Filtracja Zasilania Przetwornicy: Schemat i Działanie
- Szczegóły
Każdy sprzęt elektroniczny wymaga zasilania, a bez odpowiedniego napięcia nie będzie działać wcale lub tylko przez krótki czas. Istnieje wiele rozwiązań, które mają za zadanie dostarczyć energię do obwodu. Jednymi z najczęściej stosowanych są stabilizatory liniowe oraz przetwornice napięcia.
Zazwyczaj przetwornice napięcia mają formę elektronicznych modułów na oddzielnych płytkach PCB. Jest to praktyczne rozwiązanie, ponieważ gotowy moduł można łatwo dołączyć do obwodu lub zasilać nim prototypowy układ na płytce stykowej. Możemy spotkać się z przetwornicami także w większych obwodach drukowanych. Koncepcję przetwornic napięcia stałego DC/DC najlepiej rozpatrywać jako czwórnik z wejściem i wyjściem po przeciwnych stronach.
Każda przetwornica potrzebuje własnego napięcia zasilania, na podstawie którego generowane jest napięcie wyjściowe. Może być ono wyższe lub niższe względem potencjału na wejściu, w zależności od rodzaju przetwornicy. Producenci często umożliwiają regulację napięcia wyjściowego za pomocą potencjometru lub zworki na laminacie.
Zasada działania przetwornicy DC/DC
Aby zrozumieć, jak działa przetwornica napięcia, musimy zrozumieć ideę prostego układu składającego się z tranzystora, diody, cewki i kondensatora.
Przetwornice DC/DC opierają się na zjawisku przełączania. Tranzystor w obwodzie, dzięki sygnałowi PWM, jest bardzo szybko przełączany ze stanu nasycenia na zatkania i odwrotnie.
Przeczytaj także: Definicja i pomiar filtracji kłębuszkowej
Rozważmy przypadek, gdy na bramce tranzystora pojawi się stan wysoki. Tranzystor zachowa się jak przewód łączący wejście i wyjście układu. Pojawienie się napięcia na prawo od źródła tranzystora wywoła przepływ prądu, który napotka cewkę. Następnie kondensator zacznie się ładować i gromadzić energię.
W momencie zmiany wartości na bramce tranzystora obwód zostanie rozłączony, a napięcie zniknie. Wtedy do akcji wkraczają kondensator i cewka, które będą próbować podtrzymać obciążenie podpięte do wyjścia przetwornicy. Kondensator będzie oddawać zgromadzoną energię, podtrzymując napięcie, a cewka będzie próbować podtrzymać przepływ prądu, ujawniając swój indukcyjny charakter.
Działanie przetwornic impulsowych opiera się na bardzo szybkim przełączaniu. Dzięki temu zjawisku na wyjściu układu można uzyskać różne wartości napięć, większe i mniejsze względem źródła.
Dioda swobodnego końca (zwrotna lub recyrkulacyjna) czuwa nad prawidłowym przepływem prądu, gdy tranzystor jest zablokowany.
Parametry przetwornic napięcia
- Zakres napięcia wejściowego - zakres napięcia, jakie przetwornica może przyjąć na wejściu i nadal działać prawidłowo.
- Zakres napięcia wyjściowego - wartość napięcia, jakie przetwornica jest w stanie dostarczyć na wyjściu.
- Sprawność - parametr określający, jak skutecznie przetwarzana jest energia (stosunek mocy na wyjściu do mocy na wejściu).
Przetwornica LM2596
Przyjrzyjmy się bliżej jednej z popularniejszych konstrukcji opartych na układzie LM2596. Jest to prosta obniżająca napięcie przetwornica, która na wejściu może przyjąć maksymalnie 40V, a na wyjściu uzyskać napięcie z zakresu 1,2V do 35V przy maksymalnie 3A. Napięcie regulowane jest za pomocą potencjometru.
Przeczytaj także: Webber AP8400 - wymiana filtrów
Schemat tej przetwornicy opiera się na chipie LM2596. Na wejście Vin podajemy napięcie zasilające, które filtrowane jest przez kondensator Cin. Układ ma też wyprowadzenie masowe oraz pin ON/OFF podłączone na stałe do ujemnego bieguna zasilania. Na wyjściu Output pojawia się wygenerowane przez chip napięcie, które bazuje na sygnale Feedback. Jest ono pochodną napięcia wyjściowego przetworzonego przez parę rezystor-potencjometr. Elementami przetwornicy są też cewka, kondensator i dioda.
