Welligkeit und Welligkeitskoeffizient der Stromversorgung
Die Hauptfunktion eines Netzteils besteht darin, elektronische Produkte mit elektrischer Energie zu versorgen. Allerdings treten bei einem Netzteil zwangsläufig Wellen, Störungen usw. auf, die die Stabilität und Zuverlässigkeit des elektronischen Systems und sogar des gesamten Produkts beeinträchtigen.
Spannungswelligkeit kann verschiedene Schaltkreise der Stromversorgung stark beeinträchtigen, z. B. A/D-Umwandlungsschaltkreise, Operationsverstärkerschaltkreise, Gleichrichterfilterschaltkreise usw. Bei gängigen Anwendungen treten die folgenden Gefahren auf:
Erzeugen unerwünschte Oberschwingungen, die zu Überspannungen oder Überströmen führen und so Unfälle verursachen, erhöhen zusätzliche Verluste und verringern die Effizienz und Nutzung elektrischer Geräte.
Dies kann zu Funktionsstörungen der Geräte, beschleunigter Alterung und verkürzter Lebensdauer führen; es kann zu Funktionsstörungen oder Nichtfunktionieren von Relaisschutz, automatischen Geräten, Computersystemen und anderen Geräten führen;
Dies kann zu Abweichungen bei Mess- und Messgeräten führen, Kommunikationssysteme stören, die Qualität der Signalübertragung verringern und sogar die Kommunikationsausrüstung beschädigen.
Daher ist es beim Entwurf elektronischer Produkte erforderlich, die Welligkeit genau zu messen und sie innerhalb eines bestimmten Bereichs zu unterdrücken.
1 Welligkeit und Welligkeitskoeffizient der Stromversorgung
Genau genommen besteht die geregelte Stromversorgung aus vier Teilen: Leistungstransformator, Gleichrichterschaltung, Filterschaltung und Spannungsstabilisierungsschaltung. Da DC-DC auch als geregelte Stromversorgung angesehen werden kann, gelten Gleichrichterschaltung, Filterschaltung und Spannungsstabilisierungsschaltung als die drei notwendigen Teile der geregelten Stromversorgung [1].
Der Gleichrichterkreis verwendet Einweg-Leitungselemente, um Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umzuwandeln. Der pulsierende Gleichstrom ist nicht gleichmäßig und enthält einen großen Anteil an Wechselstromkomponenten.
Die Filterschaltung verwendet Energiespeicherkomponenten, um pulsierenden Gleichstrom in einen relativ flachen Gleichstrom umzuwandeln. Aufgrund der unterschiedlichen Leistung der Filterschaltung kann sie zwar die meisten Wechselstromkomponenten herausfiltern, jedoch nicht vollständig.
Die Spannungsstabilisierungsschaltung nach Gleichrichtung und Filterung verwendet die Anpassungsfunktion der Schaltung, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren und den Wechselstromanteil auf ein Minimum zu reduzieren. Dieser Wechselstromanteil, der zusammen mit der stabilen Ausgangsspannung nicht vollständig gefiltert werden kann, wird als Welligkeitsspannung bezeichnet.
Um die Leistung der Filterung einer geregelten Gleichstromversorgung zu charakterisieren, wird das Konzept des Welligkeitskoeffizienten eingeführt [2-3]. Der Welligkeitskoeffizient ψ ist definiert als der Prozentwert des Effektivwerts der Welligkeitsspannung Vr und der Gleichstromausgangsspannung Vo, das heißt:
Der Welligkeitskoeffizient ist ein wichtiger Indikator zur Bewertung der stabilen und reinen Leistung einer Gleichstromversorgung. Aus der obigen Formel ist ersichtlich, dass die Welligkeitsspannung gemessen werden muss, um den Welligkeitskoeffizienten zu ermitteln.
2 Messung der Welligkeit der Stromversorgung
Für die genaue Messung der Welligkeit der Stromversorgung sind im Allgemeinen zwei Instrumente erforderlich, nämlich eine elektronische Last (Electronic Load) und ein digitales Speicheroszilloskop (DSO).
Elektronische Lasten erleichtern die Stromeinstellung und werden im Allgemeinen auf den konstanten Widerstandsmodus (CR) eingestellt. Digitale Speicheroszilloskope können die gesamte Welligkeitswellenform direkt erfassen, den Welligkeitswert speichern, verstärken und auslesen. Setzen Sie den Oszilloskopwert in die Formel ein, um den Welligkeitskoeffizienten zu erhalten.
Beim Messen müssen Sie folgende zwei Punkte beachten (diese beiden Punkte sind besonders wichtig für die Genauigkeit der Messergebnisse):
(1) Das Sondenerdungskabel des digitalen Speicheroszilloskops muss abgezogen und stattdessen der Erdungsfederstift in der Sondenbaugruppe verwendet werden. Dadurch kann verhindert werden, dass Erdschleifen in das elektromagnetische Rauschen eingekoppelt werden, was zu ungenauen Messergebnissen führt.
Das Erdungskabel der Sonde ist zu lang und der Schleifenbereich zu groß, wodurch eine Empfangsantenne entsteht und hochfrequente Störungen oder elektromagnetische Störungen in das Messsignal eingekoppelt werden.
(2) Das digitale Speicheroszilloskop selbst muss seine Einstellungen anpassen.
Das digitale Speicheroszilloskop muss gut geerdet sein, um das vom Netzteil kommende Rauschen weiter herauszufiltern. Verwenden Sie die AC-Kopplung des digitalen Speicheroszilloskops, um Gleichstrom zu blockieren, wodurch der Welligkeitstest intuitiver und genauer wird.
Bei allgemeinen Welligkeitstests muss die Frequenz auf unter 20 MHz begrenzt werden. Daher sollte das digitale Speicheroszilloskop die Bandbreitengrenze von 20 MHz öffnen, um hochfrequentes Rauschen zu isolieren.
3 Methoden zur Unterdrückung von Welligkeit in der Stromversorgung
Um die Welligkeit der Ausgangsspannung einer geregelten Stromversorgung zu unterdrücken, werden im Allgemeinen die folgenden vier Methoden angewendet: RLC-Filtermethode, Gleichtaktfiltermethode, Ferrit-Magnetring-Filtermethode und eine Kombination der drei Methoden.
Die Filterschaltung, die die Welligkeit der DC-DC-Stromversorgung unterdrückt, wird durch experimentelle Überprüfung demonstriert. Im Überprüfungsexperiment wurde eine 100-W-DC-DC-Stromversorgung mit 48 V Eingang und 5 V Ausgang, Modell SD-100C-5 von Meanwell ausgewählt.
Das digitale Speicheroszilloskop wählt GWINSTEKs GDS-1072B mit einer Bandbreite von 70 MHz, einer Abtastrate von 1 GSa/s und einer Speichertiefe von 10 M pro Kanal.
Die elektronische Last ist PEL{{0}} von GWINSTEK, mit einem Spannungsbereich von 1,5 V~150 V, einem Strombereich von 0~35 A und einer Leistung von 175 W.
Nach dieser Berechnung beträgt der Strom im Stromkreis 20 A. Abbildung 3 zeigt das Anschlussblockdiagramm des Welligkeitstests der Stromversorgung.
Um die Wirkung der Unterdrückung der Welligkeit der Stromversorgung intuitiver und deutlicher zu machen, schließen Sie zuerst den Filterkreis von SD-100C-5 kurz und messen Sie die Welligkeit seiner Ausgangsspannung. Daraus ist ersichtlich, dass die Welligkeit der Stromversorgung ungefähr 85,6 mVpp beträgt und der Effektivwert 48,2 mVrms beträgt.
