L'ondulation de puissance de commutation est inévitable. Notre objectif ultime est de réduire l'ondulation de sortie à un niveau tolérable. La solution la plus fondamentale pour y parvenir est d'éviter la génération d'ondulations. Tout d'abord, examinons la cause.
Avec la commutation du commutateur, le courant dans l'inductance L fluctue également à la hausse ou à la baisse selon la valeur du courant de sortie. Par conséquent, une ondulation de même fréquence que celle du commutateur se produit en sortie. Généralement, les ondulations de la résistance font référence à ce phénomène, qui est lié à la capacité du condensateur de sortie et à la résistance série équivalente (ESR). La fréquence de cette ondulation est identique à celle de l'alimentation à découpage, avec une plage de quelques dizaines à quelques centaines de kHz.
De plus, le commutateur utilise généralement des transistors bipolaires, ou MOSFET. Quel que soit le type, il y a un temps de montée et de descente entre la mise sous tension et la mise hors tension. À ce moment, le circuit ne présente aucun bruit, dont le temps de montée et de descente est égal ou supérieur à celui du commutateur, et qui est généralement de l'ordre de quelques dizaines de MHz. De même, la diode D est en mode de récupération inverse. Le circuit équivalent est une série de condensateurs et d'inductances à résistance, ce qui provoque une résonance, et la fréquence du bruit est de l'ordre de quelques dizaines de MHz. Ces deux bruits sont généralement appelés bruits haute fréquence, et leur amplitude est généralement bien supérieure à l'ondulation.
S'il s'agit d'un convertisseur CA/CC, outre les deux ondulations (bruit) mentionnées ci-dessus, on observe également un bruit CA. La fréquence correspond à celle de l'alimentation CA d'entrée, soit environ 50-60 Hz. On observe également un bruit co-mode, car le dispositif d'alimentation de nombreuses alimentations à découpage utilise la coque comme radiateur, ce qui produit une capacité équivalente.
Mesure des ondulations de puissance de commutation
Exigences de base :
Couplage avec un oscilloscope AC
Limite de bande passante de 20 MHz
Débranchez le fil de terre de la sonde
1. Le couplage CA consiste à supprimer la tension CC de superposition et à obtenir une forme d'onde précise.
2. L'ouverture de la bande passante à 20 MHz vise à éviter les interférences dues au bruit haute fréquence et à prévenir les erreurs. L'amplitude de la composition haute fréquence étant importante, elle doit être supprimée lors des mesures.
3. Débranchez la pince de terre de la sonde de l'oscilloscope et utilisez la mesure de terre pour réduire les interférences. De nombreux services ne disposent pas de bagues de terre. Cependant, tenez compte de ce facteur pour déterminer si la sonde est conforme.
Un autre point important est l'utilisation d'une borne de 50 Ω. Selon les informations de l'oscilloscope, le module de 50 Ω permet de supprimer la composante continue et de mesurer avec précision la composante alternative. Cependant, peu d'oscilloscopes sont équipés de sondes aussi spécifiques. Dans la plupart des cas, des sondes de 100 kΩ à 10 MΩ sont utilisées, ce qui n'est pas encore clair.
Les précautions de base ci-dessus sont à prendre lors de la mesure de l'ondulation de commutation. Si la sonde de l'oscilloscope n'est pas directement exposée au point de sortie, elle doit être mesurée à l'aide de lignes torsadées ou de câbles coaxiaux de 50 Ω.
Lors de la mesure du bruit haute fréquence, la bande passante de l'oscilloscope est généralement comprise entre quelques centaines de mégahertz et quelques GHz. D'autres oscilloscopes sont similaires. Les méthodes de test peuvent varier d'une entreprise à l'autre. En fin de compte, il est essentiel de connaître les résultats de vos tests.
À propos de l'oscilloscope :
Certains oscilloscopes numériques ne peuvent pas mesurer correctement les ondulations en raison d'interférences et de la profondeur de stockage. Il est alors nécessaire de les remplacer. Parfois, même si la bande passante d'un ancien oscilloscope de simulation n'est que de quelques dizaines de mégahertz, ses performances sont supérieures à celles d'un oscilloscope numérique.
Inhibition des ondulations de puissance de commutation
Les ondulations de commutation existent théoriquement et réellement. Il existe trois façons de les supprimer ou de les réduire :
1. Augmenter l'inductance et le filtrage du condensateur de sortie
Selon la formule de l'alimentation à découpage, l'amplitude des fluctuations de courant et la valeur de l'inductance inductive deviennent inversement proportionnelles, et les ondulations de sortie et les condensateurs de sortie sont inversement proportionnels. Par conséquent, l'augmentation de la puissance électrique et des condensateurs de sortie peut réduire les ondulations.
L'image ci-dessus est la forme d'onde du courant dans l'inductance de l'alimentation à découpage L. Son courant d'ondulation △ i peut être calculé à partir de la formule suivante :
On peut voir que l’augmentation de la valeur L ou l’augmentation de la fréquence de commutation peut réduire les fluctuations de courant dans l’inductance.
