Valovitost napajanja in koeficient valovanja
Glavna funkcija napajalnika je zagotavljanje električne energije za elektronske izdelke, vendar bo napajanje neizogibno povzročilo valovanje, hrup itd., kar bo zmanjšalo stabilnost in zanesljivost elektronskega sistema in celo celotnega izdelka.
Valovanje napetosti lahko močno vpliva na različna vezja napajanja, kot so vezja za A/D pretvorbo, vezja operacijskega ojačevalnika, vezja usmerniškega filtra itd. Običajne aplikacije imajo naslednje nevarnosti:
Ustvarja nezaželene harmonike, ki povzročajo prenapetost ali prevelik tok, ki povzroči nesreče; povečati dodatne izgube in zmanjšati učinkovitost in izkoriščenost električne opreme;
Povzročijo nenormalno delovanje opreme, pospešijo staranje in skrajšajo življenjsko dobo; povzročajo nenormalno ali nenormalno delovanje relejne zaščite, avtomatskih naprav, računalniških sistemov in druge opreme;
Lahko povzroči odstopanja merilnih in merilnih instrumentov; motijo komunikacijske sisteme, zmanjšujejo kakovost prenosa signala in celo poškodujejo komunikacijsko opremo.
Zato je treba pri načrtovanju elektronskih izdelkov natančno izmeriti valovanje in ga zatreti v določenem območju.
1 Valovitost napajanja in koeficient valovanja
Strogo gledano regulirano napajanje vključuje štiri dele: močnostni transformator, usmerniško vezje, filtrsko vezje in vezje za stabilizacijo napetosti. Ker je DC-DC mogoče obravnavati tudi kot regulirano napajanje, usmerniško vezje, filtrirno vezje in vezje za stabilizacijo napetosti veljajo za tri potrebne dele reguliranega 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 komponent izmeničnega toka.
Filtrirno vezje uporablja komponente za shranjevanje energije za pretvorbo pulzirajoče enosmerne moči v razmeroma enakomerno enosmerno moč. Zaradi različnih zmogljivosti filtrirnega kroga, čeprav lahko filtrira večino AC komponent, jih ne more popolnoma filtrirati.
Vezje za stabilizacijo napetosti po popravljanju in filtriranju uporablja funkcijo prilagajanja vezja za stabilizacijo izhodne napetosti in zmanjšanje AC komponente na minimum. Ta izmenična komponenta, ki je ni mogoče popolnoma filtrirati skupaj s stabilno izhodno napetostjo, se imenuje nihajna napetost.
Za karakterizacijo učinkovitosti filtriranja DC reguliranega napajanja je uveden koncept koeficienta valovanja [2-3]. Koeficient valovanja ψ je definiran kot odstotek efektivne vrednosti napetosti valovanja Vr in enosmerne izhodne napetosti Vo, to je:
Koeficient valovanja je pomemben indikator za ocenjevanje stabilnega in čistega izhoda napajalnika z enosmernim tokom. Glede na zgornjo formulo je razvidno, da je treba za določitev koeficienta valovanja izmeriti napetost valovanja.
2 Merjenje valovitosti napajanja
Natančno merjenje valovanja napajanja običajno zahteva dva instrumenta, in sicer elektronsko obremenitev (Electronic Load) in digitalni shranjevalni osciloskop (DSO).
Elektronske obremenitve olajšajo prilagajanje toka in so na splošno nastavljene v načinu konstantnega upora (CR); osciloskopi za digitalno shranjevanje lahko neposredno zajamejo celotno valovno obliko valovanja, shranijo, ojačajo in preberejo vrednost valovanja. Zamenjajte odčitek osciloskopa v formulo, da dobite koeficient 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 namesto nje uporabiti ozemljitveni vzmetni zatič v sklopu sonde. Lahko prepreči povezovanje ozemljitvenih zank z EMI šumom, zaradi česar so rezultati meritev netočni.
Ozemljitvena žica sonde je predolga in območje zanke je preveliko, tvori sprejemno anteno in povzroča, da se visokofrekvenčni motnje ali šum EMI povežejo z izmerjenim signalom.
(2) Sam digitalni shranjevalni osciloskop mora prilagoditi svoje nastavitve.
Digitalni shranjevalni osciloskop mora biti dobro ozemljen, da dodatno filtrira šum, ki ga doda napajalnik; uporabite AC sklopko digitalnega pomnilniškega osciloskopa za blokiranje DC, zaradi česar je test valovanja bolj intuitiven in natančen;
Splošno testiranje valovanja zahteva, da je frekvenca omejena pod 20 MHz, zato mora osciloskop za digitalno shranjevanje odpreti omejitev pasovne širine 20 MHz, da izolira visokofrekvenčni šum.
3 metode za zatiranje valovanja napajalnika
Za zatiranje valovanja izhodne napetosti reguliranega napajalnika se na splošno uporabljajo naslednje štiri metode: metoda filtriranja RLC, metoda filtriranja običajnega načina, metoda filtriranja s feritnim magnetnim obročem in kombinacija treh metod.
Filtrirno vezje, ki zavira valovanje napajanja DC-DC, je prikazano z eksperimentalnim preverjanjem. V preizkusu preverjanja je bil izbran napajalnik 100 W DC-DC, vhod 48 V, izhod 5 V, model SD-100C-5 podjetja Meanwell.
Osciloskop za digitalno shranjevanje izbere GWINSTEK GDS-1072B s pasovno širino 70MHz, hitrostjo vzorčenja 1GSa/s in globino shranjevanja 10M na kanal.
Elektronsko breme je PEL{{0}} proizvajalca GWINSTEK, z razponom napetosti 1,5 V~150 V, razponom toka 0~35 A in močjo 175 W.
Po tem izračunu je tok v tokokrogu 20A. Slika 3 prikazuje povezovalni blokovni diagram preskusa valovitosti napajalnika.
Da bi bil učinek zatiranja valovanja napajalnika bolj intuitiven in očiten, najprej kratko sklenite vezje filtra SD-100C-5 in izmerite valovanje njegove izhodne napetosti. Iz tega je razvidno, da je valovanje napajanja približno 85,6 mVpp, efektivna vrednost pa 48,2 mVrms.
