Меню

Амплитуда пульсации напряжения питания

Амплитуда пульсации напряжения питания

Коэффициент пульсации — отношение абсолютного уровня пульсации к постоянной составляющей сигнала. Иначе говоря, коэффициент пульсации — мера пульсации в относительных единицах. Несмотря на то что, казалось бы, можно дать довольно чёткое определение данному понятию, на самом деле оно крайне неоднозначное. Причина этого в том, что существуют совершенно разные подходы к определению абсолютного уровня пульсаций.

Введение

Довольно часто, например, при измерении различных физических величин, при анализе качества электропитания устройств и при рассмотрении множества других вопросов, мы сталкиваемся с явлением пульсации — нежелательным периодическим отклонением величины (допустим, выходного напряжения блока питания) относительно среднего значения.

Мерой пульсации является уровень пульсации, который может быть выражен в абсолютных величинах (амплитуда пульсации, размах, действующее значение и т.д.). Но иногда бывает удобно рассматривать уровень пульсации не в абсолютном выражении, а в относительных единицах. Отношение величины, характеризующей уровень пульсаций к постоянной составляющей сигнала, называют коэффициентом пульсации.

Коэффициент пульсации можно использовать, например, как объективную характеристику качества выходного напряжения источника питания, которая позволяет сравнивать между собой разные устройства, без привязки к абсолютным значениям выходных напряжений. Коэффициент пульсации позволяет судить о применимости данного источника для питания той или иной нагрузки, ведь для обеспечения работоспособности потребителя, пульсация не должна превышать заданных для него допустимых пределов.

Другой простой пример, когда бывает полезным рассмотрение коэффициента пульсации — анализ выпрямителей. Так, для идеализированного выпрямителя без сглаживающего фильтра, коэффициент пульсации является параметром схемы, не зависящим ни от входного напряжения, ни от нагрузки и дающего возможность легко сопоставлять между собой разные типы выпрямителей.

Определение коэффициента пульсации

Некоторые сложности с использованием данного параметра возникают в связи с тем, что можно вводить в рассмотрение множество разных коэффициентов пульсации, в зависимости от того, какую величину выберем в качестве абсолютной меры уровня пульсаций. Поэтому важно уточнять, о каком именно коэффициенте идёт речь. Чем некоторые авторы порой пренебрегают и тогда остаётся только догадываться, что имелось в виду.

Можно выделить три основных подхода к определению коэффициента пульсации, которые чаще всего используются в литературе и отражены в нормативной документации (стандартах).

1. Коэффициент пульсации — отношение половины размаха пульсации к среднему значению величины (или, что то же самое, к постоянной составляющей величины). Под размахом пульсации понимается разность между максимальным и минимальным значением величины: $$ k=\frac -U_> <2 U_0>. $$

Для практического измерения коэффициента пульсации удобно воспользоваться осциллографом и определить величины Umin, Umax. Если для оценки постоянной составляющей воспользоваться приближением \(U_0 \approx (U_+U_)/2,\) то получаем следующую формулу, удобную для практического определения коэффициента пульсации: $$ k \approx \frac -U_> +U_>. $$

Существует аналогичное определение, но в нём используется не половина размаха, а полный размах пульсаций.

2. Коэффициент пульсации — отношение размаха пульсации к среднему значению величины (к постоянной составляющей величины): $$ k=\frac -U_> , $$ или, в более удобной форме для вычисления по результатам измерений запишем как $$ k \approx 2 \; \frac -U_> +U_>. $$

Но можно использовать не только амплитудные значения величины пульсаций, а, например, действующее (среднеквадратичное) значение напряжения пульсации. Тогда получим следующее определение.

3. Коэффициент пульсации — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины: $$ k=\frac > . $$

Каждое из рассмотренных определений имеет свою область применения. Выбор определяется тем, какой из коэффициентов наилучшим образом отображает реальные характеристики пульсации в данном случае.

Коэффициенты, вычисляемые по амплитуде и размаху пульсации (первое и второе определения) в целом равноценны, лишь отличаются друг от друга в 2 раза. Они характеризуют наибольшее отклонение величины от среднего значения. Хорошо подходят, например, для оценки качества выходного напряжения источников питания. Как правило, питаемое устройство предъявляет вполне определённые требования к пиковым отклонениям питающего напряжения, что позволяет на основании амплитудного коэффициента пульсации сделать вывод о применимости источника по пульсациям.

В некоторых же случаях больший интерес представляет не амплитуда, а действующее значение пульсации, которое определяет мощность пульсации на резистивной нагрузке. И тогда отдают предпочтение третьему определению.

