کالاهای خشک | یک مقاله به تولید، اندازه‌گیری و حذف ریپل توان سوئیچینگ می‌پردازد

ریپل توان سوئیچینگ اجتناب‌ناپذیر است. هدف نهایی ما کاهش ریپل خروجی به سطح قابل تحمل است. اساسی‌ترین راه حل برای رسیدن به این هدف، جلوگیری از تولید ریپل است. اول از همه و علت آن.

با تغییر سوئیچ، جریان در اندوکتانس L نیز در مقدار معتبر جریان خروجی به بالا و پایین نوسان می‌کند. بنابراین، یک ریپل نیز وجود خواهد داشت که همان فرکانس سوئیچ در انتهای خروجی است. به طور کلی، ریپل‌های ریبر به این اشاره دارند که مربوط به ظرفیت خازن خروجی و ESR است. فرکانس این ریپل مشابه منبع تغذیه سوئیچینگ است و محدوده آن از ده‌ها تا صدها کیلوهرتز است.

علاوه بر این، سوئیچ معمولاً از ترانزیستورهای دوقطبی یا MOSFET استفاده می‌کند. فرقی نمی‌کند کدام یک باشد، وقتی روشن و خاموش می‌شود، یک زمان افزایش و کاهش وجود خواهد داشت. در این زمان، هیچ نویزی در مدار وجود نخواهد داشت که همان زمان افزایش زمان کاهش سوئیچ یا چند برابر آن باشد و عموماً ده‌ها مگاهرتز است. به طور مشابه، دیود D در حالت بازیابی معکوس است. مدار معادل، سری خازن‌های مقاومتی و سلف‌ها است که باعث رزونانس می‌شود و فرکانس نویز ده‌ها مگاهرتز است. این دو نویز معمولاً نویز فرکانس بالا نامیده می‌شوند و دامنه آنها معمولاً بسیار بزرگتر از ریپل است.

اگر مبدل AC/DC باشد، علاوه بر دو ریپل (نویز) فوق، نویز AC نیز وجود دارد. فرکانس، فرکانس منبع تغذیه AC ورودی است که حدود ۵۰ تا ۶۰ هرتز می‌باشد. همچنین یک نویز هم-مد نیز وجود دارد، زیرا دستگاه تغذیه بسیاری از منابع تغذیه سوئیچینگ از پوسته به عنوان رادیاتور استفاده می‌کند که ظرفیت خازنی معادلی تولید می‌کند.

اندازه‌گیری ریپل‌های توان سوئیچینگ

الزامات اساسی:

اتصال با اسیلوسکوپ AC

محدودیت پهنای باند ۲۰ مگاهرتز

سیم اتصال به زمین پروب را جدا کنید

کوپلینگ AC برای حذف ولتاژ DC برهم‌نهی و بدست آوردن شکل موج دقیق است.

۲. باز کردن محدودیت پهنای باند ۲۰ مگاهرتز برای جلوگیری از تداخل نویز فرکانس بالا و جلوگیری از خطا است. از آنجا که دامنه ترکیب فرکانس بالا بزرگ است، هنگام اندازه‌گیری باید حذف شود.

۳. گیره اتصال زمین پروب اسیلوسکوپ را جدا کنید و از اندازه‌گیری زمین برای کاهش تداخل استفاده کنید. بسیاری از بخش‌ها حلقه‌های اتصال زمین ندارند. اما هنگام قضاوت در مورد واجد شرایط بودن، این عامل را در نظر بگیرید.

نکته دیگر استفاده از ترمینال ۵۰ اهم است. طبق اطلاعات اسیلوسکوپ، ماژول ۵۰ اهم برای حذف مولفه DC و اندازه‌گیری دقیق مولفه AC است. با این حال، اسیلوسکوپ‌های کمی با چنین پراب‌های مخصوصی وجود دارند. در بیشتر موارد، از پراب‌هایی از ۱۰۰ کیلو اهم تا ۱۰ مگا اهم استفاده می‌شود که موقتاً مشخص نیست.

