สินค้าแห้ง | บทความหนึ่งได้รับเรื่องการสร้าง การวัด และการระงับการสั่นของกระแสไฟฟ้าสลับ

ริปเปิลกำลังไฟฟ้าแบบสวิตชิ่งเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ เป้าหมายสูงสุดของเราคือการลดริปเปิลเอาต์พุตให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ วิธีแก้ปัญหาพื้นฐานที่สุดเพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์นี้คือการหลีกเลี่ยงการเกิดริปเปิล อันดับแรก และสาเหตุ

เมื่อใช้สวิตช์ของสวิตช์ กระแสเหนี่ยวนำ L จะผันผวนขึ้นและลงตามค่าที่ถูกต้องของกระแสเอาต์พุต ดังนั้นจึงเกิดริปเปิลที่มีความถี่เดียวกันกับสวิตช์ที่ปลายเอาต์พุต โดยทั่วไป ริปเปิลของสวิตช์จะสัมพันธ์กับค่านี้ ซึ่งสัมพันธ์กับความจุของตัวเก็บประจุเอาต์พุตและ ESR ความถี่ของริปเปิลนี้จะเท่ากับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง โดยมีช่วงความถี่ตั้งแต่สิบถึงร้อยกิโลเฮิรตซ์

นอกจากนี้ สวิตช์โดยทั่วไปจะใช้ทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์หรือมอสเฟต ไม่ว่าจะเป็นแบบใด จะมีเวลาเพิ่มขึ้นและลดลงเมื่อสวิตช์เปิดและปิด ณ เวลานี้ จะไม่มีสัญญาณรบกวนในวงจร ซึ่งเท่ากับเวลาเพิ่มขึ้นและเวลาลดลงของสวิตช์ หรือไม่กี่ครั้ง และโดยทั่วไปจะอยู่ที่หลายสิบเมกะเฮิรตซ์ เช่นเดียวกัน ไดโอด D อยู่ในสภาวะการกู้คืนย้อนกลับ วงจรสมมูลคือชุดตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำที่ต่อกัน ซึ่งจะทำให้เกิดการสั่นพ้อง และมีความถี่ของสัญญาณรบกวนอยู่ที่หลายสิบเมกะเฮิรตซ์ โดยทั่วไปสัญญาณรบกวนทั้งสองนี้เรียกว่าสัญญาณรบกวนความถี่สูง และแอมพลิจูดมักจะใหญ่กว่าระลอกคลื่นมาก

หากเป็นตัวแปลงไฟ AC/DC นอกจากสัญญาณรบกวนสองสัญญาณข้างต้นแล้ว ยังมีสัญญาณรบกวน AC อีกด้วย ความถี่คือความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ AC ขาเข้า ประมาณ 50-60Hz นอกจากนี้ยังมีสัญญาณรบกวนแบบโคโหมด เนื่องจากอุปกรณ์ไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งหลายตัวใช้เปลือกหุ้มเป็นเรดิเอเตอร์ ซึ่งผลิตความจุที่เทียบเท่ากัน

การวัดระลอกคลื่นไฟฟ้าสลับ

ข้อกำหนดพื้นฐาน:

การเชื่อมต่อกับออสซิลโลสโคป AC

ขีดจำกัดแบนด์วิดท์ 20MHz

ถอดสายดินของหัววัดออก

1. การเชื่อมต่อ AC คือการขจัดแรงดันไฟฟ้า DC ซ้อนทับและรับรูปคลื่นที่แม่นยำ

2. การเปิดขีดจำกัดแบนด์วิดท์ 20MHz เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนความถี่สูงและป้องกันความผิดพลาด เนื่องจากแอมพลิจูดขององค์ประกอบความถี่สูงมีขนาดใหญ่ จึงควรตัดออกเมื่อทำการวัด

3. ถอดปลั๊กกราวด์คลิปของหัววัดออสซิลโลสโคปออก และใช้การวัดกราวด์เพื่อลดสัญญาณรบกวน หลายหน่วยงานไม่มีวงแหวนกราวด์ แต่ควรพิจารณาปัจจัยนี้เมื่อพิจารณาว่ามีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดหรือไม่

อีกประเด็นหนึ่งคือการใช้ขั้ว 50Ω ตามข้อมูลของออสซิลโลสโคป โมดูล 50Ω ถูกออกแบบมาเพื่อถอดส่วนประกอบ DC ออกและวัดส่วนประกอบ AC ได้อย่างแม่นยำ อย่างไรก็ตาม ออสซิลโลสโคปที่ใช้หัววัดพิเศษแบบนี้มีน้อย ในกรณีส่วนใหญ่ จะใช้หัววัดตั้งแต่ 100kΩ ถึง 10MΩ ซึ่งยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดในขณะนี้