Действующее значение величины, а значит и вычисленный по ней коэффициент пульсации оказывается малочувствителен к единичным кратковременным выбросам величины («иголкам» сигнала), которым соответствует малая переносимая в нагрузку энергия и которые вносят малый вклад в среднюю мощность, рассеиваемую на нагрузке.

Иногда эта особенность коэффициента пульсации по действующему значению оказывается полезной.

Определения понятия в соответствии с нормативной документацией

Поскольку коэффициент пульсаций — очень важный технический параметр, его не обошли вниманием в стандартах.

Посмотрим, например, что по данному вопросу можно найти в стандартах достаточно авторитетной организации IEC (Международной электротехнической комиссии). Осуществляя деятельность по разработке стандартов, IEC также проделала огромную работу с целью унификации терминологии в области электротехники, результатом чего стало создание Международного электротехнического словаря (Electropedia), доступного on-line.

Воспользовавшись поиском по словарю, обнаруживаем, что термины «пульсация», «коэффициент пульсации» используются в разных предметных областях: математика; электромагнитная совместимость; силовая электроника и др. Это ещё одна из причин многозначности термина.

Читайте также:  Источник бесперебойного питания спасает от скачков напряжения

Если, например, обратиться к разделу электромагнитной совместимости, то обнаружим, что там рассматриваются два вида коэффициентов пульсации:

  • peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению, пиковый коэффициент пульсации) — отношение пикового значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод определения из документа IEC-60050-161; под пиковым значением понимается просто размах пульсации) * ;
  • r.m.s.-ripple factor (коэффициент пульсации по среднеквадратичному значению, среднеквадратичный коэффициент пульсаций) — отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей к абсолютному значению постоянной составляющей изменяющейся величины (перевод определения из документа IEC-60050-161; среднеквадратичное значение — это то, что раньше было принято называть действующим значением).

* Вариант на английском: peak-ripple factor — the ratio of the peak-to-valley value of the ripple content to the absolute value of the direct component of a pulsating quantity.
Значение термина «peak-to-valley value» также может быть найдено в Electropedia:
peak-to-valley value, peak-to-peak value — difference between the global maximum value and the global minimum value in the same specified interval of the argument.
Note 1 to entry: For a periodic quantity, the specified interval has a range equal to the period.
Note 2 to entry: The synonym «peak-to-peak value» should be used only when the global maximum and minimum values are of different signs.

В разделе «Силовая электроника» обнаруживаем термин «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока), который определяется как отношение половины разницы между максимальным и минимальным значениями пульсирующего тока к среднему значению этого тока (ratio of half the difference between the maximum and minimum value of a pulsating direct current to the mean value of this current), смотрите IEC-60050-551. Это определение похоже на рассмотренное ранее определение для peak-ripple factor (коэффициент пульсации по амплитудному значению), но здесь для расчёта берётся не полный размах пульсации, а половина.

Наверно есть основания для введения двух однотипных определений, но избавиться от путаницы это совсем не помогает.

Найти упоминание о коэффициенте пульсации можно и в ГОСТ. Так, во многих статьях, касающихся темы пульсации, даётся ссылка на «ГОСТ 23875-88 Качество электрической энергии. Термины и определения», в котором приводится сразу несколько вариантов определения:

  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей * пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
    Примечание. Для целей стандартизации допускается относить к номинальному напряжению (току).
    * Не вполне очевидно, что понимается под «наибольшим значением переменной составляющей». Возможно, это амплитуда.
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — величина, равная отношению действующего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.
  • Коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению — величина, равная отношению среднего значения переменной составляющей пульсирующего напряжения (тока) к его постоянной составляющей.

Первые два определения имеют свои аналоги в IEC, а последнее — уже что-то новенькое. И опять же, не обошлось без доли таинственности. Так как среднее значение переменной составляющей равно 0, можно предположить, что в определении имелось в виду нечто иное. Скорее всего, это «среднее по модулю значение переменного напряжения (тока)», которое в этом же ГОСТе определяется как «среднее за период значение модулей мгновенных значений переменного напряжения (тока)». Вероятно, в каких-то случаях использовать этот коэффициент имеет смысл.

Рассмотрев так подробно вопрос о коэффициенте пульсации с точки зрения ГОСТ 23875-88, осталось только отметить, что этот ГОСТ с 2012 года утратил силу. Так что теперь ссылка на него выглядит как не слишком убедительное обоснование для использования того или иного определения * .