Wszystko to zostało zamknięte w pojedynczym układzie scalonym LM2596. Napięcie wejściowe trafia tutaj na parę tranzystorów sterowanych przez układ złożony z przerzutnika i kilku wzmacniaczy operacyjnych. Sygnał PWM ma formę wewnętrznego 150 kHz oscylatora. Poza tym aktywny udział w sterowaniu tranzystorami bierze też sygnał Feedback porównywalny z wewnętrznym referencyjnym napięciem 1,235V.
Zakłócenia w przetwornicach impulsowych
Jednym z problemów w przypadku przetwornic impulsowych są zakłócenia. Konstrukcje te bazują na ciągle przełączającym się tranzystorze, co powoduje, że generowane napięcie wyjściowe nigdy nie będzie idealnie stałe.
Szumy rosną wraz z obciążeniem układu i jest to cecha większości przetwornic napięcia. Budując moduł zasilający, zależy nam na stabilnym napięciu, niezależnie od obciążenia. Szumy można wyeliminować, dołączając równolegle do wyjścia przetwornicy kondensator, który złagodzi tętnienia. Znacznie lepszym rozwiązaniem byłoby dodanie odpowiednio dobranego filtra LC, który lepiej radziłby sobie z wysokimi częstotliwościami na wyprowadzeniach przetwornicy.
Niepożądane zakłócenia mogą być też efektem wątpliwej jakości komponentów zastosowanych przez producenta modułu.
Przeczytaj także: Optymalne rozcieńczenie bimbru
Praktyczne aspekty korzystania z przetwornic napięcia
Dobrym nawykiem jest odłączać napięcie podczas modyfikacji obwodów, nawet jeśli jest ono bardzo niskie. Problemem, który nie raz powoduje spalenie się modułu, jest jej obciążenie, dołączane w nieprawidłowy sposób.
Wyobraźmy sobie, że do uruchomionej przetwornicy dołączamy nagle obciążenie o dużej mocy, na przykład zwykłą żarówkę. W pierwszej chwili, z poziomu przetwornicy, żarówka wygląda niemal jak zwarcie. Nagłe obciążenie dla działającej przetwornicy jest dość sporym problemem, ponieważ musi ona nagle dostarczyć bardzo duży prąd. Najbardziej obciążonym elementem jest cewka, a w zasadzie jej rdzeń.
Jak uniknąć takiego uszkodzenia? Nie dołączać dużego obciążenia do działającej przetwornicy. Znacznie lepszym rozwiązaniem będzie uruchomić obciążenie razem z przetwornicą. Nawet proste i tanie moduły obsługują coś takiego jak „soft-start”, czyli mechanizm, który uruchomi przetwornicę w sposób kontrolowany, dostosowując jej pracę od razu do dołączonego obciążenia, nawet jeśli będzie ono na początku wymagać bardzo dużych ilości prądu.
Filtracja wyjściowa w przetwornicach impulsowych
Zasilacze impulsowe występują w wielu formach, takich jak wysokomocowy zasilacz laboratoryjny na ławce, czy też wbudowane na PCB z użyciem specjalistycznych układów scalonych i elementów pasywnych. Celem projektowania tych systemów jest zapewnienie stabilnego dostarczania energii DC do reszty systemu przy minimalnym poziomie zakłóceń. Idealne jest również tłumienie efektów wszelkich pozostałości tętnień po prostowaniu lub usuwanie wszelkich zakłóceń na wejściu.
Filtr wyjściowy w przetwornicy DC/DC (niezależnie od topologii, czy to buck/boost czy innej) jest filtrem dolnoprzepustowym. Może to być coś tak prostego jak kondensator szeregowy, chociaż typową metodą jest umieszczenie filtra pi, aby odprowadzać szumy AC do ziemi. Powodem tego jest fakt, że funkcją przetwornicy impulsowej jest zamiana niskoczęstotliwościowych tętnień z przetwarzania mocy AC-DC na wyższoczęstotliwościowy szum przełączania z tranzystora przełączającego.
W układzie buck-boost kondensator wyjściowy jest częścią filtra wyjściowego zasilacza impulsowego. Zamiast skupiać się na dozwolonym zakresie wartości PWM lub elementów pasywnych, które dają określoną moc wyjściową, chcemy skupić się na zakresie wartości komponentów filtrów, które dają nam najniższy poziom szumów.