De même, la relation entre les ondulations de sortie et les condensateurs de sortie est la suivante : VRIPPLE = IMAX/(CO × F). On constate qu'augmenter la valeur du condensateur de sortie peut réduire l'ondulation.
La méthode habituelle consiste à utiliser des condensateurs électrolytiques en aluminium pour la capacité de sortie afin d'obtenir une grande capacité. Cependant, ces condensateurs ne sont pas très efficaces pour supprimer le bruit haute fréquence, et leur résistance série équivalente (ESR) est relativement élevée. Il faut donc connecter un condensateur céramique à côté pour compenser l'absence de condensateurs électrolytiques en aluminium.
En même temps, lorsque l'alimentation fonctionne, la tension VIN de la borne d'entrée reste inchangée, mais le courant varie avec le commutateur. À ce moment, l'alimentation d'entrée ne fournit pas de courant, généralement à proximité de la borne d'entrée de courant (par exemple, le type abaisseur est proche du commutateur) et connecte la capacité pour fournir du courant.
Après avoir appliqué cette contre-mesure, l'alimentation à découpage Buck est illustrée dans la figure ci-dessous :
L'approche ci-dessus se limite à la réduction des ondulations. En raison de la limite de volume, l'inductance sera faible ; le condensateur de sortie augmente dans une certaine mesure, sans effet notable sur la réduction des ondulations ; l'augmentation de la fréquence de commutation augmentera les pertes de commutation. Par conséquent, lorsque les exigences sont strictes, cette méthode n'est pas très efficace.
Pour connaître les principes de l'alimentation à découpage, vous pouvez vous référer à différents types de manuels de conception d'alimentation à découpage.
2. Le filtrage à deux niveaux consiste à ajouter des filtres LC de premier niveau
L'effet inhibiteur du filtre LC sur l'ondulation du bruit est relativement évident. En fonction de la fréquence d'ondulation à supprimer, sélectionnez l'inductance-condensateur appropriée pour constituer le circuit de filtrage. En général, elle permet de réduire efficacement les ondulations. Dans ce cas, il est important de prendre en compte le point d'échantillonnage de la tension de rétroaction. (Voir ci-dessous)
Le point d'échantillonnage est sélectionné avant le filtre LC (PA), ce qui réduit la tension de sortie. Comme toute inductance possède une résistance continue, la présence d'un courant de sortie entraîne une chute de tension dans l'inductance, ce qui entraîne une diminution de la tension de sortie de l'alimentation. Cette chute de tension varie avec le courant de sortie.
Le point d'échantillonnage est sélectionné après le filtre LC (PB), de sorte que la tension de sortie soit celle souhaitée. Cependant, une inductance et un condensateur sont introduits dans le système électrique, ce qui peut entraîner une instabilité du système.
3. Après la sortie de l'alimentation à découpage, connectez le filtrage LDO
C'est le moyen le plus efficace de réduire les ondulations et le bruit. La tension de sortie est constante et ne nécessite pas de modification du système de rétroaction d'origine. C'est également le moyen le plus économique et le plus économe en énergie.
Tout LDO possède un indicateur : le taux de suppression du bruit. Il s'agit d'une courbe fréquence-DB, comme le montre la figure ci-dessous : la courbe du LT3024.
Après LDO, l'ondulation de commutation est généralement inférieure à 10 mV. La figure suivante compare les ondulations avant et après LDO :
En comparant la courbe de la figure ci-dessus et la forme d'onde de gauche, on constate que l'effet inhibiteur du LDO est très efficace pour des ondulations de commutation de plusieurs centaines de kHz. Cependant, dans une plage de fréquences élevées, l'effet du LDO n'est pas optimal.
Réduire les ondulations. Le câblage du circuit imprimé de l'alimentation à découpage est également crucial. Pour le bruit haute fréquence, dû à la fréquence élevée des hautes fréquences, bien que le filtrage post-étage ait un certain effet, celui-ci n'est pas évident. Des études spécifiques sont en cours à ce sujet. La solution la plus simple consiste à connecter la diode et la capacité C ou RC, ou à connecter l'inductance en série.
La figure ci-dessus présente un circuit équivalent de la diode réelle. Lorsque la diode est à haute vitesse, des paramètres parasites doivent être pris en compte. Lors de la récupération inverse de la diode, l'inductance et la capacité équivalentes se transforment en oscillateur RC, générant une oscillation haute fréquence. Afin de supprimer cette oscillation haute fréquence, il est nécessaire de connecter la capacité C ou un réseau tampon RC aux deux extrémités de la diode. La résistance est généralement comprise entre 10 Ω et 100 ω, et la capacité entre 4,7 PF et 2,2 NF.
La capacité C ou RC de la diode peut être déterminée par des tests répétés. Une sélection incorrecte entraînera des oscillations plus importantes.
Date de publication : 08/07/2023
