Понимание выходных артефактов импульсных регуляторов напряжения ускоряет проектирование источников питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2018

Aldrick S. Limjoco, Analog Devices

Analog Dialogue

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.

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.

Ссылки

Материалы по теме