موارد فوق اقدامات احتیاطی اولیه هنگام اندازه‌گیری ریپل سوئیچینگ است. اگر پروب اسیلوسکوپ مستقیماً در معرض نقطه خروجی قرار ندارد، باید توسط خطوط پیچ خورده یا کابل‌های کواکسیال ۵۰ اهم اندازه‌گیری شود.

هنگام اندازه‌گیری نویز فرکانس بالا، کل باند اسیلوسکوپ عموماً صدها مگا تا گیگاهرتز است. برخی دیگر نیز مانند موارد فوق هستند. شاید شرکت‌های مختلف روش‌های آزمایش متفاوتی داشته باشند. در تحلیل نهایی، شما باید نتایج آزمایش خود را بدانید.

درباره اسیلوسکوپ:

برخی از اسیلوسکوپ‌های دیجیتال به دلیل تداخل و عمق ذخیره‌سازی نمی‌توانند ریپل‌ها را به درستی اندازه‌گیری کنند. در این زمان، اسیلوسکوپ باید تعویض شود. گاهی اوقات اگرچه پهنای باند اسیلوسکوپ شبیه‌سازی قدیمی تنها ده‌ها مگا است، اما عملکرد آن از اسیلوسکوپ دیجیتال بهتر است.

مهار ریپل‌های توان سوئیچینگ

برای سوئیچینگ، ریپل‌ها از نظر تئوری و عملی وجود دارند. سه راه برای سرکوب یا کاهش آنها وجود دارد:

۱. افزایش اندوکتانس و فیلتر خازن خروجی

طبق فرمول منبع تغذیه سوئیچینگ، اندازه نوسان جریان و مقدار اندوکتانس القایی به طور معکوس متناسب می‌شوند و ریپل‌های خروجی و خازن‌های خروجی به طور معکوس متناسب هستند. بنابراین، افزایش خازن‌های الکتریکی و خروجی می‌تواند ریپل‌ها را کاهش دهد.

تصویر بالا شکل موج جریان در سلف منبع تغذیه سوئیچینگ L را نشان می‌دهد. ریپل جریان آن △ i را می‌توان از فرمول زیر محاسبه کرد:

می‌توان مشاهده کرد که افزایش مقدار L یا افزایش فرکانس سوئیچینگ می‌تواند نوسانات جریان در اندوکتانس را کاهش دهد.

به طور مشابه، رابطه بین ریپل‌های خروجی و خازن‌های خروجی: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). می‌توان مشاهده کرد که افزایش مقدار خازن خروجی می‌تواند ریپل را کاهش دهد.

روش معمول استفاده از خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی برای ظرفیت خروجی است تا به هدف ظرفیت بالا دست یابیم. با این حال، خازن‌های الکترولیتی در سرکوب نویز فرکانس بالا خیلی مؤثر نیستند و ESR نسبتاً بزرگ است، بنابراین یک خازن سرامیکی در کنار آن متصل می‌شود تا کمبود خازن‌های الکترولیتی آلومینیومی را جبران کند.

در عین حال، هنگامی که منبع تغذیه کار می‌کند، ولتاژ VIN ترمینال ورودی بدون تغییر است، اما جریان با تغییر سوئیچ تغییر می‌کند. در این زمان، منبع تغذیه ورودی، چاه جریانی را ارائه نمی‌دهد، معمولاً نزدیک ترمینال ورودی جریان (به عنوان مثال، نوع باک، نزدیک سوئیچ است) و خازن را برای تأمین جریان متصل می‌کند.

پس از اعمال این اقدام متقابل، منبع تغذیه سوئیچ باک در شکل زیر نشان داده شده است:

رویکرد فوق محدود به کاهش ریپل‌ها است. به دلیل محدودیت حجم، اندوکتانس خیلی بزرگ نخواهد بود؛ خازن خروجی تا حد مشخصی افزایش می‌یابد و هیچ تأثیر آشکاری بر کاهش ریپل‌ها ندارد؛ افزایش فرکانس سوئیچینگ باعث افزایش تلفات سوئیچینگ می‌شود. بنابراین وقتی الزامات سختگیرانه باشند، این روش خیلی خوب نیست.

