Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych

ghost666 25 Sie 2014 18:05 6042 3
  • Wstęp

    Minimalizacja tętnień oraz przepięć w napięciu wychodzącym z stabilizatora impulsowego jest kluczowym elementem dobrego projektu takiego zasilacza, szczególnie gdy stabilizować ma on napięcie dla układów czułych na szum, takich jak na przykład przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) o wysokiej rozdzielczości, gdzie tętnienia w napięciu zasilającym mogą być widoczne w widmie sygnału cyfrowego wychodzącego z takiego układu. Aby uniknąć niepotrzebnego pogarszania stosunku sygnału do szumu (SNR) lub zakresu dynamicznego ADC pozbawionego zakłóceń (SFDR) często zamiast zasilacza impulsowego stosuje się liniowy stabilizator napięcia LDO. Jednakże zrozumienia w jaki sposób do napięcia wyjściowego przenikają wspomniane powyżej artefakty pozwala na takie projektowanie zasilaczy impulsowych, aby możliwe było ich stosowanie w czułych systemach, gdzie jakość napięcia zasilającego jest niezwykle istotna.

    W poniższym artykule opisano poprawne techniki służące do pomiaru tętnień napięcia wyjściowego oraz zakłóceń wynikających z przełączania tranzystorów wyjściowych w stabilizatorze impulsowym. Pomiar rzeczywistej wartości tych artefaktów jest nietrywialny, gdyż źle dobrany układ pomiarowy może doprowadzić do niepoprawnych odczytów. Tworzące się na przykład pętle masy po dołączeniu sondy oscyloskopu, wprowadzić mogą pasożytnicze indukcyjności do układu, co zwiększyć może amplitudę przepięć, związanych z przełączających się w stabilizatorze impulsowym tranzystorów, zatem podstawowym czynnikiem podczas tych pomiarów jest zapewnienie krótkich poprawnie dołączonych do punktów pomiarowych sond oraz zapewnienie szerokiego pasma pomiaru. W artykule zostanie wykorzystany przykład w postaci układu opartego o scalony stabilizator ADP2114. Jest to przetwornica DC/DC step-down mogąca pracować z prądem do 4 A (przy jednym wyjściu) lub 2 A (z dwoma wyjściami). Układ ten pracuje w topologii buck przy częstotliwości przełączania do 2 MHz.

    Tętnienia wyjściowe i przepięcia przełączania

    Tętnienia napięcia wyjściowego oraz charakter impulsów podczas przełączania zależne jest od topologii konkretnego stabilizatora impulsowego, a także od wartości wykorzystanych do jego konstrukcji elementów zewnętrznych. Tętnienie napięcia wyjściowego związane jest z pozostałością napięcia zmiennego, które jest wynikiem pracy impulsowej układu. Częstotliwość podstawowa tętnień w napięciu wyjściowym jest zatem taka sama jak częstotliwość przełączania napięcia w układzie. Z kolei przepięcia są oscylacjami o bardzo wysokiej częstotliwości, pojawiającymi się podczas przełączania tranzystorów w układzie. Amplituda tych przepięć wyrażana jest jako napięcie międzyszczytowe takiego impulsu. Jest ona niezwykle trudna do dokładnego zmierzenia, gdyż zależeć będzie od konkretnego układu pomiarowego. Poniższa ilustracja prezentuje przykładowe zniekształcenia - tętnienia i przepięcia - widoczne w napięciu wyjściowym stabilizatora impulsowego.





