Коэффициент пульсаций и источник питания
Основной функцией блока питания является обеспечение электроэнергией электронных изделий, но при подаче питания неизбежно возникают пульсации, шумы и т. д., что снижает стабильность и надежность электронной системы и даже всего изделия.
Пульсации напряжения могут сильно влиять на различные цепи источника питания, такие как схема аналого-цифрового преобразования, схема операционного усилителя, схема фильтра выпрямителя и т. д. Общие области применения сопряжены со следующими опасностями:
Генерируются неожиданные гармоники, вызывающие аварии, вызванные перенапряжением или перегрузкой по току; увеличить дополнительные потери и снизить эффективность и коэффициент использования электрооборудования;
Заставить оборудование работать ненормально, ускорить старение и сократить срок службы; вызывать ненормальную работу или нарушение нормальной работы релейной защиты, автоматики, компьютерных систем и другого оборудования;
Заставлять измерительные и измерительные приборы отклоняться; 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, стабилизированный блок питания включает в себя четыре части: силовой трансформатор, схему выпрямителя, схему фильтра и схему стабилизатора напряжения. Поскольку DC-DC также можно рассматривать как стабилизированный источник питания, схема выпрямителя, схема фильтра и схема стабилизированного напряжения рассматриваются как необходимые три части стабилизированного источника питания [1].
В схеме выпрямителя используются однонаправленные проводящие устройства для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный ток. Пульсирующий постоянный ток не является плавным и содержит большое количество переменного тока.
Схема фильтра использует элемент накопления энергии для преобразования пульсирующего постоянного тока в относительно плоский постоянный ток. Из-за разной производительности схемы фильтра хотя большая часть составляющих переменного тока может быть отфильтрована, но не может быть отфильтрована полностью.
Схема стабилизации напряжения после выпрямления и фильтрации использует функцию регулировки схемы для стабилизации выходного напряжения и снижения до минимума составляющей переменного тока. Эта составляющая переменного тока, которая не может быть полностью отфильтрована при стабильном выходном напряжении, называется пульсирующим напряжением.
Чтобы охарактеризовать характеристики фильтра регулируемого источника постоянного тока, вводится понятие коэффициента пульсаций [2-3]. Определим коэффициент пульсаций ψ как процентное значение действующего значения напряжения пульсаций Vr и выходного напряжения постоянного тока Vo, а именно:
Коэффициент пульсации является важным показателем для оценки стабильной и чистой выходной мощности источника питания постоянного тока. Согласно приведенной выше формуле видно, что для нахождения коэффициента пульсаций необходимо измерить напряжение пульсаций.
2 Измерение пульсаций источника питания
Для точного измерения пульсаций источника питания обычно требуются два прибора, а именно электронная нагрузка (Electronic Load) и цифровой запоминающий осциллограф (Digital Storage Oscilloscope, DSO).
Электронная нагрузка удобна для регулировки тока и обычно устанавливается в режиме постоянного сопротивления (CR); цифровой запоминающий осциллограф может напрямую захватывать всю форму волны пульсаций, сохранять и усиливать ее, а также считывать значение пульсаций. Подставьте показания осциллографа в формулу, чтобы получить коэффициент пульсаций.
При измерении необходимо обратить внимание на следующие два момента (эти два пункта особенно важны для точности результатов измерения):
(1) Провод заземления пробника цифрового запоминающего осциллографа должен быть отсоединен и заменен пружинным штифтом заземления в узле пробника. Это может предотвратить связь контура заземления с электромагнитными помехами и сделать результат измерения неточным.
Заземляющий провод зонда слишком длинный, а площадь контура слишком велика, образуя приемную антенну, высокочастотные помехи или электромагнитные помехи будут связаны с измеряемым сигналом.
(2) Самому цифровому запоминающему осциллографу необходимо отрегулировать настройки.
Цифровой запоминающий осциллограф должен иметь хорошее заземление, чтобы еще больше отфильтровать помехи, добавленные от источника питания; использовать связь по переменному току цифрового запоминающего осциллографа для блокировки постоянного тока, что делает тест на пульсации более интуитивным и точным;
Общий тест пульсаций требует, чтобы частота была ограничена ниже 20 МГц, поэтому цифровой запоминающий осциллограф должен открыть ограничение полосы пропускания 20 МГц, чтобы изолировать высокочастотный шум.
3 метода подавления пульсаций источника питания
Для подавления пульсаций выходного напряжения регулируемого источника питания обычно используются следующие четыре метода: метод фильтрации RLC, метод фильтрации синфазного сигнала, метод фильтрации ферритовым магнитным кольцом и комбинация трех методов.
Схема фильтра для подавления пульсаций источника питания постоянного тока продемонстрирована экспериментальной проверкой. В проверочном эксперименте был выбран источник питания постоянного тока мощностью 100 Вт с входным напряжением 48 В и выходным напряжением 5 В, а модель — SD-100C-5 Meanwell.
В цифровом запоминающем осциллографе используется GDS-1072B компании GWINSTEK, полоса пропускания – 70 МГц, частота дискретизации – 1 Гвыб/с, а глубина хранения каждого канала – 10 М.
Электронная нагрузка PEL{{0}} производства GWINSTEK, диапазон напряжения 1,5–150 В, диапазон тока 0–35 А, мощность 175 Вт.
По этому расчету ток в цепи равен 20А. На рис. 3 показана блок-схема подключения теста пульсаций мощности.
Чтобы сделать эффект подавления пульсаций источника питания более интуитивно понятным и очевидным, цепь фильтра SD-100C-5 сначала замыкается накоротко, и измеряются пульсации его выходного напряжения. Можно получить, что пульсации источника питания составляют примерно 85,6 мВpp, а эффективное значение равно 48,2 мВrms.
