Gợn sóng điện áp chuyển mạch là điều không thể tránh khỏi. Mục tiêu cuối cùng của chúng tôi là giảm gợn sóng đầu ra xuống mức có thể chấp nhận được. Giải pháp cơ bản nhất để đạt được mục tiêu này là tránh tạo ra gợn sóng. Trước hết là nguyên nhân.
Với công tắc SWITCH, dòng điện trong cuộn cảm L cũng dao động lên xuống theo giá trị hợp lệ của dòng điện đầu ra. Do đó, cũng sẽ có một gợn sóng có cùng tần số với Switch ở đầu ra. Thông thường, gợn sóng của riber đề cập đến điều này, liên quan đến dung lượng của tụ điện đầu ra và ESR. Tần số của gợn sóng này giống với nguồn điện chuyển mạch, với phạm vi từ hàng chục đến hàng trăm kHz.
Ngoài ra, Switch thường sử dụng transistor lưỡng cực hoặc MOSFET. Bất kể là loại nào, khi bật và tắt đều có thời gian tăng và giảm. Lúc này, mạch sẽ không có nhiễu, thời gian tăng và giảm giống nhau, hoặc gấp vài lần thời gian tăng và giảm của Switch, thường là hàng chục MHz. Tương tự, diode D đang ở chế độ phục hồi ngược. Mạch tương đương là một dãy tụ điện và cuộn cảm điện trở, sẽ gây ra cộng hưởng, và tần số nhiễu là hàng chục MHz. Hai loại nhiễu này thường được gọi là nhiễu tần số cao, và biên độ thường lớn hơn nhiều so với gợn sóng.
Nếu là bộ chuyển đổi AC/DC, ngoài hai gợn sóng (nhiễu) nêu trên, còn có nhiễu AC. Tần số này là tần số của nguồn điện AC đầu vào, khoảng 50-60Hz. Ngoài ra còn có nhiễu đồng chế độ, bởi vì thiết bị cấp nguồn của nhiều bộ nguồn chuyển mạch sử dụng vỏ làm bộ tản nhiệt, tạo ra điện dung tương đương.
Đo gợn sóng công suất chuyển mạch
Yêu cầu cơ bản:
Ghép nối với máy hiện sóng AC
Giới hạn băng thông 20MHz
Rút dây nối đất của đầu dò
1. Ghép nối AC là để loại bỏ điện áp DC chồng chất và thu được dạng sóng chính xác.
2. Việc mở giới hạn băng thông 20MHz nhằm mục đích ngăn ngừa nhiễu tần số cao và tránh sai số. Do biên độ thành phần tần số cao lớn, nên loại bỏ giới hạn này khi đo.
3. Rút kẹp nối đất của đầu dò máy hiện sóng và sử dụng phép đo nối đất để giảm nhiễu. Nhiều phòng ban không có vòng nối đất. Tuy nhiên, hãy cân nhắc yếu tố này khi đánh giá xem nó có đủ điều kiện hay không.
Một điểm nữa là sử dụng đầu nối 50Ω. Theo thông tin của máy hiện sóng, module 50Ω dùng để loại bỏ thành phần DC và đo chính xác thành phần AC. Tuy nhiên, có rất ít máy hiện sóng có đầu dò đặc biệt như vậy. Trong hầu hết các trường hợp, đầu dò từ 100kΩ đến 10MΩ được sử dụng, điều này tạm thời chưa rõ ràng.
Trên đây là những lưu ý cơ bản khi đo gợn sóng chuyển mạch. Nếu đầu dò dao động ký không tiếp xúc trực tiếp với điểm đầu ra, nên đo bằng dây xoắn hoặc cáp đồng trục 50Ω.
Khi đo nhiễu tần số cao, dải tần đầy đủ của máy hiện sóng thường nằm trong khoảng từ hàng trăm mega đến GHz. Các máy khác cũng tương tự như trên. Có lẽ các công ty khác nhau có phương pháp kiểm tra khác nhau. Cuối cùng, bạn cần biết kết quả kiểm tra của mình.
Về máy hiện sóng:
Một số máy hiện sóng kỹ thuật số không thể đo chính xác gợn sóng do nhiễu và độ sâu lưu trữ. Lúc này, bạn nên thay máy hiện sóng. Đôi khi, mặc dù băng thông máy hiện sóng mô phỏng cũ chỉ vài chục mega, nhưng hiệu suất lại tốt hơn máy hiện sóng kỹ thuật số.
Ức chế gợn sóng chuyển mạch điện
Về mặt lý thuyết và thực tế, gợn sóng chuyển đổi tồn tại. Có ba cách để ngăn chặn hoặc giảm thiểu nó:
1. Tăng độ tự cảm và lọc tụ điện đầu ra
Theo công thức của bộ nguồn chuyển mạch, biên độ dao động dòng điện và giá trị độ tự cảm của cảm ứng tỷ lệ nghịch với nhau, và độ gợn sóng đầu ra và tụ điện đầu ra cũng tỷ lệ nghịch với nhau. Do đó, việc tăng điện dung và tụ điện đầu ra có thể làm giảm độ gợn sóng.
Hình ảnh trên là dạng sóng dòng điện trong cuộn cảm nguồn điện chuyển mạch L. Dòng điện gợn sóng △ i của nó có thể được tính theo công thức sau:
Có thể thấy rằng việc tăng giá trị L hoặc tăng tần số chuyển mạch có thể làm giảm sự dao động dòng điện trong độ tự cảm.
