Пульсации источника питания и коэффициент пульсаций
Основная функция источника питания заключается в обеспечении электрической энергией электронных изделий, однако источник питания неизбежно вызывает пульсации, шум и т. д., что снижает стабильность и надежность электронной системы и даже всего изделия.
Пульсации напряжения могут сильно повлиять на различные схемы источника питания, такие как схемы аналого-цифрового преобразования, схемы операционных усилителей, схемы фильтров выпрямителей и т. д. Общие применения сопряжены со следующими опасностями:
Генерируют нежелательные гармоники, вызывающие перенапряжение или перегрузку по току, что может привести к авариям; увеличивают дополнительные потери и снижают КПД и коэффициент использования электрооборудования;
Вызывают ненормальную работу оборудования, ускоряют старение и сокращают срок службы; вызывать нештатную или ненормальную работу релейной защиты, автоматических устройств, компьютерных систем и другого оборудования;
Это может вызвать отклонения в работе измерительных и измерительных приборов; создавать помехи в системах связи, снижать качество передачи сигнала и даже повреждать оборудование связи.
Поэтому при проектировании электронных изделий необходимо точно измерять пульсации и подавлять пульсации в определенном диапазоне.
1 Пульсации источника питания и коэффициент пульсаций
Строго говоря, регулируемый блок питания включает в себя четыре части: силовой трансформатор, схему выпрямителя, схему фильтра и схему стабилизации напряжения. Поскольку постоянный ток также можно рассматривать как регулируемый источник питания, схема выпрямителя, схема фильтра и схема стабилизации напряжения рассматриваются как три необходимые части регулируемого источника питания [1].
В схеме выпрямителя используются односторонние проводящие устройства для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный ток. Пульсирующий постоянный ток не является плавным и содержит большое количество составляющих переменного тока.
Схема фильтра использует компоненты накопления энергии для преобразования пульсирующей мощности постоянного тока в относительно стабилизированную мощность постоянного тока. Из-за различных характеристик схемы фильтра, хотя она и может отфильтровывать большинство компонентов переменного тока, она не может отфильтровывать их полностью.
Схема стабилизации напряжения после выпрямления и фильтрации использует функцию регулировки схемы для стабилизации выходного напряжения и снижения составляющей переменного тока до минимума. Эта составляющая переменного тока, которую невозможно полностью отфильтровать вместе со стабильным выходным напряжением, называется пульсирующим напряжением.
Чтобы охарактеризовать эффективность фильтрации источника питания постоянного тока, вводится понятие коэффициента пульсаций [2-3]. Коэффициент пульсаций ψ определяется как процентное значение эффективного значения пульсирующего напряжения Vr и выходного напряжения постоянного тока Vo, то есть:
Коэффициент пульсаций является важным показателем для оценки стабильного и чистого выходного сигнала источника питания постоянного тока. Согласно приведенной выше формуле видно, что необходимо измерить напряжение пульсаций, чтобы найти коэффициент пульсаций.
2 Измерение пульсаций источника питания
Для точного измерения пульсаций источника питания обычно требуется два прибора, а именно электронная нагрузка (электронная нагрузка) и цифровой запоминающий осциллограф (DSO).
Электронные нагрузки облегчают регулировку тока и обычно переводятся в режим постоянного сопротивления (CR); цифровые запоминающие осциллографы могут напрямую захватывать всю форму пульсации, сохранять, усиливать и считывать ее значение. Подставьте в формулу показания осциллографа, чтобы получить коэффициент пульсаций.
При измерении необходимо обратить внимание на следующие два момента (эти два момента особенно важны для точности результатов измерений):
(1) Провод заземления пробника цифрового запоминающего осциллографа необходимо отсоединить и вместо него использовать пружинный штифт заземления в сборке пробника. Это может предотвратить попадание контуров заземления в помехи электромагнитных помех, что делает результаты измерений неточными.
Заземляющий провод пробника слишком длинный, а площадь контура слишком велика, что образует приемную антенну и вызывает появление высокочастотных помех или электромагнитных помех в измеряемом сигнале.
(2) Необходимо настроить параметры самого цифрового запоминающего осциллографа.
Цифровой запоминающий осциллограф должен быть хорошо заземлен для дальнейшей фильтрации помех, добавляемых со стороны источника питания; используйте связь по переменному току цифрового запоминающего осциллографа для блокировки постоянного тока, что делает тест на пульсации более интуитивным и точным;
Обычное тестирование пульсаций требует ограничения частоты ниже 20 МГц, поэтому цифровой запоминающий осциллограф должен открыть предел полосы пропускания 20 МГц для изоляции высокочастотного шума.
3 метода подавления пульсаций источника питания
Для подавления пульсаций выходного напряжения регулируемого источника питания обычно применяются следующие четыре метода: метод RLC-фильтрации, метод синфазной фильтрации, метод ферритовой магнитной кольцевой фильтрации и комбинация трех методов.
Схема фильтра, подавляющая пульсации источника питания постоянного тока, продемонстрирована посредством экспериментальной проверки. В проверочном эксперименте был выбран источник питания постоянного тока мощностью 100 Вт, входное напряжение 48 В, выходное напряжение 5 В, модель SD-100C-5 от Meanwell.
В качестве цифрового запоминающего осциллографа выбран GWINSTEK GDS-1072B с полосой пропускания 70 МГц, частотой дискретизации 1 Гвыб/с и глубиной хранения 10 МБ на канал.
Электронная нагрузка — PEL{{0}} от GWINSTEK, с диапазоном напряжения 1,5–150 В, диапазоном тока 0–35 А и мощностью 175 Вт.
Согласно этому расчету ток в цепи равен 20А. На рисунке 3 показана блок-схема подключения теста пульсаций источника питания.
Чтобы сделать эффект подавления пульсаций источника питания более интуитивным и очевидным, сначала замкните накоротко цепь фильтра SD-100C-5 и измерьте пульсации ее выходного напряжения. Из этого видно, что пульсации источника питания составляют примерно 85,6 мВ (размах), а эффективное значение — 48,2 мВ (среднеквадратичное значение).