Filtr dość dobrze radzi sobie z oczyszczaniem szumów przełączania z przetwornicy. W rzeczywistości, przekroczenie przejściowe zależy od czasu narastania sygnału PWM oraz od pasożytniczych elementów w MOSFET, jak również od biegunów obecnych w obwodzie filtru. W niektórych przypadkach, przekroczenie może osiągnąć wartość nawet 50% prądu obciążenia, gdy przetwornica przełącza się między dwoma stanami napięcia, tj. podczas przełączania między dwoma częstotliwościami PWM lub cyklami pracy.
Wartość składowej obciążenia również wpływa na tętnienia na wyjściu w tym obwodzie. Chcielibyśmy stłumić odpowiedź z obwodu przetwornika, lub przeprojektować sekcję filtrów, aby nie mieliśmy takiego problemu z przeregulowaniem na wyjściu.
Jednym ze sposobów rozwiązania problemu z niedotłumioną odpowiedzią przejściową jest dodanie pewnego tłumienia na kondensatorach C1 i C2. Aby to zrobić, dodałem rezystory 1 Ohm do kondensatorów C1 i C2, aby zapewnić pewne tłumienie, i steruję obciążeniem 10 Ohm. Spowoduje to, że odpowiedź przejściowa będzie bardzo bliska reżimowi krytycznie tłumionemu, dając płynne przejście między stanami OFF i ON, gdy rozpocznie się symulacja.
Jednym z niewielkich problemów jest to, że straciliśmy niewielką ilość mocy: prąd docierający do obciążenia jest mniejszy, a napięcie wyjściowe nieco niższe. Część mocy jest tracona na rezystorach w sekcji RC, co prowadzi do dodatkowych strat.
Inną opcją jest usunięcie rezystorów i zmiana C1/C2 oraz L2. Problem ze zmianą C1 i C2 polega na tym, że końcowe napięcie tętnień po stronie wyjściowej będzie zależało od wartości tych kondensatorów, ponieważ zmieniasz warunki dla krytycznego tłumienia.
W rzeczywistości mamy do czynienia z 2 filtrami LC z wieloma biegunami w połączonej funkcji przejścia ze względu na obecność wielu elementów reaktywnych (2 cewki i 2 kondensatory). Dostosowanie L2 oraz kondensatorów wyjściowych to kolejny sposób, aby uzyskać niskie tętnienia na wyjściu.
Projektowanie filtra w dużym stopniu zależy od wartości kondensatorów wyjściowych przetwornicy. Przyjrzeliśmy się tylko filtrowi wyjściowemu, ale umieszczenie filtracji na wejściu jest często znacznie bardziej skuteczne w redukcji całkowitego szumu.
Dodając tłumienie, upewnij się, że porównujesz potrzebną rezystancję z wartością ESR używanych kondensatorów. Ostatnią opcją, aby dalej poprawiać odpowiedź filtra po jego przeprojektowaniu, jest użycie układu RC snubber przed i po filtrze. Bardziej powszechnym miejscem umieszczania snubbera jest przetwornica z elementami przełączającymi po stronie wysokiej i niskiej. Umieszczano by go w poprzek tranzystora MOSFET po stronie niskiej, aby tłumić przejściową odpowiedź MOSFETu i uzyskać bardziej płynne wyjście.
W powyższym przykładzie pokazaliśmy tylko sekcję przetwornika w SMPS, a do działania SMPS potrzebne są inne ważne bloki obwodów. Pozostałe sekcje potrzebne w SMPS zależą od końcowego zastosowania i poziomu kontroli lub precyzji wymaganego w systemie.
- Generacja PWM: Aby ustawić napięcie wyjściowe na określony poziom dla danej częstotliwości PWM.
- Pętla sterowania: Niektóre topologie zasilaczy, takie jak przetworniki rezonansowe LLC, będą wymagały pętli sterowania dużym prądem.
- Interfejs użytkownika: System może potrzebować sposobu na przyjęcie danych wejściowych od użytkownika i zastosowanie wymaganego wypełnienia/w częstotliwości PWM, aby osiągnąć pożądane napięcie wyjściowe.
Filtracja w przetwornicy flyback
Przetwornica flyback działa w dwóch taktach. Pierwszy z nich występuje w momencie załączenia tranzystora. Energia pobierana jest ze źródła i magazynowana w transformatorze.
Pin V (Voltage monitor) - jest odpowiedzialny za pomiar napięcia wejściowego. Sterownik ma zabezpieczenie przed niskim oraz wysokim napięciem wejściowym. Pin C (Control) - jest to wejście niskoimpedancyjne, na podstawie którego regulowane jest wypełnienie sygnału PWM. Pin X (External Limit Current) - ustala wartość ograniczenia prądowego. Pin F (Frequency) - ustala częstotliwość PWM. Przetwornica ma funkcję jittering, czyli częstotliwość kluczowania nie jest stała, a zmienia się o +/-5 kHz, co redukuję zakłócenia EMC poprzez rozrzucenie.