Tương tự, mối quan hệ giữa gợn sóng đầu ra và tụ điện đầu ra: VRIPPLE = IMAX/(CO × F). Có thể thấy rằng việc tăng giá trị tụ điện đầu ra có thể làm giảm gợn sóng.
Phương pháp thông thường là sử dụng tụ điện phân nhôm cho điện dung đầu ra để đạt được dung lượng lớn. Tuy nhiên, tụ điện phân không hiệu quả lắm trong việc triệt nhiễu tần số cao, và ESR tương đối lớn, vì vậy cần kết nối thêm tụ gốm bên cạnh để bù đắp cho sự thiếu hụt của tụ điện phân nhôm.
Đồng thời, khi nguồn điện hoạt động, điện áp VIN của cực đầu vào không đổi, nhưng dòng điện thay đổi theo công tắc. Lúc này, nguồn điện đầu vào không cung cấp dòng điện, thường là gần cực đầu vào dòng điện (ví dụ như loại buck, gần công tắc), và kết nối điện dung để cung cấp dòng điện.
Sau khi áp dụng biện pháp đối phó này, nguồn điện chuyển mạch Buck được hiển thị trong hình bên dưới:
Phương pháp trên chỉ giới hạn ở việc giảm gợn sóng. Do giới hạn thể tích, độ tự cảm sẽ không lớn lắm; tụ điện đầu ra tăng đến một mức độ nhất định, và không có tác dụng rõ ràng trong việc giảm gợn sóng; việc tăng tần số chuyển mạch sẽ làm tăng tổn thất chuyển mạch. Vì vậy, khi yêu cầu khắt khe, phương pháp này không thực sự hiệu quả.
Để biết nguyên lý của nguồn điện chuyển mạch, bạn có thể tham khảo nhiều loại hướng dẫn thiết kế nguồn điện chuyển mạch khác nhau.
2. Lọc hai cấp là thêm bộ lọc LC cấp một
Hiệu ứng ức chế của bộ lọc LC đối với gợn sóng nhiễu tương đối rõ ràng. Tùy thuộc vào tần số gợn sóng cần loại bỏ, hãy chọn tụ điện cảm ứng phù hợp để tạo thành mạch lọc. Nhìn chung, nó có thể giảm gợn sóng tốt. Trong trường hợp này, cần xem xét điểm lấy mẫu của điện áp phản hồi. (Như minh họa bên dưới)
Điểm lấy mẫu được chọn trước bộ lọc LC (PA), và điện áp đầu ra sẽ giảm. Vì bất kỳ cuộn cảm nào cũng có điện trở DC, nên khi có dòng điện đầu ra, sẽ có sự sụt áp trong cuộn cảm, dẫn đến giảm điện áp đầu ra của nguồn điện. Sự sụt áp này thay đổi theo dòng điện đầu ra.
Điểm lấy mẫu được chọn sau bộ lọc LC (PB) để điện áp đầu ra đạt được điện áp mong muốn. Tuy nhiên, một cuộn cảm và tụ điện được đưa vào bên trong hệ thống điện, điều này có thể gây mất ổn định hệ thống.
3. Sau khi đầu ra của nguồn điện chuyển mạch, kết nối bộ lọc LDO
Đây là cách hiệu quả nhất để giảm gợn sóng và nhiễu. Điện áp đầu ra không đổi và không cần thay đổi hệ thống phản hồi ban đầu, nhưng cũng tiết kiệm chi phí nhất và tiêu thụ điện năng cao nhất.
Bất kỳ LDO nào cũng có một chỉ số: tỷ lệ triệt nhiễu. Đó là đường cong tần số-DB, như thể hiện trong hình bên dưới là đường cong của LT3024 LT3024.
Sau LDO, gợn sóng chuyển mạch thường dưới 10mV. Hình sau đây là so sánh gợn sóng trước và sau LDO:
So sánh với đường cong hình trên và dạng sóng bên trái, có thể thấy hiệu ứng ức chế của LDO rất tốt đối với các gợn sóng chuyển mạch ở tần số hàng trăm KHz. Tuy nhiên, trong dải tần số cao, hiệu ứng của LDO không lý tưởng như vậy.
Giảm gợn sóng. Việc đấu dây PCB của bộ nguồn chuyển mạch cũng rất quan trọng. Đối với nhiễu tần số cao, do tần số cao lớn, mặc dù bộ lọc sau tầng có tác dụng nhất định, nhưng hiệu quả không rõ ràng. Có những nghiên cứu chuyên biệt về vấn đề này. Phương pháp đơn giản là đấu nối diode với điện dung C hoặc RC, hoặc đấu nối tiếp cuộn cảm.
Hình trên là mạch tương đương của diode thực tế. Khi diode hoạt động ở tốc độ cao, cần xem xét các thông số ký sinh. Trong quá trình phục hồi ngược của diode, độ tự cảm tương đương và điện dung tương đương trở thành bộ dao động RC, tạo ra dao động tần số cao. Để triệt tiêu dao động tần số cao này, cần kết nối điện dung C hoặc mạch đệm RC ở cả hai đầu diode. Điện trở thường là 10Ω-100ω, và điện dung là 4,7PF-2,2NF.
Điện dung C hoặc RC trên diode C hoặc RC có thể được xác định bằng cách thử nghiệm nhiều lần. Nếu không được chọn đúng, nó sẽ gây ra dao động mạnh hơn.
Thời gian đăng: 08-07-2023
