Хроники лаборатории: полезные советы

YES.TRENGTOR.COM: разработка и изготовление электронных цифровых устройств

Небольшие практические заметки. Полезный опыт. Аналитика. Измерения. Особенности применения.

 

 

Чистое питание в микроконтроллерных системах с АЦП

Достаточно распространенных заблуждением (что касается различных цифровых систем) является небрежный (если не сказать пренебрежительный) подход к качеству питания АЦП и ИОН на фоне массового использования импульных источников питания. Мотивировка к использованию такого подхода довольно примитивна: поскольку питание АЦП и ИОН зашумлено одними и теми же помехами, значит в шумах питания нет ничего страшного, т.к. питание АЦП и ИОН меняется синхронно с шумами и помехами. Расплатой является снижение точности замеров, их нестабильность и т.д.

Предисловие

...Видите, Балаганов, что можно сделать из простой швейной машины Зингера?
Небольшое приспособление – и получилась прелестная колхозная сноповязалка
.

Несколько лет назад я потратил пару летних дней на довольно увлекательное исследование китайского преобразователя на LM2596 с применением к нему рекомендаций Джима Уильямса.

Пролог

Китайцы сотворили рукотворное чудо и продают модули на LM2596 по цене ниже, чем стоимость использованных в них комплектующих. Покупатели тихо сходят с ума от счастья.

На как, как им (китайцам) это удалось? Да не все ли нам равно: они продают, мы покупаем. Но что именно мы покупаем? Было решено посмотреть поближе и на такой модуль, и на чистоту получаемого напряжения питания.

Рекомендации даташита

Сразу оговорюсь: на этом импровизированном «стенде» был модуль с мелкими доработками: параллельно входному и выходному электролитическим конденсаторам были напаяны керамические «шунты» 0,1 мкФ/50 В. Без них там было бы совсем плохо по ВЧ-шумам.

К выходу просто поочередно подключались 2 разные фильтрующие катушки: на 8 и на 98 мкГн. Конденсатор был на 100 мкФ и не Low ESR, что несколько отличается от даташита. Но других конденсаторов под рукой не оказалось.

Далее – картинки с закрытого входа осциллографа (AC), снятые на входе дополнительного фильтра и его выходе. Модуль был настроен на +5 В, нагрузка 20 Ом, ток нагрузки 0,25 А.

На входе фильтра

На выходе фильтра с L = 8 мкГн

На выходе фильтра с L = 98 мкГн

В связи с увиденным я не смог разделить всеобщую радость и ликование: это модуль работает ровно на столько, сколько он стоит, и никакого «лайфхака» собой не представляет.

Выводы просты: без дополнительного фильтра или линейного стабилизатора на выходе, такой следует применять только там, где нет совершенно никаких специальных требований к уровню пульсаций (шумов) напряжения питания вашей схемы.

Наследие классиков: Джим Уильям (Lineat Tecjnology)

Джим Уильямс воистину велик и вы обязательно найдёте его следы даже там, где поначалу не ожидали.

Далее я частично цитирую его апнот 101 в переводе Дмитрия Иоффе.

Минимизация прохождения помех от импульсного стабилизатора напряжения через линейный стабилизатор

Разработчики часто используют линейные стабилизаторы напряжения на выходе импульсных стабилизаторов. У такого подхода много преимуществ — лучшие стабильность, точность и быстродействие, а также меньше выходной импеданс. В идеале все эти улучшения должны были бы сопровождаться значительным уменьшением пульсаций и выбросов, порождаемых импульсным стабилизатором. На практике, однако, подавление этих пульсаций в линейном стабилизаторе вызывает некоторые трудности, особенно с увеличением частоты. При небольшой разности между входным и выходным напряжениями линейного стабилизатора эти эффекты усиливаются, что особенно печально, так как для повышения КПД эту разность надо уменьшать.

Входной фильтрующий конденсатор сглаживает пульсации на входе линейного стабилизатора Выходной конденсатор поддерживает низкий выходной импеданс на высоких частотах, улучшает переходную характеристику по нагрузке и обеспечивает частотную компенсацию для некоторых типов стабилизаторов. Кроме того, он уменьшает шумы, а также помехи от импульсного стабилизатора, проникающие со входа. Влияние этих помех необходимо учитывать, так как их высокочастотные составляющие, даже с малой амплитудой, могут вызвать проблемы в схемах с повышенной чувствительностью к шумам, например, в видео- или телекоммуникационной аппаратуре. Разработчики используют множество конденсаторов, пытаясь справиться с этими помехами. Тем не менее, понимание природы этих сигналов позволяет преуспеть в этом деле.