C6: kondensator służy do zmniejszenia pojemności pomiędzy uzwojeniem pierwotnym a wtórnym transformatora. Wyprowadzenia 6 i 7 transformatora: dodatkowe uzwojenie tzw. bias, które jest sprzężone z uzwojeniem głównym (piny 9, 10, 12, 13). Indukcyjność rozproszenia uzwojenia pierwotnego odpowiada za tą część strumienia magnetycznego, który nie przenika do uzwojenia wtórnego. Działa to też w drugą stronę, indukcyjność rozproszenia uzwojenia wtórnego odpowiada za tą część strumienia magnetycznego, który nie przenika do uzwojenia pierwotnego.
Wysokonapięciowe impulsy pojawiają się podczas wyłączania tranzystora z powodu indukcyjności pasożytniczej transformatora. Układ RCD zapewnia drogę do przepływu prądu podczas wyłączenia tranzystora pochodzącego z energii zmagazynowanej w indukcyjności pasożytniczej transformatora. Prąd płynący do układu RCD jest ograniczany przez rezystor R. Następnie przewodzi dioda Zenera Dz i doładowywany jest kondensator C.
Dodanie diody Zenera do układu ograniczającego impulsy wysokonapięciowe zwiększa sprawność przetwornicy w pracy jałowej oraz z małym obciążeniem. Wartość napięcia Zenera Vz diody powinna być nieznacznie wyższa od napięcia Vor. Kiedy przetwornica pracuje z większym lub nominalnym obciążeniem, wysokonapięciowe impulsy są przewodzone przez układ RC.
Kondensator Cout filtruje napięcie wyjściowe. Kiedy tranzystor po stronie pierwotnej załącza się powstają wysokonapięciowe oscylacje na diodzie prostowniczej po stronie wtórnej. Oscylacje są spowodowane poprzez pasożytniczą pojemność diody prostowniczej oraz indukcyjność pasożytniczej strony wtórnej transformatora.
Do wyliczenia wartości elementów układu snubber potrzebna jest wartość indukcyjności strony wtórnej transformatora oraz pojemność pasożytnicza diody.
Regulacja napięcia oraz prądu wyjściowego: uzwojenie bias służy do zasilenia obwodu regulacji przetwornicy, dzięki niemu zrealizowane jest sprzężenie zwrotne, jak i zachowana jest separacja galwaniczna.
Jeśli dla jakiejś częstotliwości wzmocnienie będzie wynosiło 0 dB i faza -180˚, wtedy zamknięta pętla regulacji jest niestabilna. pasmo przenoszenia (fc - miejsce przecięcia przebiegu amplitudy przez 0) od 0,1 do 0,2 częstotliwości przełączania.
Pierwszą metodą sprawdzenia stabilności przetwornicy jest wykonanie pomiaru wzmocnienia pętli sprzężenia zwrotnego (wykresu Bodego - sprawdzenie pętli regulacji w zakresie częstotliwości). Do wykonania niezbędny jest specjalistyczny sprzęt np. Bode100. Istnieją dwie metody pomiaru pętli sprzężenia zwrotnego: w otwartej oraz w zamkniętej pętli regulacji. Najczęściej stosowaną metodą pomiaru jest metoda w zamkniętej pętli regulacji.
Drugim sposobem sprawdzenia stabilności przetwornicy jest wykonanie skokowej zmiany obciążenia (sprawdzenia zachowania pętli regulacji w czasie), mierząc napięcie wyjściowe oraz zadany prąd. Dzięki temu pomiarowi uzyskujemy odpowiedź przetwornicy na nagłą zmianę obciążenia, zarówno na dołączanie obciążenia jak i rozłączanie. Ważne jest, aby podczas wykonywanej zmiany obciążenia dołączać obciążenie elementem, w którym nie będzie drgań styków, dlatego odpadają przekaźniki.
Inżynierskie metody doboru filtrowania torów zasilania dla przetwornic DC/DC małej mocy
Celem tego artykułu jest zaprezentowanie inżynierskich metod doboru filtrowania torów zasilania dla przetwornic DC/DC małej mocy. Na potrzeby artykułu wykonałem badania przetwornicy XP Power JTC0624S05. Aby zapewnić porównywalność pomiarów, w każdym przypadku napięcie zasilania wynosić będzie 24VDC. Badania EMC/EMI będą przeprowadzane zgodnie z normą MIL-STD-461F, która jest o wiele bardziej restrykcyjna niż w przypadku urządzeń dedykowanych na rynek konsumencki.