ข้างต้นเป็นข้อควรระวังเบื้องต้นในการวัดริปเปิลสวิตชิ่ง หากหัววัดออสซิลโลสโคปไม่ได้สัมผัสกับจุดเอาต์พุตโดยตรง ควรใช้สายบิดเกลียวหรือสายโคแอกเซียล 50Ω ในการวัด

เมื่อวัดสัญญาณรบกวนความถี่สูง ออสซิลโลสโคปแบบเต็มแบนด์โดยทั่วไปจะอยู่ที่ระดับหลายร้อยเมกะเฮิรตซ์ถึงระดับกิกะเฮิรตซ์ ออสซิลโลสโคปอื่นๆ ก็เหมือนกับที่กล่าวมาข้างต้น บริษัทต่างๆ อาจมีวิธีการทดสอบที่แตกต่างกันไป ในการวิเคราะห์ขั้นสุดท้าย คุณต้องทราบผลการทดสอบของคุณ

เกี่ยวกับออสซิลโลสโคป:

ออสซิลโลสโคปดิจิทัลบางรุ่นไม่สามารถวัดระลอกคลื่นได้อย่างถูกต้องเนื่องจากสัญญาณรบกวนและความลึกในการจัดเก็บ ในขณะนี้ควรเปลี่ยนออสซิลโลสโคปใหม่ แม้ว่าแบนด์วิดท์ของออสซิลโลสโคปจำลองแบบเดิมจะมีเพียงสิบเมกะไบต์ แต่ประสิทธิภาพกลับดีกว่าออสซิลโลสโคปดิจิทัล

การยับยั้งการสั่นของกระแสไฟฟ้าสลับ

สำหรับริปเปิลแบบสลับนั้นมีอยู่จริงทั้งในเชิงทฤษฎีและความเป็นจริง มีสามวิธีในการยับยั้งหรือลดริปเปิล:

1. เพิ่มเหนี่ยวนำและการกรองตัวเก็บประจุเอาต์พุต

ตามสูตรของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ขนาดความผันผวนของกระแสและค่าความเหนี่ยวนำของความเหนี่ยวนำแบบเหนี่ยวนำจะแปรผกผัน และริปเปิลเอาต์พุตและตัวเก็บประจุเอาต์พุตจะแปรผกผัน ดังนั้น การเพิ่มตัวเก็บประจุไฟฟ้าและเอาต์พุตจึงสามารถลดริปเปิลได้

ภาพด้านบนเป็นรูปคลื่นกระแสในตัวเหนี่ยวนำแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง L กระแสริปเปิล △ i สามารถคำนวณได้จากสูตรต่อไปนี้:

จะเห็นได้ว่าการเพิ่มค่า L หรือการเพิ่มความถี่การสลับสามารถลดความผันผวนของกระแสในเหนี่ยวนำได้

ในทำนองเดียวกัน ความสัมพันธ์ระหว่างริปเปิลเอาต์พุตและตัวเก็บประจุเอาต์พุต: VRIPPLE = IMAX/(CO × F) จะเห็นได้ว่าการเพิ่มค่าตัวเก็บประจุเอาต์พุตสามารถลดริปเปิลได้

วิธีการทั่วไปคือการใช้ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมเพื่อให้ได้ความจุเอาต์พุตสูงสุด อย่างไรก็ตาม ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์ไม่ได้มีประสิทธิภาพในการลดสัญญาณรบกวนความถี่สูง และค่า ESR ค่อนข้างสูง ดังนั้นจึงต้องใช้ตัวเก็บประจุเซรามิกต่อพ่วงเพื่อชดเชยตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์อะลูมิเนียมที่มีอยู่อย่างจำกัด

ในขณะเดียวกัน เมื่อแหล่งจ่ายไฟทำงาน แรงดันไฟฟ้า VIN ของขั้วอินพุตจะไม่เปลี่ยนแปลง แต่กระแสจะเปลี่ยนไปตามสวิตช์ ณ เวลานี้ แหล่งจ่ายไฟอินพุตจะไม่จ่ายกระแส ซึ่งโดยปกติจะอยู่ใกล้กับขั้วอินพุตกระแส (เช่น บัค อยู่ใกล้กับสวิตช์) และจะเชื่อมต่อตัวเก็บประจุเพื่อจ่ายกระแส

หลังจากใช้มาตรการรับมือนี้แล้ว แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์ Buck จะแสดงดังรูปด้านล่าง:

วิธีการข้างต้นจำกัดอยู่เพียงการลดริปเปิลเท่านั้น เนื่องจากข้อจำกัดด้านปริมาตร ค่าเหนี่ยวนำจึงไม่สูงมาก ตัวเก็บประจุเอาต์พุตจะเพิ่มขึ้นในระดับหนึ่ง และไม่มีผลชัดเจนต่อการลดริปเปิล การเพิ่มความถี่ในการสวิตชิ่งจะเพิ่มการสูญเสียของสวิตชิ่ง ดังนั้น เมื่อข้อกำหนดเข้มงวด วิธีการนี้จึงไม่เหมาะนัก

