Czy wiesz, jak zapobiegać wahaniom napięcia?

Jednym z najczęstszych problemów związanych z zasilaniem jest fluktuacja napięcia wyjściowego. Problem ten jest spowodowany różnymi czynnikami, w tym zmianami napięcia wejściowego, nieprzewidzianymi zmianami prądu obciążenia, awariami pętli sterowania sprzężeniem zwrotnym, problemami z częstotliwością przełączania, tolerancjami komponentów, zmianami temperatury oraz starzeniem się komponentów. 

W tym artykule krótko omówimy przyczyny fluktuacji napięcia wyjściowego oraz przedstawimy wskazówki, jak rozwiązać i zapobiegać tym problemom.

Zmiany napięcia wejściowego

Napięcie wejściowe do zasilacza (lub układu regulującego) może ulec zmianie, przekraczając absolutne maksymalne/minimalne granice układu regulującego. Układ regulujący/kontrolujący nie jest w stanie obsłużyć tych wahań, i w zależności od częstotliwości tych zmian, napięcie wyjściowe może spaść, wzrosnąć lub wykazać znaczną ilość tętnień. 

Na przykład, proszę spojrzeć na schemat aplikacyjny słynnego układu regulującego LM2576-5.0 [1] od Texas Instruments (Rysunek 1). Wyraźnie stwierdzono, że zakres wahań napięcia wejściowego może wynosić od 7 do 40V (60V dla wersji HV). Innym przykładem jest układ LNK30X, od Power Integrations (Rysunek 2) [2]. Tutaj wspomniano, że napięcie wejściowe AC nie powinno przekraczać 265VAC, ani spadać poniżej 85VAC. W przeciwnym razie, napięcie wyjściowe może ulec wahaniom, szczególnie pod pewnym obciążeniem.

Warto zauważyć, że zasilacz może nie być w stanie obsłużyć nagłych, znaczących wahań napięcia na wejściu, nawet jeśli wahania te mieszczą się w zakresie minimalnym/maksymalnym. Może to również powodować wahania napięcia wyjściowego.

Rysunek 1

Schemat aplikacyjny układu przetwornicy obniżającej LM2576-5.0

Rysunek 2

LinkSwitch-TN Uniwersalne Wejście, Wyjście 12V-120mA

Zmiany Obciążenia

Zasilacz może nie być w stanie poradzić sobie z nagłymi zmianami prądu obciążenia, co prowadzi do fluktuacji napięcia wyjściowego. Na przykład, jeśli dostarczanie prądu przez zasilacz jest ocenione na maksymalnie 3A, a obciążenie nagle pobiera 4A, jeśli zdarza się to okresowo, będzie to prowadzić do spadku i fluktuacji napięcia wyjściowego.

Ponadto, nawet jeśli prąd obciążenia zmienia się tylko w ograniczonym zakresie, zasilacz musi być dostrojony i przetestowany pod kątem "odpowiedzi na zmianę obciążenia", używając obciążenia DC. Mówiąc prościej, obciążenie DC stosuje okresowo impulsy obciążenia (na przykład: niski poziom prądu: 1A, wysoki poziom prądu: 3A) do wyjścia zasilacza, podczas gdy napięcie wyjściowe jest monitorowane pod kątem jakichkolwiek drgań. Jest to niezbędny test dla aplikacji, w których prąd obciążenia może być znacząco i często zmieniany, takich jak samochód, gdzie kierowca może często włączać/wyłączać reflektory, elementy grzewcze, ... itp. Rysunek 3 pokazuje nieprzystrojony zasilacz [3]. Rysunek 4 pokazuje zmodyfikowany/dostrojony zasilacz [3], który przechodzi test odpowiedzi na zmianę obciążenia.

Rysunek 3

Niestrojone zasilanie (Różowy: Impuls prądu, Żółty: Napięcie wyjściowe, Pomarańczowy: Napięcie wyjściowe (średnia z 4 pomiarów))

Rysunek 4

Strojone zasilanie (Różowy: Impuls prądu, Żółty: Napięcie wyjściowe, Pomarańczowy: Napięcie wyjściowe (średnia z 4 pomiarów))

Pętla sprzężenia zwrotnego

To najbardziej prawdopodobna przyczyna wszystkich fluktuacji napięcia wyjściowego! Dlatego powinieneś to sprawdzić jako pierwsze, zanim zaczniesz szukać innych możliwych problemów z fluktuacjami napięcia wyjściowego. Pętla sprzężenia zwrotnego to po prostu ścieżka obwodu dla kontrolera/regulatora do wykrywania napięcia wyjściowego i stabilizowania napięcia. Jakakolwiek awaria w obwodzie sprzężenia zwrotnego, przynajmniej, prowadzi do fluktuacji napięcia wyjściowego. 