    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych


    Rozważania nad tętnieniami napięcia wyjściowego

    Kluczowy wpływ na tętnienia wyjściowe z układu mają dwa elementy umieszczone na jego wyjściu - induktor i kondensator. Niewielka indukcyjność, użyta w tym miejscu, powoduje iż odpowiedź układu na nagłą zmianę warunków pracy jest szybsza, jednakże kosztem zwiększenia prądu tętnień. Z kolei duża indukcyjność na wyjściu powoduje spadek tego prądu, jednakże zmniejsza także zdolność stabilizatora do pracy przy szybkich zmianach warunków, na przykład poboru prądu przez zasilany układ. W tym miejscu układu warto wykorzystać kondensator o niskiej rezystancji szeregowej (ESR). Ceramiczne kondensatory z dielektrykiem typu X5R lub X7R są bardzo dobrym wyborem. Aby zminimalizować tętnienia napięcia na wyjściu, filtrujący je kondensator powinien być możliwie dużej pojemności, jednakże wiąże się to z kosztami - tymi generowanymi przez zwiększenie powierzchni płytki drukowanej, aby zmieścić na niej większy element oraz samymi kosztami kondensatora.

    Pomiary czasowo-zależne w funkcji częstotliwości

    Przydatnym, podczas projektowania systemu zasilania i analizy niepożądanych sygnałów w napięciu wyjściowym, jest pomiar w dziedzinie częstotliwości, gdyż dostarczyć on może istotnych dla inżyniera informacji. Widmo częstotliwościowe sygnału wyjściowego może pokazać przy jakich częstotliwościach znajdują się prążki wynikające z tętnień napięcia zasilania, zależnie od poboru mocy z stabilizatora. Poniżej znajdziemy wykres, prezentujący takie widmo. Analiza częstotliwości przy jakich widoczne są zakłócenia pochodzące z zasilacza, pozwala na sprawdzenie czy przetwornica dobrana do tej aplikacji jest dobra, zależnie czy jest to układ RF, pracujący z szerokim pasmem czy ultraszybki przetwornik analogowo-cyfrowy.

    W celu dokonania pomiaru widma sygnału wyjściowego podłączyć należy kabel koncentryczny o impedancji falowej równej 50 Ω bezpośrednio do kondensatora wyjściowego stabilizatora. Sygnał w takim przypadku przechodzi przez ten kondensator i impedancję analizatora widma, gdzie natrafia na kondensator blokujący napięcie stałe. Jest to niezwykle istotne, gdyż odfiltrowanie napięcia DC z sygnału pozwala na uniknięcie zafałszowania pomiaru na skutek występowania dużego napięcia stałego (gdyż napięcie to będzie znacznie wyższe od amplitudy tętnień) w analizowanym sygnale. Z kolei zapewnienie środowiska o stałej, równej 50 Ω impedancji, zapewnia iż unikniemy zakłóceń wysokiej częstotliwości, odbić sygnału i powstawania w kablu koaksjalnym fali stojącej.

    Kondensator wyjściowy jest głównym źródłem napięcia tętnień, dlatego też punkt pomiarowy dla tych napięć powinien znajdować się możliwie blisko jego wyprowadzeń. Pętla masy, tworząca się przy podłączaniu sondy, pomiędzy jej końcem a podłączeniem sondy do masy powinna być możliwie najmniejsza, tak aby uniknąć powstawania dodatkowej induktancji w systemie, która może mieć wpływ na pomiar. Poniższy wykres prezentuje widmo częstotliwościowe wygenerowane podczas tego pomiaru. ADP2114 generuje tętnienia o amplitudzie 4 mVp-p przy zachowaniu warunków pracy, opisanych szczegółowo w karcie katalogowej tego układu.

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych


    Pomiary czasowo-zależne w funkcji czasu

    Jeśli do pomiaru wykorzystujemy sondę oscyloskopową konieczna jest eliminacja pętli masy, poprzez uniknięcie używania długiego wyprowadzenia masy z sondy, które często jest obecne. Tworząca się pętla wokół punktu pomiarowego zwiększa induktancję, jak opisano powyżej, i powoduje zafałszowanie pomiaru.