برای اصول منبع تغذیه سوئیچینگ، می‌توانید به انواع مختلف کتابچه‌های راهنمای طراحی منبع تغذیه سوئیچینگ مراجعه کنید.

2. فیلتر دو سطحی برای اضافه کردن فیلترهای LC سطح اول است

اثر بازدارندگی فیلتر LC بر ریپل نویز نسبتاً واضح است. با توجه به فرکانس ریپل مورد نظر برای حذف، خازن سلف مناسب را برای تشکیل مدار فیلتر انتخاب کنید. به طور کلی، این می‌تواند ریپل‌ها را به خوبی کاهش دهد. در این حالت، باید نقطه نمونه‌برداری ولتاژ فیدبک را در نظر بگیرید. (مطابق شکل زیر)

نقطه نمونه‌برداری قبل از فیلتر LC (PA) انتخاب می‌شود و ولتاژ خروجی کاهش می‌یابد. از آنجا که هر القایی دارای مقاومت DC است، هنگامی که خروجی جریان وجود دارد، افت ولتاژ در القایی رخ می‌دهد و در نتیجه ولتاژ خروجی منبع تغذیه کاهش می‌یابد. و این افت ولتاژ با جریان خروجی تغییر می‌کند.

نقطه نمونه‌برداری بعد از فیلتر LC (PB) انتخاب می‌شود، به طوری که ولتاژ خروجی، ولتاژ مورد نظر ما باشد. با این حال، یک سلف و یک خازن در داخل سیستم قدرت وارد می‌شوند که ممکن است باعث ناپایداری سیستم شود.

۳. بعد از خروجی منبع تغذیه سوئیچینگ، فیلتر LDO را وصل کنید

این موثرترین روش برای کاهش ریپل و نویز است. ولتاژ خروجی ثابت است و نیازی به تغییر سیستم فیدبک اصلی ندارد، اما همچنین مقرون به صرفه‌ترین و بالاترین مصرف برق را دارد.

هر LDO یک شاخص دارد: نسبت حذف نویز. این یک منحنی فرکانس-DB است، همانطور که در شکل زیر منحنی LT3024 LT3024 نشان داده شده است.

بعد از LDO، ریپل سوئیچینگ عموماً کمتر از 10 میلی ولت است. شکل زیر مقایسه ریپل ها قبل و بعد از LDO را نشان می دهد:

در مقایسه با منحنی شکل بالا و شکل موج سمت چپ، می‌توان مشاهده کرد که اثر مهاری LDO برای ریپل‌های سوئیچینگ صدها کیلوهرتز بسیار خوب است. اما در محدوده فرکانس بالا، اثر LDO چندان ایده‌آل نیست.

کاهش موج‌ها. سیم‌کشی PCB منبع تغذیه سوئیچینگ نیز بسیار مهم است. برای نویز فرکانس بالا، به دلیل فرکانس بالای فرکانس بالا، اگرچه فیلترینگ پس از مرحله تأثیر خاصی دارد، اما این تأثیر آشکار نیست. مطالعات ویژه‌ای در این زمینه وجود دارد. رویکرد ساده این است که دیود و خازن C یا RC را روی هم قرار دهید، یا اندوکتانس را به صورت سری وصل کنید.

شکل بالا مدار معادل دیود واقعی است. وقتی دیود سرعت بالا باشد، پارامترهای پارازیتی باید در نظر گرفته شوند. در طول بازیابی معکوس دیود، اندوکتانس معادل و ظرفیت معادل به یک نوسان‌ساز RC تبدیل می‌شوند و نوسان فرکانس بالا تولید می‌کنند. برای سرکوب این نوسان فرکانس بالا، لازم است خازن C یا شبکه بافر RC در دو انتهای دیود متصل شود. مقاومت معمولاً 10Ω-100 ω و ظرفیت خازنی 4.7PF-2.2NF است.

ظرفیت خازنی C یا RC روی دیود C یا RC را می‌توان با آزمایش‌های مکرر تعیین کرد. اگر به درستی انتخاب نشود، باعث نوسان شدیدتری خواهد شد.