Вы знаете, как предотвратить колебания напряжения?

Одна из наиболее распространенных проблем блоков питания - колебания выходного напряжения. Эта проблема вызвана различными факторами, включая колебания входного напряжения, непредвиденные изменения в токе нагрузки, сбои в работе контурной обратной связи, проблемы с частотой переключения, допуски компонентов, изменения температуры и старение компонентов. 

В этой статье кратко рассмотрим причины колебаний выходного напряжения и предоставим рекомендации по их решению и предотвращению.

Колебания входного напряжения

Входное напряжение блока питания (или микросхемы регулятора) может колебаться, превышая абсолютные максимальные/минимальные пределы микросхемы регулятора. Микросхема регулятора/контроллера не способна справиться с этими изменениями, и в зависимости от частоты колебаний выходное напряжение может падать, увеличиваться или демонстрировать значительный уровень пульсаций. 

Например, пожалуйста, посмотрите на схему применения известной микросхемы регулятора LM2576-5.0 [1] от Texas Instruments (Рисунок 1). Ясно указано, что диапазон колебаний входного напряжения может быть где-то между 7-40В (60В для версии HV). Другой пример - микросхема LNK30X от Power Integrations (Рисунок 2) [2]. Здесь упоминается, что входное переменное напряжение не должно подниматься выше 265В переменного тока и не падать ниже 85В переменного тока. В противном случае выходное напряжение может колебаться, особенно при некоторой нагрузке.

Следует отметить, что блок питания может не справиться с внезапными значительными изменениями напряжения на входе, даже если эти изменения находятся в пределах минимального/максимального диапазона. Это также может вызвать колебания выходного напряжения.

Рисунок 1

Схема применения микросхемы понижающего преобразователя LM2576-5.0

Рисунок 2

LinkSwitch-TN Универсальный вход, выход 12В-120мА

Изменения нагрузки

Блок питания может не справиться с резкими изменениями тока нагрузки, что приведет к колебаниям выходного напряжения. Например, если максимальная мощность блока питания составляет 3А, а нагрузка внезапно потребляет 4А, и если это происходит периодически, то это приведет к падению и колебанию выходного напряжения.

Более того, даже если ток нагрузки варьируется только в пределах ограниченного диапазона, блок питания должен быть настроен и протестирован на «отклик на изменение нагрузки», используя постоянный ток нагрузки. Проще говоря, постоянный ток нагрузки периодически применяет импульсы нагрузки (например: низкий уровень тока: 1А, высокий уровень тока: 3А) к выходу блока питания, в то время как выходное напряжение контролируется на предмет любых колебаний. Это существенный тест для приложений, где ток нагрузки может значительно и часто изменяться, например, в автомобиле, где водитель может часто включать/выключать фары, элементы обогрева и т. д. Рисунок 3 показывает не настроенный блок питания [3]. Рисунок 4 показывает модифицированный/настроенный блок питания [3], который проходит тест на отклик на изменение нагрузки.

Рисунок 3

Ненастроенный источник питания (Розовый: Импульс тока, Желтый: Выходное напряжение, Оранжевый: Выходное напряжение (усреднение по 4 точкам))

Рисунок 4

Настроенный источник питания (Розовый: Импульс тока, Желтый: Выходное напряжение, Оранжевый: Выходное напряжение (усреднение по 4 точкам))

Цепь обратной связи

Это наиболее вероятная причина всех колебаний выходного напряжения! Поэтому в первую очередь следует проверить это, прежде чем искать другие возможные проблемы с колебаниями выходного напряжения. Цепь обратной связи — это просто путь цепи для контроллера/регулятора для контроля выходного напряжения и стабилизации напряжения. Любая неисправность в цепи обратной связи, по меньшей мере, приведет к колебаниям выходного напряжения. 

Путь обратной связи легко обнаружить в схемах линейных и повышающе-понижающих регуляторов напряжения. Для преобразователей с обратной связью минимальные компоненты цепи обратной связи - это оптопара и диод Зенера (или шунтирующий регулятор) (рисунок 5). Выпрямительный диод на выходе и фильтрующие конденсаторы также играют значительную роль в стабилизации контурной петли, что будет обсуждаться в разделе "старение компонентов".

Рисунок 5

Типичная схема преобразователя с обратной связью

Частота переключения

Если вы разрабатываете или ремонтируете блок питания и выходное напряжение нестабильно, то одной из вероятных причин может быть неправильная частота переключения. Частота переключения играет очень значительную роль в расчетах и значениях компонентов. Значительное отклонение от рассчитанной частоты или любая нестабильность может вызвать колебания выходного напряжения.

Допуск компонентов

Блоки питания состоят из различных дискретных компонентов, и их допуски должны оставаться в приемлемом диапазоне, например, с допуском 5%. Если эти компоненты демонстрируют более высокий допуск или если вы используете компоненты низкого качества, это может вызвать колебания выходного напряжения или снижение эффективности. Поэтому, если вы разрабатываете свой блок питания, вы должны придерживаться как можно ближе к рассчитанным значениям. В случае попытки ремонта замените неисправный компонент идентичным (по значению, размеру, допуску).

Изменения температуры

Естественно, блоки питания генерируют тепло, поэтому это тепло должно быть должным образом рассеяно с использованием радиаторов и вентиляторов. В противном случае избыточное тепло накладывает тепловые напряжения на компоненты и сокращает их срок службы, что легко может вызвать колебания выходного напряжения. Более того, если температура окружающей среды высока или если нет должной вентиляции, это также может привести к колебаниям напряжения, поскольку компоненты не могут должным образом охлаждаться. 

Старение компонентов

Со временем производительность компонентов, особенно электролитических конденсаторов, может снижаться, что приводит к их выходу из строя. Чаще всего очевидно, когда электролитический конденсатор меняет свою форму или выглядит выпуклым, но иногда они высыхают без каких-либо визуальных признаков. Выпуклые или высохшие выходные конденсаторы являются одной из наиболее распространенных причин колебаний выходного напряжения, поскольку неисправные конденсаторы влияют на производительность контура обратной связи и увеличивают пульсации/шум на выходе. 

Помимо этого, основной входной конденсатор (после мостового выпрямителя) или развязывающие конденсаторы микросхемы управления могут выйти из строя и повлиять на выходное напряжение. Как правило, любой конденсатор, потерявший более 20% своей первоначальной емкости, должен быть заменен. Поэтому измеритель LCR является обязательным инструментом для любой попытки проектирования или ремонта источника питания. 

Это видео объясняет три способа проверки на неисправность электролитического конденсатора [4], без измерения ESR. Если поиск и ремонт отдельных электролитических конденсаторов занимает слишком много времени, то замена всех электролитических конденсаторов может быть разумным решением! На рисунке 6 показан выпуклый конденсатор.

Рисунок 6

Выпуклый электролитический конденсатор
 

Ссылки

[1]: LM2576: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2576hv.pdf
[2]: LNK30X: https://www.powerint.cn/products/linkswitch/linkswitch-tn/lnk304dg
[3]: Отклик на изменение нагрузки с электронной нагрузкой SIGLENT DC: https://www.siglenteu.com/application-note/power-supply-design-load-step/
[4]: Как легко обнаружить неисправный конденсатор: https://www.youtube.com/watch?v=XKv4OMSz7jU