    Jeśli dokonuje się pomiaru tętnień o niewielkiej amplitudzie wskazane jest użycie pasywnej sondy 1x albo też samego kabla o impedancji 50 Ω, zamiast na przykład sondy 10x, jako że sonda 10x tłumić będzie sygnał o czynnik 10, co spowoduje iż sygnał tętnień będzie niebezpiecznie zbliżał się swoim poziomem do poziomu szumów użytego oscyloskopu. Poniższe zdjęcie prezentuje dosyć dobrą metodę podłączania sondy oscyloskopowej do układu w celu dokonania pomiaru. Poniżej zdjęcia znajduje się wynik pomiaru, dokonanego oscyloskopem o pasmie 500 MHz. Szum o wysokiej częstotliwości oraz widoczne przepięcia są wynikiem powstawania pętli masy, a nie niepoprawnego działania układu.

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych


    Istnieje szereg metod redukcji induktancji dołączanej do układu. Jedną z metod jest usunięcie z układu długiego przyłącza masy, które wykorzystuje się przy sondach oscyloskopu. Zamiast tego wykorzystuje się fakt, iż zewnętrzna powierzchnia sondy jest przyłączem masy. Poniższe zdjęcie pokazuje jak podłączyć do pinów testowych sondę, aby jednocześnie podłączony był jej koniec - sygnał - i obudowa - masa. Poniżej zdjęcie znajduje się zebrany pomiar, w którym, jak łatwo zauważyć, poziom szumu o wysokiej częstotliwości jest znacznie niższy. Jest to efektem zmniejszenia pasożytniczej induktancji, wprowadzanej do układu przez pętlę masy.

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych


    Niemalże optymalnym sposobem podłączania sondy jest wpinanie się bezpośrednio w kondensator wyjściowy, jak zakłada metoda pomiaru. Realizacja tego typu pomiaru zaprezentowana jest na poniższym zdjęciu. Jak widać na zaprezentowanych poniżej pomiarach są one wyraźnie lepszej jakości, gdyż w tym przypadku nie tylko nie wprowadzamy do układu induktancji pasożytniczej wyprowadzenia masy sondy, ale także nie uwzględniamy w pomiarze induktancji ścieżek. Mimo tego jednakże, nadal widoczna jest 'poświata' szumu wokół zebranego sygnału, będąca jego zakłóceniem.

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych


    Najlepsza metoda

    Najlepszą metodą pomiaru wyjścia z przetwornicy jest wykorzystanie przewodu koncentrycznego o impedancji 50 Ω, jako że zachowuje on pełną impedancję toru pomiarowego. Dodatkowo kondensator umieszczony pomiędzy kondensatorem filtrującym w przetwornicy, na którym prowadzony jest pomiar i wejściem oscyloskopu blokuje prąd stały z stabilizatora. Drugi koniec kabla przylutowany jest bezpośrednio do kondensatora w stabilizatorze impulsowym, wykorzystując bardzo krótkie fragmenty kabla koaksjalnego. Taka metoda zapewnia spójność sygnału i nie wprowadza żadnych zakłóceń do pomiaru. Na poniższym zdjęciu zaprezentowano skonstruowany układ pomiarowy, a poniżej porównanie pomiaru tą metodą i metodą opisaną powyżej. Pasmo pomiaru wynosi 500 MHz.

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych
    Przełączanie tranzystorów w przetwornicy (1), Metoda gołej sondy (3), Bezpośrednio przylutowany kabel koncentryczny(2).


    Porównanie tych dwóch technik pokazuje iż zapewnienie odpowiedniej impedancji toru pomiarowego zapewnia najprecyzyjniejsze rezultaty pomiaru, nawet przy tak szerokim pasmie pomiaru. Jak wynika z pomiaru amplituda tętnień wynosi 3,9 mVp-p, co jest w pełni zgodne z poprzednimi pomiarami (w pasmie 30 MHz) z których wynikało iż wynosi ona 4 mVp-p.