Динамическая составляющая напряжения на выходе импульсного стабилизатора состоит из относительно низкочастотных пульсаций с рабочей частотой импульсного стабилизатора, обычно от 100 кГц до 3 МГц, и высокочастотных составляющих выбросов, возникающих в моменты переключения силовых ключей. Пульсации возникают из-за импульсных перераспределений энергии в стабилизаторе и краткости интервалов переключения. Фильтрующие конденсаторы сглаживают их, но не устраняют. Выбросы, которые часто содержат гармонические составляющие, простирающиеся до 100 МГц, возникают из-за очень быстрых переключений силовых элементов стабилизатора. Уменьшение частоты работы стабилизатора и замедление переключений могут значительно уменьшить амплитуду пульсаций и выбросов, но при этом увеличиваются размеры элементов, запасающих энергию, и уменьшается КПД. Устройства, использующие этот подход, дают гораздо меньшее содержание гармоник, но имеют большие габариты и меньший КПД. А высокая частота и быстрые переключения, которые позволяют использовать пассивные компоненты малых размеров, порождают высокочастотные пульсации и выбросы на входе линейного стабилизатора.

Линейный стабилизатор подавляет пульсации лучше, чем широкополосные выбросы. Для типичного линейного стабилизатора с малым падением напряжения (low-dropout, LDO) LT1763 ослабление пульсаций на частоте 100 кГц составляет 40 дБ, а на частоте1 МГц оно падает до 25 дБ. Широкополосные выбросы проходят через стабили-затор.

В даташитах всех интегральных линейных стабилизаторов приводятся графики аналогичных характеристик эффективности подавления помех в зависимости от частоты.

Пульсации на выходе стабилизатора ослаблены примерно в 20 раз. Выбросы на выходе до некоторой степени ослаблены, но их гармонический состав остается значительным. Стабилизатор не увеличивает время нарастания выбросов. Эту работу должен выполнять конденсатор. К сожалению, неотъемлемые высокочастотные потери не позволяют конденсатору фильтровать широкополосные выбросы.

...влияние ферритовой бусины, установленной непосредственно перед входным конденсатором. Амплитуда выбросов падает примерно в пять раз. Бусина обеспечивает ослабление на высокой частоте, значительно ограничивая прохождение выбросов. Постоянная составляющая и низкочастотные составляющие на входе стабилизатора не изменяются.

...результат установки второй ферритовой бусины на выходе стабилизатора перед выходным конденсатором. Благодаря высокочастотным характеристикам бусины ослабление выбросов ниже 1 мВ без влияния напостоянную составляющую на выходе стабилизатора. Иногда можно использовать вместо бусины катушку индуктивности, но при этом нужно учитывать присущие ей ограничения

Результаты

Для макета tSol был собран новый, более сложный вариант блока питания (первый каскад на +9 В питает ИОН, а второй каскад на +5 В питает собственно электронику).

Прибор (использовал мультиметр 0,05%) измеряет RMS в полосе до 100 кГц, так что полученным с его помощью данным вполне можно доверять. На выходе каскада +5 В, RMS-амплитуда шумов (пиковое значение) под нагрузкой составляет 0,025% от этих 5 В. Сюда же с высокой долей вероятности входят и наводки на щупы.

Разумеется, всё это может быть экстаполировано на применение импульсных источников питания «вообще», а не только упомянутых модулей DC-DC китайского производства.

Список использованной литературы

1. Application Note 101. July 2005. Minimizing Switching Regulator Residuein Linear Regulator Outputs. Banishing Those Accursed Spikes. Jim Williams (Linear Technology)

2. Минимизация прохождения помех от импульсного стабилизатора напряжения через линейный стабилизатор. Джим УИЛЬЯМС (Jim WILLIAMS). Перевод: Дмитрий ИОФФЕ

 

11.08.2017

 

 

Информация, представленная на сайте, не является офертой.

 

© yes.trengtor.com, 2014-2017. При цитировании обязательна ссылка.

 


Услуги

Ремонт гитарной электроники

Разработка электроники

Бытовая электроника

Термогигрометр

 

Гитарная электроника

Микрофонный преамп

Кабели и патчи

 

Инструменты

Контроллер для WSP80

 

Комплекты для сборки

Контроллер для WSP80

 

Хроники лаборатории

Полезные советы

 

Это полезно знать

Важное о влажности

 

Как сделать заказ

Контакты


Поддержать
сайт и его автора