Wissen Sie, wie man Spannungsschwankungen verhindern kann?

Ein sehr häufiges Problem bei Stromversorgungen ist die Schwankung der Ausgangsspannung. Dieses Problem wird durch verschiedene Faktoren verursacht, einschließlich Schwankungen der Eingangsspannung, unvorhergesehene Änderungen im Laststrom, Fehlfunktionen der Rückkopplungssteuerschleife, Probleme mit der Schaltfrequenz, Komponententoleranzen, Temperaturschwankungen und alternde Komponenten. 

In diesem Artikel werden kurz die Ursachen von Ausgangsspannungsschwankungen untersucht und Einblicke darüber gegeben, wie man diese Probleme lösen und verhindern kann.

Eingangsspannungsschwankungen

Die Eingangsspannung der Stromversorgung (oder des Reglerchips) könnte schwanken und die absoluten Maximal-/Minimalgrenzen des Reglerchips überschreiten. Der Regler-/Controller-Chip kann diese Schwankungen nicht bewältigen, und abhängig von der Häufigkeit der Schwankungen könnte die Ausgangsspannung fallen, steigen oder eine signifikante Menge an Ripple aufweisen. 

Zum Beispiel, bitte schauen Sie sich das Anwendungsschema des berühmten LM2576-5.0 [1] Reglerchips von Texas Instruments an (Abbildung 1). Es wird deutlich angegeben, dass der Bereich der Eingangsspannungsschwankungen irgendwo zwischen 7-40V (60V für die HV-Version) liegen könnte. Ein weiteres Beispiel ist der LNK30X-Chip von Power Integrations (Abbildung 2) [2]. Hier wird erwähnt, dass die Eingangs-Wechselspannung nicht über 265VAC steigen und nicht unter 85VAC fallen sollte. Andernfalls könnte die Ausgangsspannung schwanken, besonders unter bestimmter Last.

Es sollte beachtet werden, dass eine Stromversorgung möglicherweise nicht in der Lage ist, plötzliche, signifikante Spannungsschwankungen am Eingang zu bewältigen, selbst wenn die Schwankungen innerhalb des Mindest-/Maximalbereichs liegen. Dies kann auch dazu führen, dass die Ausgangsspannung schwankt.

Abbildung 1

Anwendungsschema des LM2576-5.0 Buck-Konverter-Chips

Abbildung 2

LinkSwitch-TN Universal Input, 12V-120mA Ausgang

Laständerungen

Das Netzteil ist möglicherweise nicht in der Lage, plötzliche Änderungen des Laststroms zu bewältigen, was dazu führt, dass die Ausgangsspannung schwankt. Wenn beispielsweise die Stromabgabe eines Netzteils mit maximal 3A bewertet ist und die Last plötzlich 4A zieht, und dies periodisch geschieht, dann führt dies dazu, dass die Ausgangsspannung abfällt und schwankt.

Des Weiteren, selbst wenn der Strom der Last nur innerhalb eines begrenzten Bereichs variiert, muss das Netzteil auf die „Lastsprungantwort“ abgestimmt und getestet werden, unter Verwendung einer Gleichstromlast. Einfach ausgedrückt, wendet eine Gleichstromlast periodisch Lastimpulse an (zum Beispiel: niedriges Stromniveau: 1A, hohes Stromniveau: 3A) auf den Ausgang des Netzteils an, während die Ausgangsspannung auf jegliches Klingeln überwacht wird. Dies ist ein wesentlicher Test für Anwendungen, bei denen der Laststrom signifikant und häufig geändert werden könnte, wie beispielsweise in einem Auto, wo der Fahrer die Scheinwerfer, Heizelemente, ... usw. recht oft ein-/ausschalten könnte. Abbildung 3 zeigt ein nicht abgestimmtes Netzteil [3]. Abbildung 4 zeigt ein modifiziertes/abgestimmtes Netzteil [3], das den Lastsprungantwort-Test besteht.

Abbildung 3

Abgestimmte Stromversorgung (Pink: Stromimpuls, Gelb: Ausgangsspannung, Orange: Ausgangsspannung (4P-Mittelwertbildung)

Abbildung 4

Abgestimmte Stromversorgung (Pink: Stromimpuls, Gelb: Ausgangsspannung, Orange: Ausgangsspannung (4P-Mittelwertbildung)

Rückkopplungssteuerkreis

Dies ist der wahrscheinlichste Grund für alle Schwankungen der Ausgangsspannung! Daher sollten Sie dies zuerst überprüfen, bevor Sie nach anderen möglichen Problemen mit Schwankungen der Ausgangsspannung suchen. Ein Rückkopplungssteuerkreis ist einfach ein Schaltungspfad, der es dem Regler ermöglicht, die Ausgangsspannung zu erfassen und zu stabilisieren. Jede Fehlfunktion im Rückkopplungskreis führt mindestens zu Schwankungen der Ausgangsspannung. 