* Тем не менее, например, в действующем «ГОСТ 23414-84 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Термины и определения (с Изменением N 1)» имеется ссылка на утративший силу ГОСТ 23875-88. Оказывается так можно.

Однако, тут нам на помощь приходят другие ГОСТы. Так, в «ГОСТ 26567-85 Преобразователи электроэнергии полупроводниковые. Методы испытаний» (на момент написания этой статьи имеет статус действующего), даётся наглядное объяснение «в картинках», рис. %img:h. На рисунке: 1 — огибающая мгновенных значений пульсирующего напряжения; t — время, в течение которого проводят наблюдения. Как видим, за величину пульсаций принимается половина размаха пульсаций. Также даётся расчётная формула (для вычисления коэффициента в процентах): $$ k_<пул>=\frac>>\cdot 100, $$ т.е. отношение половины размаха пульсации к номинальному значению величины.


Рис. %img:h

Данное определение в некоторой степени аналогично рассмотренному выше определению «DC ripple factor» (коэффициент пульсации постоянного тока) из IEC-60050-551.

Подобные определения можно найти и в других ГОСТах, например, в «ГОСТ Р 52907-2008 Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения»:
коэффициент пульсации постоянного выходного напряжения [тока] источника электропитания РЭА — величина, равная отношению наибольшего значения переменной составляющей пульсирующего постоянного выходного напряжения [тока] к его среднему значению в установившемся режиме работы источника электропитания радиоэлектронной аппаратуры.

Правда, данный стандарт является национальным (на что намекает символ Р в обозначении), но тем не менее.

Альтернативные определения

Справедливости ради нужно отметить, что рассмотренные выше определения коэффициента пульсации не являются единственно возможными и в литературе можно встретить другие варианты.

Читайте также:  Устройство стабилизатора напряжения сети

В принципе, под коэффициентом пульсации можно понимать отношение любой меры уровня пульсаций к среднему значению величины. Поэтому, в случае необходимости, можно вводить в рассмотрение самые экзотические варианты определения. Например, за уровень пульсаций можем принять сумму гармоник переменной составляющей с удобными нам весовыми коэффициентами.

В простейшем случае берём первую гармонику с коэффициентом 1 и получаем ещё один вариант определения, который достаточно часто можно встретить в отечественной литературе: коэффициент пульсации — отношение амплитуды первой гармоники (или низшей, или основной — в разных формулировках) к среднему значению напряжения (т.е., к постоянной составляющей).

Впрочем, известная доля популярности ещё не означает, что это определение является удачным. Во-первых, из рассмотрения исключаются все гармонические составляющие, кроме «основной», в то время как вклад «неосновных» может быть весьма значительным; в результате полученный коэффициент очень косвенно отражает реальное положение дел. Во-вторых, практическое измерение коэффициента не является простым — требуется выделение (фильтрация) одной гармоники для измерения её амплитуды.

Но если, например, имеем дело с питанием устройства, для которого нормируются вполне определённые компоненты в спектре пульсации, то описанный вариант определения вполне годится.

Источник

Понимание выходных артефактов импульсных регуляторов напряжения ускоряет проектирование источников питания

Analog Devices ADP2114

Aldrick S. Limjoco, Analog Devices

Введение

Минимизация выходных пульсаций и коммутационных выбросов импульсного регулятора может иметь большое значение, особенно при питании таких чувствительных к помехам устройств, как АЦП высокого разрешения, где пульсации на выходе преобразователя могут проявляться в виде отдельных пиков в спектре выходного сигнала. Для того чтобы не допустить ухудшения отношения сигнал/шум и динамического диапазона, свободного от паразитных составляющих, импульсные регуляторы часто заменяют линейными LDO стабилизаторами, жертвуя высоким КПД импульсного регулятора ради чистого выхода LDO. Понимание этих артефактов позволит разработчикам успешно интегрировать импульсные преобразователи в более широкий круг высококачественных, чувствительных к шуму приложений.

В статье описаны эффективные методы измерения выходных пульсаций и коммутационных выбросов в импульсных стабилизаторах напряжения. Для измерения подобных артефактов требуется величайшая аккуратность, поскольку плохая организация процесса может привести к некорректным результатам из-за паразитной индуктивности, создаваемой петлей, образованной щупом осциллографа и выводами земли. Паразитная индуктивность увеличивает амплитуду выбросов, обусловленных фронтами импульсов переключения, поэтому при измерениях необходимо обеспечивать короткие связи, правильные методы и широкую полосу пропускания. Для демонстрации способов измерения выходных пульсаций и коммутационных шумов будет использована микросхема сдвоенного двухамперного синхронного понижающего DC/DC преобразователя ADP2114, допускающая также удвоение выходного тока путем объединения двух выходов. Этот понижающий регулятор обеспечивает высокий КПД, работая на частотах переключения до 2 МГц.

