Voedingsrimpel en rimpelcoëfficiënt
De belangrijkste functie van een voeding is het leveren van elektrische energie voor elektronische producten, maar de voeding zal onvermijdelijk rimpelingen, ruis, enz. introduceren, wat de stabiliteit en betrouwbaarheid van het elektronische systeem en zelfs het hele product zal verminderen.
Spanningsrimpels kunnen een grote invloed hebben op verschillende circuits van de voeding, zoals A/D-conversiecircuits, operationele versterkercircuits, gelijkrichterfiltercircuits, enz. Algemene toepassingen brengen de volgende gevaren met zich mee:
Genereer ongewenste harmonischen, waardoor overspanning of overstroom ongelukken veroorzaken; extra verliezen vergroten en de efficiëntie en het gebruik van elektrische apparatuur verminderen;
ervoor zorgen dat apparatuur abnormaal werkt, veroudering versnelt en de levensduur verkort; ervoor zorgen dat relaisbeveiliging, automatische apparaten, computersystemen en andere apparatuur abnormaal werken of niet normaal werken;
Het kan afwijkingen in meet- en meetinstrumenten veroorzaken; interfereren met communicatiesystemen, verminderen de kwaliteit van de signaaloverdracht en beschadigen zelfs communicatieapparatuur.
Daarom is het bij het ontwerpen van elektronische producten noodzakelijk om de rimpel nauwkeurig te meten en de rimpel binnen een bepaald bereik te onderdrukken.
1 Voedingsrimpel en rimpelcoëfficiënt
Strikt genomen bestaat de gereguleerde voeding uit vier delen: stroomtransformator, gelijkrichtercircuit, filtercircuit en spanningsstabilisatiecircuit. Omdat DC-DC ook als een gereguleerde voeding kan worden beschouwd, worden het gelijkrichtcircuit, het filtercircuit en het spanningsstabilisatiecircuit beschouwd als de drie noodzakelijke onderdelen van de gereguleerde voeding [1].
Het gelijkrichtcircuit maakt gebruik van eenrichtingsgeleidende apparaten om wisselstroom om te zetten in pulserende gelijkstroom. De pulserende gelijkstroom is niet gelijkmatig en bevat een grote hoeveelheid wisselstroomcomponenten.
Het filtercircuit maakt gebruik van energieopslagcomponenten om pulserend gelijkstroomvermogen om te zetten in een relatief vlak gelijkstroomvermogen. Vanwege de verschillende prestaties van het filtercircuit kan het, hoewel het de meeste AC-componenten kan filteren, deze niet volledig filteren.
Het spanningsstabilisatiecircuit na gelijkrichting en filtering gebruikt de aanpassingsfunctie van het circuit om de uitgangsspanning te stabiliseren en de AC-component tot een minimum te beperken. Deze AC-component die niet volledig kan worden gefilterd, samen met de stabiele uitgangsspanning, wordt rimpelspanning genoemd.
Om de prestaties van DC-gereguleerde voedingsfiltering te karakteriseren, wordt het concept van de rimpelcoëfficiënt geïntroduceerd [2-3]. De rimpelcoëfficiënt ψ wordt gedefinieerd als de procentuele waarde van de effectieve waarde van de rimpelspanning Vr en de DC-uitgangsspanning Vo, dat wil zeggen:
De rimpelcoëfficiënt is een belangrijke indicator voor het evalueren van de stabiele en zuivere output van een DC-voeding. Volgens de bovenstaande formule is te zien dat de rimpelspanning moet worden gemeten om de rimpelcoëfficiënt te vinden.
2 Meting van de voedingsrimpel
Voor een nauwkeurige meting van de voedingsrimpel zijn doorgaans twee instrumenten nodig, namelijk elektronische belasting (Electronic Load) en digitale opslagoscilloscoop (DSO).
Elektronische belastingen vergemakkelijken de stroomaanpassing en worden over het algemeen ingesteld in de constante weerstandsmodus (CR); digitale opslagoscilloscopen kunnen direct de volledige rimpelgolfvorm vastleggen, de rimpelwaarde opslaan, versterken en uitlezen. Vervang de oscilloscoopwaarde door de formule om de rimpelcoëfficiënt te verkrijgen.
Bij het meten moet u op de volgende twee punten letten (deze twee punten zijn bijzonder belangrijk voor de nauwkeurigheid van de meetresultaten):
(1) De aardedraad van de sonde van de digitale geheugenoscilloscoop moet worden losgekoppeld en in plaats daarvan moet de aardveerpen in de sondeconstructie worden gebruikt. Het kan voorkomen dat aardlussen zich koppelen aan EMI-ruis, waardoor de meetresultaten onnauwkeurig worden.
De aardedraad van de sonde is te lang en het lusgebied is te groot, waardoor een ontvangstantenne wordt gevormd en hoogfrequente rommel of EMI-ruis in het gemeten signaal wordt opgenomen.
(2) De digitale opslagoscilloscoop zelf moet zijn instellingen aanpassen.
De digitale opslagoscilloscoop moet goed geaard zijn om de ruis die vanaf de voeding wordt toegevoegd verder weg te filteren; gebruik de AC-koppeling van de digitale opslagoscilloscoop om DC te blokkeren, waardoor de rimpeltest intuïtiever en nauwkeuriger wordt;
Algemene rimpeltests vereisen dat de frequentie beperkt wordt tot minder dan 20 MHz, dus de digitale opslagoscilloscoop moet de bandbreedtelimiet van 20 MHz openen om hoogfrequente ruis te isoleren.
3 methoden om stroomrimpeling te onderdrukken
Om de rimpel van de uitgangsspanning van een gereguleerde voeding te onderdrukken, worden doorgaans de volgende vier methoden gebruikt: RLC-filtermethode, common-mode filtermethode, ferrietmagnetische ringfiltermethode en een combinatie van de drie methoden.
Het filtercircuit dat de DC-DC-voedingsrimpel onderdrukt, wordt gedemonstreerd door middel van experimentele verificatie. In het verificatie-experiment werd een 100 W DC-DC voeding, 48 V ingang, 5 V uitgang, Model SD-100C-5 van Meanwell geselecteerd.
De digitale opslagoscilloscoop kiest GWINSTEK's GDS-1072B, met een bandbreedte van 70 MHz, een bemonsteringssnelheid van 1GSa/s en een opslagdiepte van 10M per kanaal.
De elektronische belasting is PEL{0}} van GWINSTEK, met een spanningsbereik van 1,5V~150V, een stroombereik van 0~35A en een vermogen van 175W.
Volgens deze berekening is de stroom in het circuit 20A. Figuur 3 toont het aansluitblokschema van de rimpeltest van de voeding.
Om het effect van het onderdrukken van de voedingsrimpel intuïtiever en duidelijker te maken, sluit u eerst het filtercircuit van SD-100C-5 kort en meet u de rimpel van de uitgangsspanning. Hieruit blijkt dat de voedingsrimpel ongeveer 85,6 mVpp bedraagt en de effectieve waarde 48,2 mVrms.
