'alimentatore in ingresso non fornisce un pozzo di corrente, solitamente vicino al terminale di ingresso della corrente (prendendo come esempio il tipo buck, è vicino all'interruttore), e collega la capacità per fornire corrente.
Dopo aver applicato questa contromisura, l'alimentatore Buck Switch è mostrato nella figura seguente:
L'approccio sopra descritto si limita a ridurre le ondulazioni. A causa del limite di volume, l'induttanza non sarà molto elevata; il condensatore di uscita aumenta di una certa misura e non vi è alcun effetto evidente sulla riduzione delle ondulazioni; l'aumento della frequenza di commutazione aumenterà le perdite di commutazione. Pertanto, quando i requisiti sono rigorosi, questo metodo non è molto efficace.
Per i principi dell'alimentatore switching, è possibile fare riferimento a vari tipi di manuali di progettazione dell'alimentatore switching.
2. Il filtraggio a due livelli consiste nell'aggiungere filtri LC di primo livello
L'effetto inibitorio del filtro LC sul ripple di rumore è relativamente ovvio. In base alla frequenza di ripple da rimuovere, si seleziona l'induttore-condensatore appropriato per formare il circuito di filtro. Generalmente, può ridurre efficacemente i ripple. In questo caso, è necessario considerare il punto di campionamento della tensione di retroazione. (Come mostrato di seguito)
Il punto di campionamento viene selezionato prima del filtro LC (PA) e la tensione di uscita verrà ridotta. Poiché qualsiasi induttanza ha una resistenza CC, quando si verifica un'uscita di corrente, si verificherà una caduta di tensione nell'induttanza, con conseguente diminuzione della tensione di uscita dell'alimentatore. Questa caduta di tensione varia con la corrente di uscita.
Il punto di campionamento viene selezionato dopo il filtro LC (PB), in modo che la tensione di uscita sia quella desiderata. Tuttavia, all'interno del sistema di alimentazione vengono introdotti un'induttanza e un condensatore, che potrebbero causare instabilità del sistema.
3. Dopo l'uscita dell'alimentatore switching, collegare il filtraggio LDO
Questo è il modo più efficace per ridurre ondulazioni e rumore. La tensione di uscita è costante e non richiede la modifica del sistema di feedback originale, ma è anche il più conveniente e il più basso consumo energetico.
Ogni LDO ha un indicatore: il rapporto di soppressione del rumore. Si tratta di una curva frequenza-DB, come mostrato nella figura sottostante.
Dopo l'LDO, l'ondulazione di commutazione è generalmente inferiore a 10 mV. La figura seguente mostra il confronto delle ondulazioni prima e dopo l'LDO:
Confrontando la curva della figura sopra e la forma d'onda a sinistra, si può notare che l'effetto inibitorio dell'LDO è molto buono per le ondulazioni di commutazione di centinaia di kHz. Tuttavia, all'interno di un intervallo di frequenze elevate, l'effetto dell'LDO non è così ideale.
Ridurre le ondulazioni. Anche il cablaggio del PCB dell'alimentatore switching è fondamentale. Per il rumore ad alta frequenza, a causa dell'elevata frequenza, sebbene il filtraggio post-stadio abbia un certo effetto, l'effetto non è evidente. Esistono studi specifici a questo proposito. L'approccio più semplice consiste nel collegare il diodo e la capacità C o RC, oppure collegare l'induttanza in serie.
La figura sopra è un circuito equivalente del diodo reale. Quando il diodo è ad alta velocità, è necessario considerare i parametri parassiti. Durante il recupero inverso del diodo, l'induttanza equivalente e la capacità equivalente si trasformano in un oscillatore RC, generando oscillazioni ad alta frequenza. Per sopprimere queste oscillazioni ad alta frequenza, è necessario collegare una capacità C o una rete buffer RC a entrambe le estremità del diodo. La resistenza è generalmente compresa tra 10Ω e 100 ω e la capacità è compresa tra 4,7PF e 2,2NF.
La capacità C o RC del diodo può essere determinata mediante ripetuti test. Se non selezionata correttamente, causerà oscillazioni più intense.
Data di pubblicazione: 08-07-2023