หากต้องการทราบหลักการของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง คุณสามารถดูคู่มือการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประเภทต่างๆ ได้

2. การกรองแบบสองระดับคือการเพิ่มฟิลเตอร์ LC ระดับแรก

ประสิทธิภาพของตัวกรอง LC ในการยับยั้งการเกิดริปเปิลสัญญาณรบกวนนั้นค่อนข้างชัดเจน ควรเลือกตัวเก็บประจุเหนี่ยวนำที่เหมาะสมกับความถี่ของริปเปิลที่ต้องการกำจัดออก เพื่อสร้างวงจรกรอง โดยทั่วไปแล้ว สามารถลดการเกิดริปเปิลได้ดี ในกรณีนี้ จำเป็นต้องพิจารณาจุดสุ่มตัวอย่างของแรงดันป้อนกลับ (ดังแสดงด้านล่าง)

จุดสุ่มตัวอย่างจะถูกเลือกก่อนตัวกรอง LC (PA) และแรงดันเอาต์พุตจะลดลง เนื่องจากตัวเหนี่ยวนำใดๆ มีความต้านทาน DC เมื่อมีกระแสเอาต์พุต แรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำจะส่งผลให้แรงดันเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟลดลง และแรงดันตกคร่อมนี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามกระแสเอาต์พุต

จุดสุ่มตัวอย่างจะถูกเลือกหลังตัวกรอง LC (PB) เพื่อให้แรงดันเอาต์พุตเป็นแรงดันที่เราต้องการ อย่างไรก็ตาม จะมีการใส่ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเข้าไปในระบบไฟฟ้า ซึ่งอาจทำให้ระบบไม่เสถียร

3. หลังจากเอาต์พุตของแหล่งจ่ายไฟสลับแล้ว ให้เชื่อมต่อตัวกรอง LDO

นี่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการลดระลอกคลื่นและสัญญาณรบกวน แรงดันเอาต์พุตคงที่และไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนระบบป้อนกลับเดิม แต่ยังคุ้มค่าที่สุดและใช้พลังงานสูงสุดอีกด้วย

LDO ใดๆ ก็ตามจะมีตัวบ่งชี้: อัตราส่วนการลดสัญญาณรบกวน มันคือเส้นโค้งความถี่-DB ดังที่แสดงในรูปด้านล่างคือเส้นโค้งของ LT3024 LT3024

หลังจาก LDO แล้ว ริปเปิลสวิตชิ่งโดยทั่วไปจะต่ำกว่า 10mV ภาพต่อไปนี้แสดงการเปรียบเทียบริปเปิลก่อนและหลัง LDO:

เมื่อเปรียบเทียบกับเส้นโค้งของรูปด้านบนและรูปคลื่นด้านซ้าย จะเห็นได้ว่า LDO มีประสิทธิภาพในการยับยั้งการสวิตชิ่งริปเปิลที่ความถี่หลายร้อยกิโลเฮิรตซ์ได้ดีมาก แต่ในช่วงความถี่สูง ประสิทธิภาพของ LDO กลับไม่มีประสิทธิภาพเท่าที่ควร

ลดการเกิดริปเปิล การเดินสาย PCB ของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งก็มีความสำคัญเช่นกัน สำหรับสัญญาณรบกวนความถี่สูง เนื่องจากความถี่สูงมีความถี่สูง แม้ว่าการกรองแบบโพสต์สเตจจะมีผลในระดับหนึ่ง แต่ผลกระทบนั้นยังไม่ชัดเจน มีการศึกษาพิเศษในเรื่องนี้ วิธีง่ายๆ คือ ต่อไดโอดและตัวเก็บประจุ C หรือ RC หรือต่อตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรม

รูปด้านบนเป็นวงจรสมมูลของไดโอดจริง เมื่อไดโอดมีความเร็วสูง จำเป็นต้องพิจารณาพารามิเตอร์ปรสิต ในระหว่างการฟื้นตัวย้อนกลับของไดโอด ค่าเหนี่ยวนำสมมูลและค่าความจุสมมูลจะกลายเป็นออสซิลเลเตอร์ RC ทำให้เกิดการสั่นความถี่สูง เพื่อยับยั้งการสั่นความถี่สูงนี้ จำเป็นต้องเชื่อมต่อตัวเก็บประจุ C หรือเครือข่ายบัฟเฟอร์ RC ที่ปลายทั้งสองด้านของไดโอด โดยทั่วไปความต้านทานจะอยู่ที่ 10Ω-100 ω และค่าความจุจะอยู่ที่ 4.7PF-2.2NF

ค่าความจุ C หรือ RC บนไดโอด C หรือ RC สามารถกำหนดได้โดยการทดสอบซ้ำ หากเลือกไม่ถูกต้อง จะทำให้เกิดการสั่นที่รุนแรงมากขึ้น