Выходные пульсации и коммутационные выбросы

Выходные пульсации и коммутационные выбросы зависят от топологии регулятора, а также от номиналов и характеристик внешних компонентов. Выходные пульсации – это остаточное напряжение переменного тока на выходе схемы, связанное с переключением регулятора. Их основная частота равна рабочей частоте преобразователя. Коммутационные выбросы представляют собой высокочастотные колебания, создаваемые фронтами импульсов переключения. Измерение их амплитуды, выраженной как максимальное напряжение от пика до пика, затруднено, поскольку она сильно зависит от схемы испытаний. Пример выходных пульсаций и коммутационных шумов показан на Рисунке 1.

Рисунок 1. Выходные пульсации и коммутационные выбросы.

Выходные пульсации

Основные компоненты, влияющие на выходные пульсации – это дроссель и выходной конденсатор регулятора. Дроссель меньшей индуктивности увеличивает скорость отклика за счет большей амплитуды пульсаций тока, в то время как большая индуктивность дросселя снижает пульсации за счет ухудшения переходной характеристики. Минимизировать пульсации выходного напряжения позволяет использование конденсатора с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Хорошо подходят керамические конденсаторы с диэлектриками X5R или X7R. Для снижения выходных пульсаций часто используют конденсаторы большой емкости, однако размеры и количество выходных конденсаторов напрямую влияют на стоимость устройства и площадь печатной платы.

Измерения в частотной области

При измерении нежелательных артефактов выходного сигнала разработчикам силовой электроники полезно представлять поведение их устройства в частотной области, поскольку это дает им наглядную информацию о том, какие дискретные частоты и гармоники вносят основной вклад в выходные пульсации на каждом соответствующем уровне мощности. Пример такого спектра показан на Рисунке 2. Подобная информация помогает инженерам определить, подходит ли выбранная микросхема импульсного регулятора для преобразования напряжения в их приложениях.

Рисунок 2. Характеристика в частотной области, полученная
с использованием анализатора спектра.

Для измерений в частотной области 50-омный коаксиальный кабель подключают параллельно выходному конденсатору. Сигнал проходит через блокировочный конденсатор на согласованный 50-омный вход анализатора спектра. Блокировочный конденсатор защищает вход анализатора от перегрузки постоянным напряжением. 50-омная линия передачи сигнала минимизирует высокочастотные отражения и уровень стоячих волн.

Основным источником выходных пульсаций является выходной конденсатор, поэтому точку измерений следует располагать как можно ближе к нему. Для минимизации дополнительной индуктивности, способной исказить результаты измерений, площадь петли между измерительным наконечником щупа и землей должна быть минимально возможной. Выходные пульсации и гармоники в частотной области представлены на Рисунке 2. В указанных режимах работы ADP2114 на основной частоте генерирует выходные пульсации амплитудой 4 мВ пик-пик.

Читайте также:  Измеритель напряжения для ардуино

Измерения во временнóй области

При использовании щупа осциллографа избегайте образования земляных петель, поскольку петли, образованные сигнальным щупом и длинными выводами земли вносят дополнительную индуктивность и увеличивают амплитуду коммутационных выбросов.

Рисунок 3. Земляная петля вызывает ошибки измерений.

Измеряя слабые выходные пульсации, использовать пассивный щуп 1:1 или 50-омный коаксиальный кабель предпочтительнее, чем щуп 1:10, который ослабляет сигнал в 10 раз, опуская его вниз к уровню шумового порога. Приемлемый, но не лучший метод подключения щупа осциллографа показан на Рисунке 3. Результирующая осциллограмма сигналов, полученная при полосе пропускания прибора 500 МГц, изображена на Рисунке 4. Высокочастотный шум и выбросы напряжения не имеют прямого отношения к импульсному преобразователю, а являются артефактами измерений, порожденными длинным проводником заземления.

Рисунок 4. Формы сигналов в коммутационном узле (1)
и на выходе (2).

Существует несколько способов снижения паразитной индуктивности. Один из них заключается в том, чтобы отсоединить длинный земляной провод от стандартного щупа осциллографа, и касаться какой-либо точки платы, имеющей потенциал земли, непосредственно земляной втулкой. Этот метод, называемый «tip-and-barrel» 1 ), иллюстрируется Рисунком 5. Однако в данном случае щуп оказывается подключенным не к той точке – к выходу регулятора, а не непосредственно к выходному конденсатору, как это следовало бы сделать. В результате, хотя вывод земли при таком включении был удален, индуктивность дорожек печатной платы осталась. На Рисунке 6 показана результирующая осциллограмма, полученная в полосе пропускания 500 МГц. После исключения длинного земляного вывода уровень высокочастотных шумов снизился.

