Die Ursachen von Welligkeiten und Rauschen in Schaltnetzteilen
Der Ausgang des Schaltnetzteils ist keine reine Gleichspannung, es gibt jedoch einige Wechselstromkomponenten im Inneren, die durch Welligkeit und Rauschen verursacht werden. Unter Welligkeit versteht man die Schwankung der Ausgangsgleichspannung, die mit der Schaltwirkung des Schaltnetzteils zusammenhängt. Bei jedem Öffnungs- und Schließvorgang wird elektrische Energie vom Eingangsende zum Ausgangsende „gepumpt“, wodurch ein Lade- und Entladevorgang entsteht, der zu Schwankungen der Ausgangsspannung mit einer Frequenz führt, die der Frequenz des Schalters ähnelt. Die Welligkeitsspannung ist der Spitze-zu-Spitze-Wert zwischen den Spitzen und Tälern der Welligkeit und ihre Größe hängt von der Kapazität und Qualität der Eingangs- und Ausgangskondensatoren des Schaltnetzteils ab.
Es gibt zwei Gründe für die Geräuschentwicklung: Der eine wird durch das Schaltnetzteil selbst erzeugt; Eine andere Art sind Störungen durch externe elektromagnetische Felder (EMI), die durch Strahlung oder über Stromleitungen in das Schaltnetzteil gelangen können.
Das vom Schaltnetzteil selbst erzeugte Rauschen ist eine hochfrequente Impulsfolge, die durch scharfe Impulse verursacht wird, die im Moment des Schaltens und Abschaltens erzeugt werden und auch als Schaltrauschen bezeichnet werden. Die Frequenz der Rauschimpulsfolge ist viel höher als die Schaltfrequenz und die Rauschspannung ist ihr Spitze-zu-Spitze-Wert. Die Amplitude der Rauschspannung hängt weitgehend von der Topologie des Schaltnetzteils, dem parasitären Zustand im Schaltkreis und dem Design der Leiterplatte ab.
Die Wellenform von Welligkeit und Rauschen kann mit einem Oszilloskop betrachtet werden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Frequenz der Welligkeit entspricht der Frequenz der Schaltröhre, während die Frequenz des Rauschens doppelt so hoch ist wie die der Schaltröhre. Die Summe der Spitze-zu-Spitze-Werte der Welligkeitsspannung und der Rauschspannung ist die Welligkeit und Rauschspannung, ausgedrückt in mVp-p.
Messmethoden für Welligkeit und Rauschen
Welligkeit und Rauschspannung gehören zu den wichtigsten Leistungsparametern von Schaltnetzteilen, daher ist die genaue Messung dieser Werte ein sehr wichtiges Thema. Derzeit wird zur Messung von Welligkeit und Rauschspannung ein Breitbandoszilloskop verwendet, das die Welligkeits- und Rauschspannungswerte genau messen kann.
Aufgrund der großen Vielfalt an Schaltnetzteilen (mit unterschiedlichen Topologien, Betriebsfrequenzen, Ausgangsleistungen und technischen Anforderungen) verwenden verschiedene Hersteller Oszilloskop-Messmethoden und die Messgeräte sind nicht völlig gleich. Daher verfügt jede Fabrik über einen eigenen Standard zur Messung verschiedener Schaltnetzteile, den Unternehmensstandard.
Das Blockdiagramm des Geräts zur Messung von Welligkeit und Rauschen mithilfe eines Oszilloskops ist in Abbildung 2 dargestellt. Es besteht aus dem getesteten Schaltnetzteil, der Last, dem Oszilloskop und der Messverkabelung. Bei manchen Messgeräten sind zusätzlich Bauteile wie Induktivitäten, Kondensatoren und Widerstände angelötet.