Ścieżkę sprzężenia zwrotnego łatwo zauważyć w obwodach regulatorów napięcia liniowych i buck/boost. Dla przetwornic flyback minimalne komponenty pętli sprzężenia zwrotnego to optoprzerzutnik i dioda Zenera (lub regulator szeregowy) (rys. 5). Dioda prostownicza wyjściowa i kondensatory filtrujące również odgrywają znaczącą rolę w stabilizowaniu pętli kontrolnej, co zostanie omówione w sekcji „starzenie się komponentów”.

Rysunek 5

Typowy obwód przetwornicy flyback

Częstotliwość przełączania

Jeśli projektujesz/naprawiasz zasilacz, a napięcie wyjściowe jest niestabilne, jednym z prawdopodobnych powodów może być nieprawidłowa częstotliwość przełączania. Częstotliwość przełączania odgrywa bardzo znaczącą rolę w obliczeniach i wartościach komponentów. Znaczne odchylenie od obliczonej częstotliwości lub jakakolwiek niestabilność może powodować fluktuacje napięcia wyjściowego.

Tolerancja komponentów

Zasilacze składają się z różnych dyskretnych komponentów, a ich tolerancje powinny pozostać w akceptowalnym zakresie, na przykład tolerancja 5%. Jeśli te komponenty wykazują wyższą tolerancję lub jeśli używasz komponentów niskiej jakości, może to powodować fluktuacje napięcia wyjściowego lub obniżenie efektywności. Dlatego, jeśli projektujesz swój zasilacz, powinieneś pozostać jak najbliżej swoich obliczonych wartości. W przypadku próby naprawy, wymień wadliwy komponent na identyczny (wartość, rozmiar, tolerancja).

Zmiany temperatury

Zasilacze naturalnie generują ciepło, dlatego to ciepło musi być odpowiednio rozpraszane za pomocą radiatorów i wentylatorów. W przeciwnym razie nadmierne ciepło nakłada stres termiczny na komponenty i skraca ich żywotność, co łatwo może powodować fluktuacje napięcia wyjściowego. Ponadto, jeśli temperatura otoczenia środowiska aplikacji jest wysoka lub jeśli nie ma odpowiedniej wentylacji, może to również prowadzić do fluktuacji napięcia, ponieważ komponenty nie mogą się odpowiednio ochłodzić. 

Starzenie się komponentów

Z czasem wydajność komponentów - szczególnie kondensatorów elektrolitycznych - może się obniżyć, prowadząc do awarii. Zazwyczaj jest oczywiste, gdy kondensator elektrolityczny zmienia swój kształt lub wygląda na spuchnięty, ale czasami wysychają bez żadnych widocznych oznak. Spuchnięte lub wyschnięte kondensatory wyjściowe to jedna z najczęstszych przyczyn fluktuacji napięcia wyjściowego, ponieważ uszkodzone kondensatory wpływają na wydajność pętli sterowania sprzężenia zwrotnego i zwiększają tętnienia/wyjściowy szum. 

Poza tym główny kondensator wejściowy (po prostowniku mostkowym) lub kondensatory sprzęgające chipa kontrolera mogą ulec awarii i wpłynąć na napięcie wyjściowe. Jako reguła, każdy kondensator, który stracił ponad 20% swojej pierwotnej wartości pojemności, powinien zostać wymieniony. Dlatego miernik LCR jest narzędziem niezbędnym przy każdej próbie projektowania lub naprawy zasilacza. 

To wideo wyjaśnia trzy sposoby na testowanie awarii kondensatora elektrolitycznego [4], bez mierzenia ESR. Jeśli poszukiwanie i naprawianie poszczególnych kondensatorów elektrolitycznych jest zbyt czasochłonne, to wymiana wszystkich kondensatorów elektrolitycznych może być mądrą decyzją! Rysunek 6 pokazuje spuchnięty kondensator.

Rysunek 6

Wypukły kondensator elektrolityczny
 

Referencje

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Odpowiedź obciążenia krokowego przy użyciu elektronicznego obciążenia DC SIGLENT: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: Jak łatwo wykryć uszkodzony kondensator: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU