A ondulação da potência de comutação é inevitável. Nosso objetivo final é reduzir a ondulação da saída a um nível tolerável. A solução mais fundamental para atingir esse objetivo é evitar a geração de ondulações. Em primeiro lugar, a causa.
Ao comutar a chave, a corrente na indutância L também oscila para cima e para baixo no valor válido da corrente de saída. Portanto, também haverá uma ondulação com a mesma frequência da chave na extremidade de saída. Geralmente, as ondulações da riber referem-se a isso, que está relacionada à capacidade do capacitor de saída e à ESR. A frequência dessa ondulação é a mesma da fonte de alimentação chaveada, com uma faixa de dezenas a centenas de kHz.
Além disso, os interruptores geralmente utilizam transistores bipolares ou MOSFETs. Independentemente de qual seja, haverá um tempo de subida e descida quando o interruptor estiver ligado e desligado. Nesse momento, não haverá ruído no circuito, cujo tempo de subida e descida seja igual ao tempo de subida e descida do interruptor, ou algumas vezes maior, e geralmente é de dezenas de MHz. Da mesma forma, o diodo D está em recuperação reversa. O circuito equivalente é uma série de capacitores de resistência e indutores, que causarão ressonância, e a frequência do ruído é de dezenas de MHz. Esses dois ruídos são geralmente chamados de ruído de alta frequência, e a amplitude geralmente é muito maior que a ondulação.
Se for um conversor CA/CC, além das duas ondulações (ruído) acima, há também ruído CA. A frequência é a frequência da fonte de alimentação CA de entrada, em torno de 50-60 Hz. Há também ruído de co-modo, pois o dispositivo de alimentação de muitas fontes de alimentação chaveadas utiliza a carcaça como radiador, o que produz uma capacitância equivalente.
Medição de ondulações de potência de comutação
Requisitos básicos:
Acoplamento com um osciloscópio CA
Limite de largura de banda de 20 MHz
Desconecte o fio terra da sonda
1. O acoplamento CA serve para remover a superposição de tensão CC e obter uma forma de onda precisa.
2. A abertura do limite de largura de banda de 20 MHz visa evitar a interferência de ruído de alta frequência e evitar erros. Como a amplitude da composição de alta frequência é grande, ela deve ser removida durante a medição.
3. Desconecte o clipe de aterramento da ponta de prova do osciloscópio e use a medição de aterramento para reduzir a interferência. Muitos departamentos não possuem anéis de aterramento. Mas considere este fator ao avaliar se o aparelho é qualificado.
Outro ponto é o uso de um terminal de 50Ω. De acordo com as informações do osciloscópio, o módulo de 50Ω serve para remover o componente CC e medir com precisão o componente CA. No entanto, existem poucos osciloscópios com pontas de prova especiais. Na maioria dos casos, são utilizadas pontas de prova de 100kΩ a 10MΩ, o que ainda não está claro.
As precauções básicas acima são tomadas ao medir a ondulação de comutação. Se a ponta de prova do osciloscópio não estiver diretamente exposta ao ponto de saída, a medição deve ser feita com fios trançados ou cabos coaxiais de 50 Ω.
Ao medir ruído de alta frequência, a banda completa do osciloscópio geralmente varia de centenas de megas a GHz. Outros são semelhantes aos mencionados acima. Talvez diferentes empresas tenham métodos de teste diferentes. Em última análise, você precisa conhecer os resultados do seu teste.
Sobre o osciloscópio:
Alguns osciloscópios digitais não conseguem medir ondulações corretamente devido à interferência e à profundidade de armazenamento. Nesse caso, o osciloscópio deve ser substituído. Às vezes, embora a largura de banda do osciloscópio de simulação antigo seja de apenas dezenas de megas, o desempenho é melhor do que o osciloscópio digital.
Inibição de ondulações de potência de comutação
Para ondulações de comutação, teórica e efetivamente existem. Existem três maneiras de suprimi-las ou reduzi-las:
1. Aumentar a indutância e a filtragem do capacitor de saída
De acordo com a fórmula da fonte de alimentação chaveada, a magnitude da flutuação da corrente e o valor da indutância da indutância indutiva tornam-se inversamente proporcionais, e as ondulações de saída e os capacitores de saída são inversamente proporcionais. Portanto, o aumento da capacidade elétrica e dos capacitores de saída pode reduzir as ondulações.
A imagem acima é a forma de onda da corrente no indutor L da fonte de alimentação chaveada. Sua corrente de ondulação △ i pode ser calculada pela seguinte fórmula:
Pode-se observar que aumentar o valor de L ou aumentar a frequência de comutação pode reduzir as flutuações de corrente na indutância.