Der Rückkopplungspfad ist in den Schaltungen von linearen und Buck/Boost-Spannungsreglern leicht zu erkennen. Bei den Flyback-Wandlern sind die minimalen Komponenten des Rückkopplungssteuerkreises der Optokoppler und die Zener-Diode (oder ein Shunt-Regler) (Abbildung 5). Die Ausgangsgleichrichterdiode und die Filterkondensatoren spielen ebenfalls eine bedeutende Rolle bei der Stabilisierung des Steuerkreises, was im Abschnitt „Alterung der Komponenten“ besprochen wird.

Abbildung 5

Ein typischer Schaltkreis eines Flyback-Wandlers

Schaltfrequenz

Wenn Sie ein Netzteil entwerfen/reparieren und die Ausgangsspannung instabil ist, dann könnte ein wahrscheinlicher Grund eine falsche Schaltfrequenz sein. Die Schaltfrequenz spielt eine sehr bedeutende Rolle bei Berechnungen und Komponentenwerten. Eine signifikante Abweichung von der berechneten Frequenz oder jegliche Instabilität kann dazu führen, dass die Ausgangsspannung schwankt.

Komponententoleranz

Netzteile bestehen aus verschiedenen diskreten Komponenten, und ihre Toleranzen sollten innerhalb eines akzeptablen Bereichs bleiben, beispielsweise eine Toleranz von 5%. Wenn diese Komponenten eine höhere Toleranz aufweisen oder wenn Sie Komponenten von geringer Qualität verwenden, kann dies dazu führen, dass die Ausgangsspannung schwankt oder die Effizienz abnimmt. Daher sollten Sie, wenn Sie Ihr Netzteil entwerfen, so nah wie möglich an Ihren berechneten Werten bleiben. Im Falle eines Reparaturversuchs ersetzen Sie die fehlerhafte Komponente durch eine identische (Wert, Größe, Toleranz).

Temperaturschwankungen

Natürlich erzeugen Netzteile Wärme, daher muss diese Wärme ordnungsgemäß mit Kühlkörpern und Lüftern abgeführt werden. Andernfalls verursacht die umfangreiche Wärme thermischen Stress auf den Komponenten und reduziert deren Lebensdauer, was leicht dazu führen kann, dass die Ausgangsspannung schwankt. Darüber hinaus kann, wenn die Umgebungstemperatur des Anwendungsumfelds hoch ist oder wenn keine ordnungsgemäße Belüftung vorhanden ist, dies auch zu Spannungsschwankungen führen, da die Komponenten nicht ordnungsgemäß abkühlen können. 

Alternde Komponenten

Mit der Zeit kann die Leistung von Komponenten - insbesondere von Elektrolytkondensatoren - nachlassen, was zu Ausfällen führen kann. Meistens ist es offensichtlich, wenn ein Elektrolytkondensator seine Form ändert oder aufgebläht aussieht, aber manchmal trocknen sie aus, ohne dass es äußerlich erkennbar ist. Aufgeblähte oder ausgetrocknete Ausgangskondensatoren sind einer der häufigsten Gründe für Schwankungen der Ausgangsspannung, weil defekte Kondensatoren die Leistung der Rückkopplungssteuerschleife beeinträchtigen und das Ausgangsrauschen/-brummen erhöhen. 

Abgesehen davon können der Haupt-Eingangskondensator (nach dem Brückengleichrichter) oder Entkopplungskondensatoren des Steuerchips ausfallen und die Ausgangsspannung beeinträchtigen. Als Faustregel gilt, dass jeder Kondensator, der mehr als 20% seines ursprünglichen Kapazitätswertes verloren hat, ersetzt werden sollte. Daher ist ein LCR-Messgerät ein unverzichtbares Werkzeug für jeden Versuch des Entwurfs oder der Reparatur von Stromversorgungen. 

Dieses Video erklärt drei Methoden, um einen Ausfall von Elektrolytkondensatoren zu testen [4], ohne den ESR zu messen. Wenn die Suche nach und die Reparatur von einzelnen Elektrolytkondensatoren zu zeitaufwändig ist, dann könnte der Austausch aller Elektrolytkondensatoren eine kluge Entscheidung sein! Abbildung 6 zeigt einen aufgeblähten Kondensator.

Abbildung 6

Ein aufgeblähter Elektrolytkondensator
 

Referenzen

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Lastsprungantwort mit einer SIGLENT DC Elektronischen Last: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: Wie man einfach einen defekten Kondensator erkennt: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU