Faktor valovanja in napajanje
Glavna funkcija napajalnika je zagotavljanje električne energije za elektronske izdelke, vendar bo med napajanjem neizogibno prišlo do valovanja, hrupa itd., kar bo zmanjšalo stabilnost in zanesljivost elektronskega sistema in celo celotnega izdelka.
Valovanje napetosti lahko močno vpliva na različna vezja napajalnika, kot so vezje A/D pretvorbe, vezje operacijskega ojačevalnika, vezje filtra usmernika itd. Običajne aplikacije imajo naslednje nevarnosti:
Nastanejo nepričakovani harmoniki, ki povzročijo nesreče zaradi prenapetosti ali prevelikega toka; povečati dodatne izgube in zmanjšati učinkovitost in izkoriščenost električne opreme;
Povzročijo nenormalno delovanje opreme, pospešijo staranje in skrajšajo življenjsko dobo; povzročajo nenormalno delovanje relejne zaščite, avtomatskih naprav, računalniških sistemov in druge opreme ali ne delujejo normalno;
Povzročiti odstopanje meril in merilnih instrumentov; motijo komunikacijske sisteme, zmanjšujejo kakovost prenosa signala in celo poškodujejo komunikacijsko opremo.
Zato je pri načrtovanju elektronskih izdelkov potrebno natančno izmeriti valovanje in ga zatreti v določenem območju.
1 Valovitost napajanja in faktor valovanja
Strogo gledano stabilizirano napajanje vključuje štiri dele: močnostni transformator, usmerniško vezje, filtrirno vezje in vezje stabilizatorja napetosti. Ker je DC-DC mogoče obravnavati tudi kot stabilizirano napajanje, se usmerniško vezje, filtrsko vezje in stabilizirano napetostno vezje štejejo za potrebne tri dele stabiliziranega napajanja [1].
Usmerniško vezje uporablja enosmerne prevodne naprave za pretvorbo izmeničnega toka v pulzirajoči enosmerni tok. Pulzirajoči enosmerni tok ni gladek in vsebuje veliko količino izmeničnega toka.
Filtrirno vezje uporablja element za shranjevanje energije za pretvorbo pulzirajočega enosmernega toka v relativno raven enosmerni tok. Čeprav je večino komponent izmeničnega toka mogoče filtrirati, zaradi različne zmogljivosti filtrirnega vezja ni mogoče popolnoma izločiti.
Vezje za stabilizacijo napetosti po popravljanju in filtriranju uporablja funkcijo prilagajanja vezja za stabilizacijo izhodne napetosti in zmanjšanje AC komponente na minimum. Ta AC komponenta, ki je ni mogoče popolnoma filtrirati s stabilno izhodno napetostjo, se imenuje nihajna napetost.
Za karakterizacijo delovanja filtra enosmernega reguliranega napajanja je uveden koncept koeficienta valovanja [2-3]. Definirajte koeficient valovanja ψ kot odstotno vrednost efektivne vrednosti napetosti valovanja Vr in enosmerne izhodne napetosti Vo, in sicer:
Koeficient valovanja je pomemben indeks za oceno stabilnega in čistega izhoda enosmernega napajanja. Glede na zgornjo formulo je razvidno, da je treba za določitev koeficienta valovanja izmeriti napetost valovanja.
2 Merjenje valovitosti napajanja
Natančno merjenje valovanja napajanja na splošno zahteva dva instrumenta, in sicer elektronsko obremenitev (Electronic Load) in digitalni shranjevalni osciloskop (Digital Storage Oscilloscope, DSO).
Elektronska obremenitev je priročna za prilagajanje toka in je na splošno nastavljena v načinu konstantnega upora (CR); digitalni shranjevalni osciloskop lahko neposredno zajame celotno valovno obliko valovanja, jo shrani in ojača ter odčita vrednost valovanja. Zamenjajte odčitek osciloskopa v formulo, da dobite faktor valovanja.
Pri merjenju morate biti pozorni na naslednji dve točki (ti dve točki sta še posebej pomembni za točnost rezultatov meritev):
(1) Ozemljitveno žico sonde digitalnega pomnilniškega osciloskopa je treba odklopiti in zamenjati z ozemljitvenim vzmetnim zatičem v sklopu sonde. Lahko prepreči sklopitev ozemljitvene zanke z EMI šumom in povzroči netočnost merilnega rezultata.
Ozemljitvena žica sonde je predolga in območje zanke je preveliko, kar tvori sprejemno anteno, visokofrekvenčni motnje ali šum EMI bodo povezani z izmerjenim signalom.
(2) Osciloskop za digitalno shranjevanje mora sam prilagoditi nastavitve.
Digitalni shranjevalni osciloskop mora imeti dobro ozemljitev, da dodatno filtrira nered, ki ga dodaja napajalnik; uporabite AC sklopko digitalnega pomnilniškega osciloskopa za blokiranje DC, zaradi česar je test valovanja bolj intuitiven in natančen;
Splošni preskus valovanja zahteva, da je frekvenca omejena pod 20 MHz, zato mora digitalni shranjevalni osciloskop odpreti omejitev pasovne širine 20 MHz, da izolira visokofrekvenčni šum.
3 Metode za zatiranje valovanja napajanja
Za zatiranje valovanja izhodne napetosti reguliranega napajanja se na splošno uporabljajo naslednje štiri metode: metoda filtriranja RLC, metoda filtriranja skupnega načina, metoda filtriranja s feritnim magnetnim obročem in kombinacija treh metod.
Filtrirno vezje za zatiranje valovanja DC-DC napajanja je prikazano z eksperimentalnim preverjanjem. V preizkusu preverjanja je izbran napajalnik 100 W DC-DC z vhodom 48 V in izhodom 5 V, model pa je SD-100C-5 podjetja Meanwell.
Osciloskop za digitalno shranjevanje izbere GDS-1072B GWINSTEK, pasovna širina je 70MHz, hitrost vzorčenja je 1GSa/s, globina shranjevanja vsakega kanala pa je 10M.
Elektronsko breme je PEL{{0}} proizvajalca GWINSTEK, razpon napetosti je 1,5 V~150 V, obseg toka je 0~35 A, moč pa 175 W.
Po tem izračunu je tok v tokokrogu 20A. Slika 3 je povezovalni blokovni diagram preskusa valovitosti moči.
Da bi bil učinek zatiranja valovanja napajalnika bolj intuitiven in očiten, se filtrsko vezje SD-100C-5 najprej kratko sklene in izmeri se valovanje njegove izhodne napetosti. Izvedemo lahko, da je valovanje napajalnika približno 85,6 mVpp, efektivna vrednost pa 48,2 mVrms.