Zamieszczone na schemacie kondensatory elektrolityczne dają co prawda „jakieś” filtrowanie, jednak użyte zostały tylko po to aby zapewnić przetwornicy stabilną pracę. Ustawiamy w oscyloskopie Coupling dla wybranego kanału na AC, następnie ustawiamy czułość na około 100mV/dz. Podstawą czasu czasem trzeba trochę pokręcić. W opisywanym przypadku zakłócenia były dobrze widoczne.
Na ostatnim oscylogramie widzimy zaznaczone dwie wartości napięcia. Pomiar polega na tym aby złapać kursorami czas narastania od 10% do 90% wartości szczytowej. Liczymy różnicę czasu pomiędzy nimi a następnie obliczamy jej odwrotność. Oscyloskop potrafi to za nas policzyć. W tym przypadku otrzymaliśmy 119MHz. Nie jest to dokładne wskazanie. W zależności od przeprowadzonego pomiaru, wartość ta może się wahać między 90 a 160MHz dla tego przypadku. Otrzymaną wartość mnożymy przez 0.35. Otrzymana wartość to prawdopodobnie najbardziej wyraźna i problematyczna częstotliwość zakłóceń EMI. W naszym przypadku wynik wynosi 41,65 MHz. Biorąc pod uwagę rozrzut pomierzonej wartości możemy się spodziewać, że wysoka emisja promieniowania będzie zawierać się w zakresie 31 - 56MHz. Amplituda naszego pomiaru wynosi około 280mV. Z doświadczenia wiem, że to oznacza spore kłopoty.
Jak widać na powyższych wykresach, poziom zakłóceń w przewodzie zasilającym jest znaczny. Szczególną uwagę należy zwrócić na prawie identyczny wygląd zaburzeń w dodatnim i ujemnym przewodzie zasilającym. Będzie to później istotne w doborze odpowiedniego filtrowania.
Obecność dużej ilości „prążków” jest dobrą wiadomością. W przypadku gdy na wykresie widzielibyśmy linię ciągłą, oznaczałoby to, że zakłócenia niosą ze sobą znacznie większą energię. Energię, którą trzeba wytłumić, lub rozproszyć w ciepło.
Z powyższych wykresów możemy wyczytać jakie częstotliwości są najbardziej problematyczne. Z naszych wstępnych pomiarów oscyloskopem oszacowaliśmy, że największe zakłócenia będą w paśmie 31-56MHz. Najtrudniejsze do wyeliminowania będą zakłócenia w zakresie 50-100MHz ponieważ na wykresie są poprowadzone linią ciągłą. Niosą ze sobą najwięcej energii. Problemy może też stwarzać pasmo 160-220MHz, ponieważ dosyć trudno filtrować te częstotliwości bez użycia metalowych puszek ekranujących.
Jeżeli zaburzenia przewodzone są identyczne w obu przewodach zasilających to konieczne jest użycie dławika Common Mode (właśnie taki zastosowałem, co dało efekt). Chwilowe strumienie magnetyczne indukowane przez ów szpilki zaburzeń znoszą się wtedy wzajemnie, wygładzając wykres na analizatorze.
Po odfiltrowaniu prawie wszystkiego okazało się, z jakim pasmem jest najwięcej problemów. Aby wytłumić tętnienia w tym paśmie zalecałbym użycie innego filtra Common Mode niż aktualnie użyty. Zastosowany filtr P0354NL najlepiej się nadaje dla częstotliwości w paśmie 1-17MHz. Pewnie lepszy byłby P0421NL.
W powyższym przykładzie celowo użyłem długich przewodów zasilających (1m) oraz prowadzących do rezystora obciążającego (0.5m). Cel takiego zabiegu jest taki aby ów przewody działały jak porządne anteny nadawcze.
Przetwornica step-down LM2596
Przetwornica step-down LM2596 to jeden z najbardziej popularnych modułów DC-DC stosowanych w projektach elektronicznych, takich jak zasilacze, ładowarki, czy układy Arduino. Ten artykuł to kompleksowe omówienie modułu, obejmujące jego specyfikację techniczną, działanie, przykłady zastosowań i porównania z innymi przetwornicami.
tags: #filtracja #zasilania #przetwornicy #schemat