1) Название метода «tip-and-barrel» оставлено без перевода. Здесь «tip» – острие щупа, «barrel» – в буквальном переводе «бочонок» – земляная металлическая втулка щупа.

Рисунок 5. Использование метода tip-and-barrel в произвольной точке
на выходе импульсного преобразователя.
Рисунок 6. Формы сигнала в коммутационном узле (1)
и переменной составляющей выходного
напряжения (2).
Рисунок 7. Использование метода tip-and-barrel с заземляющей
проволочной спиралью на выходном конденсаторе.

Как видно из Рисунка 7, прямое подключение щупа к выходному конденсатору с использованием заземляющей спирали дает почти оптимальную детализацию выходных пульсаций. Коммутационные выбросы стали лучше, а индуктивность проводников платы существенно уменьшилась. Теме не менее, изображение пульсаций все еще остается размытым из-за наложения постороннего сигнала небольшой амплитуды (Рисунок 8).

Рисунок 8. Формы сигнала в коммутационном узле (1)
и переменной составляющей выходного
напряжения (2).

Наилучший метод

Рисунок 9. Наилучший метод подключения щупа с использованием коаксиального
кабеля с 50-омным согласованием.
Рисунок 10. Пример наилучшего способа измерений.

Наилучший метод измерений на выходе импульсного преобразователя предполагает подключение 50-омного коаксиального кабеля, согласованного 50-омным входным импедансом осциллографа. Постоянную составляющую отсекает конденсатор, включенный между выходом регулятора и входом осциллографа. Другой конец кабеля может быть припаян непосредственно к выходному конденсатору с использованием заземляющей спирали, как это показано на Рисунках 9 и 10. Это позволяет сохранить целостность сигнала при измерении очень слабых сигналов в широкой полосе частот. Рисунок 11 дает возможность сравнить метод tip-and-barrel и вариант с подключением 50-омного коаксиального кабеля к выходному конденсатору при полосе измерений 500 МГц.

Рисунок 11. Сигнал в коммутационном узле (1), метод
tip-and-barrel (3) и метод с 50-омным
коаксиальным кабелем.

Сравнение методов показывает, что коаксиальный кабель в 50-омном оборудовании обеспечивает более точные результаты с меньшими шумами, даже при измерении в полосе частот 500 МГц. Изменение полосы пропускания осциллографа до 20 МГц практически полностью убирает высокочастотный шум (Рисунок 12). Во временнóй области ADP2114 генерирует выходной шум с амплитудой 3.9 мВ пик-пик, что хорошо согласуется с результатами измерений в частотной области, дающими значение 4 мВ пик-пик в полосе 20 МГц.

Рисунок 12. Сигнал в коммутационном узле (1) и пульсации
выходного напряжения (2).

Измерение коммутационных выбросов

Энергия коммутационных выбросов ниже, но частотный спектр шире, чем у выходных пульсаций. Выбросы происходят в моменты переключения и часто нормируются как один параметр, измеряемый от пика до пика и включающий пульсации. Рисунок 13 иллюстрирует сравнение двух методов измерения коммутационные выбросов: с использованием стандартно щупа осциллографа с длинной земляной петлей и согласованного на конце 50-омного коаксиального кабеля при полосе частот осциллографа 500 МГц. Из сравнения хорошо видно, почему, как правило, при длинном проводе заземления наблюдаемые коммутационные выбросы оказываются больше ожидаемых.

Рисунок 13. Измерения в коммутационном узле (1),
выполняемые стандартным щупом
осциллографа (3), и с использованием
коаксиальной 50-омной согласованной
оконечной нагрузки (2).

Заключение

Методы измерений выходных пульсаций и коммутационных выбросов имеют большое значение при конструировании и оптимизации малошумящих высокоэффективных систем питания на основе импульсных преобразователей. Эти методы обеспечивают точный и воспроизводимый результат как во временнóй, так и в частотной области. При измерении слабых сигналов в широкой полосе частот важно обеспечить 50-омный импеданс всего тракта прохождения измеряемого сигнала. Простой и недорогой способ, позволяющий это сделать – использовать хорошо согласованный на конце 50-омный коаксиальный кабель. Этот метод может быть применим к импульсным преобразователям множества различных топологий.

Источник

Adblock
detector