Понимание выходных артефактов переключающего устройства ускоряет проектирование источника питания
Понимание этих артефактов позволяет разработчикам успешно интегрировать переключающие регуляторы в более широкий диапазон высокопроизводительных, чувствительных к шуму приложений.
Введение
Минимизация пульсаций выходных сигналов и переходных процессов от коммутационного регулятора может иметь важное значение, особенно при подаче питания чувствительных к шуму устройств, таких как АЦП с высоким разрешением, где выходная пульсация может проявляться в виде отличного отклика на выходной спектр АЦП. Чтобы избежать ухудшения отношения сигнал / шум (SNR) и беспроблемного динамического диапазона (SFDR), регулятор переключения часто заменяется регулятором низкого падения (LDO), торгуя высокой эффективностью переключающего регулятора для чистящего средства вывода LDO. Понимание этих артефактов позволит разработчикам успешно интегрировать переключающие регуляторы в более широкий диапазон высокопроизводительных, чувствительных к шуму приложений.
В этой статье описываются эффективные методы измерения пульсаций выходных сигналов и переходных процессов переключения в регуляторах переключения. Измерение этих артефактов требует большой осторожности, так как плохая настройка может привести к неправильным показаниям, а петли, сформированные сигналом зонда осциллографа, и выводы заземления, вводят паразитную индуктивность. Это увеличивает амплитуду переходных процессов, связанных с быстрыми переключениями, поэтому необходимо поддерживать короткие соединения, хорошие методы и широкую полосу пропускания. Здесь ADP2114 двойной 2-A / одиночный 4-A синхронный понижающий DC-DC конвертер используется для демонстрации методов измерения пульсации и шума переключения. Этот стабилизатор обеспечивает высокую эффективность и работает на частотах коммутации до 2 МГц.
Выходные пульсации и переходные переходные процессы
Выходные пульсации и переходные переходные процессы зависят от топологии регулятора, а также от значений и характеристик внешних компонентов. Выходная пульсация - это остаточное выходное напряжение переменного тока, которое когерентно связано с переключением регулятора. Его основная частота такая же, как и частота переключения регулятора. Переходные переходные процессы представляют собой высокочастотные колебания, возникающие во время переключения переходов. Их амплитуда, выраженная как максимальное пиковое напряжение, трудно измерить точно, поскольку она сильно зависит от тестовой установки. На рисунке 1 показан пример выходной пульсации и переходных процессов.
Рисунок 1. Выходная пульсация и переходные процессы
Сопутствующие проблемы
Индуктор и выходной конденсатор регулятора являются основными компонентами, влияющими на пульсацию выходного сигнала. Небольшой индуктор дает более быстрый переходный отклик за счет более высокой пульсации тока, в то время как большой индуктор приводит к более низкой пульсации тока за счет более медленного переходного отклика. Использование конденсатора с низким эффективным последовательным сопротивлением (ESR) минимизирует пульсацию выходного сигнала. Керамический конденсатор с диэлектриком X5R или X7R является хорошим выбором. Для снижения выходной пульсации часто используется большая емкость, но размер и количество выходных конденсаторов происходят за счет стоимости и площади печатной платы.
Измерение частотной области
При измерении нежелательных артефактов выходного сигнала полезно, чтобы энергетические компании думали о частотной области, поскольку это обеспечивает лучшую перспективу в отношении того, какие дискретные частоты влияют на выходную пульсацию и ее гармоники с каждым соответствующим уровнем мощности. На рисунке 2 показан примерный спектр. Этот тип информации помогает инженерам определить, подходит ли выбранный коммутационный регулятор для широкополосных высокочастотных или высокоскоростных преобразователей.
Чтобы выполнить измерение в частотной области, подключите 50-Ω коаксиальный кабельный зонд к выходному конденсатору. Сигнал проходит через конденсатор постоянного тока и заканчивается оконечным сопротивлением 50 Ом на входе анализатора спектра. Конденсатор с постоянным током предотвращает переход постоянного тока в анализатор спектра и предотвращает эффекты dc-нагрузки. Окружающая среда 50 Ом минимизирует высокочастотные отражения и стоячие волны.
Выходной конденсатор является основным источником пульсации выходного сигнала, поэтому точка измерения должна быть как можно ближе. Петля от наконечника сигнала до земли должна быть как можно меньше, чтобы минимизировать дополнительную индуктивность, которая может повлиять на измерение. На рисунке 2 показана волновая пульсация и гармоники в частотной области. ADP2114 генерирует пульсацию выходного сигнала 4 мВ на основной частоте в указанных рабочих условиях.
Рисунок 2. График частотной области с использованием анализатора спектра
Измерение временной области
При использовании зонда осциллографа избегайте контуров заземления, устраняя длинные выводы заземления, поскольку петли, образованные наконечником сигнала, а длинные выводы заземления создают дополнительную индуктивность и более высокие переходные переходные процессы.
При измерении пульсации низкого уровня используйте 1 × пассивный зонд или 50-Ω коаксиальный кабель, а не 10-осный осциллограф, поскольку датчик 10 × ослабляет сигнал в 10 раз, нажав низкоуровневый сигнал вниз к уровню шума. На рисунке 3 показан субоптимальный метод зондирования. На рисунке 4 показана результирующая форма волны, измеренная с использованием полосы пропускания 500 МГц. Высокочастотный шум и переходные процессы являются измерительными артефактами из-за петли, образованной длинным проводником заземления, и не являются неотъемлемой частью переключающего регулятора.
