PULS電源的主要作用是為電子產品提供電能,但供電的同時不可避免地會引入紋波、噪聲等,使電子系統甚至整個產品的穩定性和可靠度降低。
電壓紋波能極大地影響到PULS電源的各個電路,如A/D變換電路、運算放大電路、整流濾波電路等。通常的應用中有以下危害:
產生不期望出現的諧波而造成過壓或過流引發事故;增加附加損耗,降低用電設備的效率和利用率;
使設備運行不正常、加速老化、縮短壽命;使繼電保護、自動裝置、計算機系統等設備運轉不正?;虿荒苷幼?
使測量和計量儀器儀表出現偏差;干擾通信系統,降低信號傳輸質量,甚至損壞通信設備。
因此,在設計電子產品時,需要準確地測量紋波,并將紋波抑制在一定范圍內。
1、電源紋波及紋波系數
嚴格來講,穩壓電源包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分。由于DC-DC也可看作是一種穩壓電源,所以把整流電路、濾波電路和穩壓電路看成是穩壓電源的必要三部分[1]。
整流電路是利用單向導電器件將交流電轉換成脈動直流電,脈動直流電不平滑,含有大量交流電成分。
濾波電路是利用儲能元件把脈動直流電轉換成比較平坦的直流電,由于濾波電路性能各異,雖可以濾去大部分的交流電成分,但不能*濾除。
整流濾波后的穩壓電路是利用電路的調整作用使輸出電壓穩定,使交流電成分降低到小。這種伴隨穩定電壓輸出的不能*濾除的交流電成分叫紋波電壓。
為了表征直流穩壓電源濾波的性能,引入紋波系數的概念[2-3]。定義紋波系數ψ為紋波電壓有效值Vr與直流輸出電壓Vo的百分比值,即:
紋波系數是評價直流電源穩定純凈輸出的重要指標。根據上式可知,求紋波系數需測量紋波電壓。
2、電源紋波的測量
準確測量電源紋波一般需要兩種儀器,即電子負載(Electronic Load)和數字存儲示波器(Digital Storage Oscilloscope,DSO)。
電子負載方便調整電流,一般設定在恒阻模式(CR);數字存儲示波器能直接捕獲整個紋波波形,存儲放大并讀出紋波數值。將示波器讀值代入公式,可得到紋波系數。
測量時,必須要注意以下兩點(這兩點對測量結果的準確性尤為重要):
(1)、數字存儲示波器的探頭地線必須拔掉,改用探頭組件中的接地彈簧針??梢苑乐钩霈F地環路耦合進EMI噪聲,使測量結果不準確。
探頭地線過長且環路面積過大,形成了接收天線、高頻雜波或EMI噪聲會耦合進所測信號。
(2)、數字存儲示波器本身需要調整設置。
數字存儲示波器需有良好的接地,進一步濾去從電源端附加進來的雜波;使用數字存儲示波器的交流耦合,阻擋直流,使紋波測試更為直觀準確;
一般的紋波測試都要求頻率限制在20MHz以下,因此數字存儲示波器應打開20MHz帶寬限制,隔離高頻噪聲。
3、抑制電源紋波的方法
抑制穩壓電源輸出電壓的紋波,一般采取的方法有以下四種:RLC濾波法、共模濾波法、鐵氧體磁環濾波法以及三種方法的組合。
通過實驗驗證說明抑制DC-DC電源紋波的濾波電路。驗證實驗中選取100W DC-DC電源,48V輸入,5V輸出,型號為Meanwell的SD-100C-5。
數字存儲示波器選擇GWINSTEK的GDS-1072B,帶寬為70MHz,采樣率為1GSa/s,每通道存儲深度為10M。
電子負載選擇GWINSTEK的PEL-3021,電壓范圍為1.5V~150V,電流范圍為0~35A,功率為175W。
據此計算可知,電路中電流為20A。圖3為電源紋波測試的連接框圖。
為了使抑制電源紋波的效果更直觀明顯,先將SD-100C-5的濾波電路短接,測量其輸出電壓的紋波。從中可以得到,電源紋波大致為85.6mVpp,有效值為48.2mVrms。