La ondulación de la potencia de conmutación es inevitable. Nuestro objetivo final es reducir la ondulación de salida a un nivel tolerable. La solución fundamental para lograrlo es evitar su generación. En primer lugar, y la causa.
Con el interruptor, la corriente en la inductancia L fluctúa dentro del valor válido de la corriente de salida. Por lo tanto, se produce una ondulación con la misma frecuencia que la del interruptor en el extremo de salida. Generalmente, las ondulaciones del riber se refieren a esto, lo cual está relacionado con la capacidad del condensador de salida y la ESR. La frecuencia de esta ondulación es la misma que la de la fuente de alimentación conmutada, con un rango de decenas a centenas de kHz.
Además, Switch generalmente utiliza transistores bipolares o MOSFET. Independientemente de cuál sea, habrá un tiempo de subida y bajada entre el encendido y el apagado. En este momento, no habrá ruido en el circuito, que sea igual al tiempo de subida y bajada del Switch, o varias veces mayor, y generalmente es de decenas de MHz. De igual manera, el diodo D está en recuperación inversa. El circuito equivalente es la serie de condensadores e inductores de resistencia, lo que causará resonancia, y la frecuencia del ruido es de decenas de MHz. Estos dos ruidos se denominan ruido de alta frecuencia, y su amplitud suele ser mucho mayor que la ondulación.
Si se trata de un convertidor CA/CC, además de las dos ondulaciones (ruido) mencionadas anteriormente, también se produce ruido de CA. La frecuencia es la frecuencia de la fuente de alimentación de CA de entrada, aproximadamente 50-60 Hz. También se produce ruido comodo, ya que el dispositivo de alimentación de muchas fuentes de alimentación conmutadas utiliza la carcasa como radiador, lo que produce una capacitancia equivalente.
Medición de las ondulaciones de potencia de conmutación
Requisitos básicos:
Acoplamiento con un osciloscopio AC
Límite de ancho de banda de 20 MHz
Desconecte el cable de tierra de la sonda.
1. El acoplamiento de CA sirve para eliminar la superposición de voltaje de CC y obtener una forma de onda precisa.
2. La apertura del límite de ancho de banda de 20 MHz evita la interferencia de ruido de alta frecuencia y errores. Dado que la amplitud de la composición de alta frecuencia es grande, debe eliminarse durante la medición.
3. Desconecte la pinza de tierra de la sonda del osciloscopio y utilice la medición de tierra para reducir la interferencia. Muchos departamentos no cuentan con anillos de tierra. Sin embargo, tenga en cuenta este factor al determinar si cumple con los requisitos.
Otro punto es el uso de una terminal de 50 Ω. Según la información del osciloscopio, el módulo de 50 Ω elimina la componente de CC y mide con precisión la componente de CA. Sin embargo, pocos osciloscopios cuentan con sondas especiales de este tipo. En la mayoría de los casos, se utilizan sondas de 100 kΩ a 10 MΩ, lo cual no está claro por el momento.
Las precauciones básicas para medir la ondulación de conmutación son las siguientes. Si la sonda del osciloscopio no está expuesta directamente al punto de salida, se debe medir con cables trenzados o coaxiales de 50 Ω.
Al medir ruido de alta frecuencia, la banda completa del osciloscopio generalmente abarca desde cientos de megas hasta GHz. Otros casos son similares a los mencionados anteriormente. Quizás cada empresa tenga diferentes métodos de prueba. En definitiva, es fundamental conocer los resultados de la prueba.
Acerca del osciloscopio:
Algunos osciloscopios digitales no pueden medir las ondulaciones correctamente debido a interferencias y a la profundidad de almacenamiento. En ese caso, es necesario reemplazar el osciloscopio. A veces, aunque el ancho de banda del osciloscopio de simulación anterior es de solo decenas de megas, su rendimiento es mejor que el del osciloscopio digital.
Inhibición de las ondulaciones de potencia de conmutación
Para las ondulaciones de conmutación, tanto teóricas como reales, existen tres maneras de suprimirlas o reducirlas:
1. Aumente la inductancia y el filtrado del condensador de salida.
Según la fórmula de la fuente de alimentación conmutada, la magnitud de la fluctuación de corriente y el valor de la inductancia inductiva son inversamente proporcionales, y las ondulaciones de salida y los condensadores de salida son inversamente proporcionales. Por lo tanto, aumentar el número de condensadores eléctricos y de salida puede reducir las ondulaciones.
La imagen de arriba muestra la forma de onda de la corriente en el inductor L de la fuente de alimentación conmutada. Su corriente de ondulación △ i se puede calcular con la siguiente fórmula:
Se puede observar que aumentar el valor L o aumentar la frecuencia de conmutación puede reducir las fluctuaciones de corriente en la inductancia.