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych


    Pomiar przepięć w sygnale wyjściowym

    Przepięcia wynikające z przełączania tranzystorów wyjściowych charakteryzują się niezwykle małą energią, jednakże częstotliwością o wiele wyższą niż tętnienia napięcia wyjściowego. Przepięcia następują przy przełączaniu tranzystorów wyjściowych stabilizatora impulsowego. Ich wartość międzyszczytową podaje się zazwyczaj bez odliczania amplitudy tętnień. Poniższy oscylogram prezentuje porównanie pomiaru przepięć wykonanego zwykłą sondą oscyloskopową oraz z pomocą kabla koncentrycznego o impedancji falowej równej 50 Ω, przylutowanego do kondensatora wyjściowego. Podobnie jak w przypadku pomiaru tętnień pomiar jest o wiele lepszej jakości, szczególnie iż uniknięcie znacznej pętli masy w układzie pozwala na uniknięcie zwiększania amplitudy przepięcia.

    Zakłócenia wyjściowe w zasilaczach impulsowych
    Przełączanie tranzystorów przetwornicy (1), Standardowa sonda oscyloskopowa (3), kabel koaksjalny o impedancji 50 Ω wlutowany w układ (2).


    Podsumowanie

    Techniki pomiaru tętnienia napięcia na wyjściu stabilizatora i przepięć, także w nim obecnych, są kluczowe podczas projektowania i testowania zasilacza opartego o stabilizator impulsowy, szczególnie jeśli ma on zasilacz niskoszumny układ o mocno wyśrubowanych parametrach. Zaprezentowane w powyższym artykule techniki pomiarowe pozwalają na przeprowadzanie precyzyjnych i powtarzalnych pomiarów napięcia wyjściowego. Istotnym jest zapewnienie odpowiedniej impedancji toru pomiarowego, równej 50 Ω, co zaprezentowano powyżej. Metody, zaprezentowane w tym artykule, używać można niezależnie od topologii stabilizatora, jaki znajduje się aktualnie na naszym biurku w warsztacie.

    Źródło:

    http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/48-08/ripple_measurement.html


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day
  • #2 28 Sie 2014 19:10
    Demmo
    Poziom 16  

    Tytuł trochę mylący, bo artykuł dotyczy bardziej metod pomiaru niż samych zakłóceń. Druga rzecz, to "koaksjalny" ;) Rozumiem, że to "tłumaczenie" słowa "coaxial", co u nas przyjęło się raczej jako "koncentryczny". Zresztą raz tłumaczysz "koaksjalny", a innym razem "koncentryczny" ;)

    Ale poza tymi drobiazgami - dobra robota i artykuł ciekawy :D

  • Arrow Multisolution Day
  • #3 29 Sie 2014 12:55
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Demmo napisał:
    Tytuł trochę mylący, bo artykuł dotyczy bardziej metod pomiaru niż samych zakłóceń. Druga rzecz, to "koaksjalny" ;) Rozumiem, że to "tłumaczenie" słowa "coaxial", co u nas przyjęło się raczej jako "koncentryczny". Zresztą raz tłumaczysz "koaksjalny", a innym razem "koncentryczny" ;)

    Ale poza tymi drobiazgami - dobra robota i artykuł ciekawy :D


    Po pierwsze - dzięki :)

    Tytuł jest przetłumaczonym tytułem oryginału "Understanding Switching Regulator Output Artifacts Expedites Power Supply Design" którego niestety pełne tłumaczenie nie mieści się na forum ;).

    Koaksjalny i koncentryczny używam zamiennie, po to aby nie powtarzać w kóło tego samego słowa, szczególnie iż oba słowa są w języku polskim używane ( http://sjp.pl/koaksjalny )

  • #4 29 Sie 2014 13:18
    Demmo
    Poziom 16  

    W słowniku jest, ale jak dla mnie to dość pokraczny wyraz, szczególnie, jeśli istnieje jego sympatyczny polski odpowiednik. Bo jak inaczej opisać didżeja, to trochę problem, ale koaksjalny po co wprowadzili, to nie wiem ;)

    Oryginalny tytuł jest bliżej faktycznego sensu artykułu, no ale jak mówisz, że limit znaków, to co zrobić? ;)