Da mesma forma, a relação entre ondulações de saída e capacitores de saída é: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Pode-se observar que aumentar o valor do capacitor de saída pode reduzir a ondulação.
O método usual é usar capacitores eletrolíticos de alumínio para a capacitância de saída, a fim de atingir a alta capacidade. No entanto, os capacitores eletrolíticos não são muito eficazes na supressão de ruídos de alta frequência e a ESR é relativamente alta, portanto, será necessário conectar um capacitor cerâmico próximo a eles para compensar a falta de capacitores eletrolíticos de alumínio.
Ao mesmo tempo, quando a fonte de alimentação está funcionando, a tensão VIN do terminal de entrada permanece inalterada, mas a corrente muda com a chave. Nesse momento, a fonte de alimentação de entrada não fornece um poço de corrente, geralmente próximo ao terminal de entrada de corrente (tomando o tipo Buck como exemplo, próximo à chave), e conecta o capacitor para fornecer corrente.
Após aplicar esta contramedida, a fonte de alimentação do interruptor Buck é mostrada na figura abaixo:
A abordagem acima limita-se à redução de ondulações. Devido ao limite de volume, a indutância não será muito alta; o capacitor de saída aumenta até certo ponto e não há efeito óbvio na redução das ondulações; o aumento da frequência de comutação aumentará a perda de comutação. Portanto, quando os requisitos são rigorosos, este método não é muito adequado.
Para os princípios de fonte de alimentação chaveada, você pode consultar vários tipos de manuais de projeto de fonte de alimentação chaveada.
2. A filtragem de dois níveis consiste em adicionar filtros LC de primeiro nível
O efeito inibitório do filtro LC sobre a ondulação do ruído é relativamente óbvio. De acordo com a frequência de ondulação a ser removida, selecione o capacitor indutor apropriado para formar o circuito do filtro. Geralmente, ele pode reduzir bem as ondulações. Nesse caso, é necessário considerar o ponto de amostragem da tensão de realimentação. (Conforme mostrado abaixo)
O ponto de amostragem é selecionado antes do filtro LC (PA), e a tensão de saída será reduzida. Como qualquer indutância possui uma resistência CC, quando há uma saída de corrente, haverá uma queda de tensão na indutância, resultando em uma diminuição na tensão de saída da fonte de alimentação. E essa queda de tensão varia com a corrente de saída.
O ponto de amostragem é selecionado após o filtro LC (PB), de modo que a tensão de saída seja a tensão desejada. No entanto, uma indutância e um capacitor são introduzidos no sistema de energia, o que pode causar instabilidade no sistema.
3. Após a saída da fonte de alimentação de comutação, conecte a filtragem LDO
Esta é a maneira mais eficaz de reduzir ondulações e ruídos. A tensão de saída é constante e não requer alterações no sistema de feedback original, mas também é a mais econômica e com o maior consumo de energia.
Qualquer LDO possui um indicador: taxa de supressão de ruído. Trata-se de uma curva frequência-DB, como mostrado na figura abaixo, que é a curva do LT3024.
Após a LDO, a ondulação de comutação geralmente fica abaixo de 10 mV. A figura a seguir apresenta a comparação das ondulações antes e depois da LDO:
Comparando com a curva da figura acima e a forma de onda à esquerda, pode-se observar que o efeito inibitório da LDO é muito bom para ondulações de comutação de centenas de kHz. Mas, em uma faixa de alta frequência, o efeito da LDO não é tão ideal.
Reduzir ondulações. A fiação da placa de circuito impresso da fonte de alimentação chaveada também é crucial. Para ruído de alta frequência, devido à alta frequência, embora a filtragem pós-estágio tenha algum efeito, o efeito não é óbvio. Existem estudos específicos sobre esse assunto. A abordagem mais simples é conectar o diodo e a capacitância C ou RC, ou conectar a indutância em série.
A figura acima é um circuito equivalente do diodo real. Quando o diodo é de alta velocidade, parâmetros parasitas devem ser considerados. Durante a recuperação reversa do diodo, a indutância equivalente e a capacitância equivalente tornam-se um oscilador RC, gerando oscilação de alta frequência. Para suprimir essa oscilação de alta frequência, é necessário conectar uma capacitância C ou uma rede de buffer RC em ambas as extremidades do diodo. A resistência é geralmente de 10Ω a 100 ω e a capacitância é de 4,7PF a 2,2NF.
A capacitância C ou RC no diodo C ou RC pode ser determinada por meio de testes repetidos. Se não for selecionada corretamente, causará oscilações mais severas.
Horário da publicação: 08/07/2023