Рисунок 3. Контур заземления вызывает ошибки вывода
Рисунок 4. Выключающий узел (1) и переменный ток (2)
Рисунок 5. Метод наконечников и стволов, зондированный на случайной точке выхода коммутатора
Рисунок 6. Переключающий узел (1) и переменный ток (2)
Как показано на рисунке 7, зондирование непосредственно на выходном конденсаторе с использованием заземленного провода катушки дает почти оптимальные детали в выходной пульсации. Шум при переключении переключения улучшен, а индуктивность следа на печатной плате значительно снижена. Тем не менее, синусоидальный сигнал с низкой амплитудой все еще накладывается на пульсацию, как показано на рисунке 8.
Существует несколько способов уменьшить блуждающую индуктивность. Один из методов заключается в том, чтобы удалить длинный провод заземления из стандартного зонда осциллографа, вместо этого подключив корпус ствола зонда к заземлению. На рисунке 5 показан метод наконечника и ствола. В этом случае, однако, наконечник подключен в неправильной точке выходного сигнала регулятора, а не непосредственно на выходном конденсаторе, как это должно быть. Провод заземления был удален, но индуктивность, вызванная следом на печатной плате, остается. На рисунке 6 показан результирующий сигнал с использованием ширины полосы частот 500 МГц. Высокочастотный шум меньше, поскольку длинный провод заземления был удален.
Рисунок 7. Метод наконечников и стволов, зондированный на выходном конденсаторе с использованием заземления катушки
Рисунок 8. Переключающий узел (1) и переменный ток (2)
Лучший способ
Наилучший метод проверки выхода коммутатора использует 50-Ω коаксиальный кабель, поддерживаемый в среде с напряжением 50 Ом и заканчивающийся входным импедансом 50 Ом. Конденсатор, расположенный между выходным конденсатором регулятора и входным блоком осциллографа, подает поток постоянного тока. Другой конец кабеля может быть припаян непосредственно к выходному конденсатору с использованием очень коротких проводов, как показано на рис. 9 и рис. 10. Это сохраняет целостность сигнала при измерении сигналов очень низкого уровня по широкой полосе пропускания. На рисунке 11 показано сравнение метода наконечника и ствола и коаксиального метода 50 Ω, исследованного на выходном конденсаторе с использованием ширины полосы измерения 500 МГц.
Рисунок 9. Лучший метод зондирования использует коаксиальный кабель длиной 50 Ом с конечным концевым замыканием
Рисунок 10. Пример наилучшего метода зондирования
Рисунок 11. Переключающий узел (1), метод наконечника и цилиндра (3) и 50-й коаксиальный метод (2)
Сравнение методов показывает, что коаксиальный кабель в среде 50 Ом обеспечивает более точные результаты с меньшим шумом даже с полосой пропускания 500 МГц. Изменение ширины полосы пропускания до 20 МГц устраняет высокочастотный шум, как показано на рисунке 12. ADP2114 генерирует пульсацию выходного сигнала 3, 9 мВ pp во временной области, которая тесно коррелирует с измеренным значением 4 мВ pp с использованием 20- МГц в частотной области.
Рисунок 12. Переключающий узел (1) и пульсация выхода (2)
Измерительные переходные переходные процессы
Переходные переходные процессы имеют более низкую энергию, но более высокое частотное содержание, чем пульсация мощности. Это происходит во время переключения переходов и часто стандартизируется как пиковое значение, включая пульсацию. На рисунке 13 показано сравнение переходных процессов переключения, измеренных с использованием стандартного осциллографа с длинным заземлением и 50-Ω коаксиальной развязкой в полосе 500 МГц. Как правило, контур заземления из-за длинного провода заземления создает большие переходные переходные процессы, чем ожидалось.
Рисунок 13. Переключающий узел (1), стандартный осциллограф (3) и 50-Ω коаксиальный контакт (2)
Вывод
Методы измерения пульсаций и переключения при переходе на выходные сигналы важны при проектировании и оптимизации источника питания системы для малошумящих высокопроизводительных преобразователей. Эти методы измерения обеспечивают точный, воспроизводимый результат как во временной, так и в частотной областях. При измерении сигналов низкого уровня в широком диапазоне частот важно поддерживать среду 50 Ом. Простой, недорогой способ сделать это - использовать 50-Ω коаксиальный кабель, который правильно завершен. Этот метод может использоваться с широким спектром топологий коммутации регуляторов.
Дальнейшее чтение
Эта статья была первоначально опубликована в Analog Dialogue. Посетите их веб-сайт, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи.
Рекомендации
Управление энергопотреблением
Коммутационные регуляторы
Лимжоко, Элдрик. AN-1144 Замечание по применению. Измерение пульсаций выходной мощности и переходных процессов в коммутационных регуляторах. Analog Devices, Inc., 2013. (PDF)
Замечание по применению 01-08-01, Rev. 01. Измерения напряжения на входе пульсации. SynQor. (PDF)
Уильямс, Джим. Замечание по применению 70. Монолитный регулятор переключения с выходным шумом 100 мкВ. Линейная технология, 1997. (PDF)
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.