De forma similar, la relación entre las ondulaciones de salida y los condensadores de salida es: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Se observa que al aumentar el valor del condensador de salida se reduce la ondulación.
El método habitual consiste en utilizar condensadores electrolíticos de aluminio para la capacitancia de salida a fin de lograr una alta capacidad. Sin embargo, dado que los condensadores electrolíticos no son muy eficaces para suprimir el ruido de alta frecuencia, y la ESR es relativamente alta, se conecta un condensador cerámico adicional para compensar la falta de condensadores electrolíticos de aluminio.
Al mismo tiempo, cuando la fuente de alimentación está funcionando, la tensión VIN del terminal de entrada permanece invariable, pero la corriente cambia con el interruptor. En este caso, la fuente de alimentación de entrada no proporciona un buen caudal de corriente, generalmente cerca del terminal de entrada de corriente (por ejemplo, el tipo reductor está cerca del interruptor), y conecta la capacitancia para proporcionar corriente.
Después de aplicar esta contramedida, la fuente de alimentación del interruptor Buck se muestra en la siguiente figura:
El enfoque anterior se limita a reducir las ondulaciones. Debido al límite de volumen, la inductancia no será muy grande; el condensador de salida aumenta hasta cierto punto, y no hay un efecto evidente en la reducción de las ondulaciones; el aumento de la frecuencia de conmutación incrementará las pérdidas de conmutación. Por lo tanto, cuando los requisitos son estrictos, este método no es muy recomendable.
Para conocer los principios de la fuente de alimentación conmutada, puede consultar varios tipos de manuales de diseño de fuente de alimentación conmutada.
2. El filtrado de dos niveles consiste en agregar filtros LC de primer nivel.
El efecto inhibidor del filtro LC sobre la ondulación del ruido es relativamente evidente. Según la frecuencia de ondulación que se desee eliminar, seleccione el condensador inductor adecuado para formar el circuito de filtro. Generalmente, este reduce eficazmente las ondulaciones. En este caso, es necesario considerar el punto de muestreo de la tensión de retroalimentación (como se muestra a continuación).
El punto de muestreo se selecciona antes del filtro LC (PA) y la tensión de salida se reduce. Dado que cualquier inductancia tiene una resistencia de CC, al salir una corriente, se produce una caída de tensión en la inductancia, lo que resulta en una disminución de la tensión de salida de la fuente de alimentación. Esta caída de tensión varía con la corriente de salida.
El punto de muestreo se selecciona después del filtro LC (PB), de modo que la tensión de salida sea la deseada. Sin embargo, se introducen una inductancia y un condensador en el sistema de alimentación, lo que puede causar inestabilidad.
3. Después de la salida de la fuente de alimentación conmutada, conecte el filtrado LDO.
Esta es la forma más eficaz de reducir las ondulaciones y el ruido. El voltaje de salida es constante y no requiere modificar el sistema de retroalimentación original, además de ser la más rentable y de mayor consumo.
Cualquier LDO tiene un indicador: la relación de supresión de ruido. Se trata de una curva de frecuencia-DB, como se muestra en la figura a continuación, la curva del LT3024.
Tras el LDO, la ondulación de conmutación suele ser inferior a 10 mV. La siguiente figura muestra la comparación de las ondulaciones antes y después del LDO:
En comparación con la curva de la figura anterior y la forma de onda de la izquierda, se observa que el efecto inhibidor del LDO es muy bueno para las ondulaciones de conmutación de cientos de kHz. Sin embargo, en un rango de alta frecuencia, su efecto no es tan óptimo.
Reducir las ondulaciones. El cableado de la PCB de la fuente de alimentación conmutada también es crucial. Para el ruido de alta frecuencia, debido a su alta frecuencia, aunque el filtrado posterior tiene cierto efecto, este no es evidente. Existen estudios especiales al respecto. El enfoque simple consiste en conectar el diodo y la capacitancia C o RC, o la inductancia en serie.
La figura anterior muestra un circuito equivalente del diodo real. Cuando el diodo es de alta velocidad, se deben considerar los parámetros parásitos. Durante la recuperación inversa del diodo, la inductancia y la capacitancia equivalentes se convierten en un oscilador RC, generando una oscilación de alta frecuencia. Para suprimir esta oscilación de alta frecuencia, es necesario conectar la capacitancia C o una red de búfer RC en ambos extremos del diodo. La resistencia generalmente está entre 10 Ω y 100 ω, y la capacitancia está entre 4,7 PF y 2,2 NF.
La capacitancia C o RC del diodo C o RC se puede determinar mediante pruebas repetidas. Si no se selecciona correctamente, causará una oscilación más severa.
Hora de publicación: 08-jul-2023
