전원 리플 및 리플 계수
전원 공급 장치의 주요 기능은 전자 제품에 전기 에너지를 공급하는 것이지만 전원 공급 장치는 필연적으로 리플, 노이즈 등을 발생시켜 전자 시스템은 물론 제품 전체의 안정성과 신뢰성을 저하시킵니다.
전압 리플은 A/D 변환 회로, 연산 증폭기 회로, 정류기 필터 회로 등과 같은 전원 공급 장치의 다양한 회로에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적인 응용 분야에는 다음과 같은 위험이 있습니다.
원하지 않는 고조파를 생성하여 과전압 또는 과전류를 유발하여 사고를 유발합니다. 추가 손실을 늘리고 전기 장비의 효율성과 활용도를 줄입니다.
장비의 비정상 작동을 유발하고 노후화를 가속화하며 수명을 단축시킵니다. 계전기 보호, 자동 장치, 컴퓨터 시스템 및 기타 장비가 비정상적으로 작동하거나 정상적으로 작동하지 않게 하는 행위
측정 및 계량 장비에 편차가 발생할 수 있습니다. 통신 시스템을 방해하고, 신호 전송 품질을 저하시키며, 심지어 통신 장비를 손상시킬 수도 있습니다.
따라서 전자제품을 설계할 때에는 리플을 정확하게 측정하여 일정 범위 내에서 리플을 억제하는 것이 필요합니다.
1 전원 리플 및 리플 계수
엄밀히 말하면 조정된 전원 공급 장치는 전원 변압기, 정류기 회로, 필터 회로 및 전압 안정화 회로의 네 부분으로 구성됩니다. DC-DC도 조정 전원으로 간주할 수 있으므로 정류 회로, 필터 회로, 전압 안정화 회로는 조정 전원의 세 가지 필수 부품으로 간주됩니다[1].
정류기 회로는 교류를 맥동 직류로 변환하기 위해 단방향 전도성 장치를 사용합니다. 맥동직류는 원활하지 않고 교류성분이 많이 포함되어 있다.
필터 회로는 에너지 저장 구성 요소를 사용하여 맥동 DC 전력을 상대적으로 평평한 DC 전력으로 변환합니다. 필터 회로의 성능이 다르기 때문에 대부분의 AC 구성 요소를 필터링할 수 있지만 완전히 필터링할 수는 없습니다.
정류 및 필터링 후의 전압 안정화 회로는 회로의 조정 기능을 사용하여 출력 전압을 안정화하고 AC 성분을 최소한으로 줄입니다. 안정적인 전압 출력과 함께 완전히 필터링할 수 없는 이 AC 성분을 리플 전압이라고 합니다.
DC 조정 전원 필터링의 성능을 특성화하기 위해 리플 계수 개념이 도입되었습니다 [2-3]. 리플 계수 ψ는 리플 전압 Vr과 DC 출력 전압 Vo의 유효 값의 백분율 값으로 정의됩니다. 즉:
리플 계수는 DC 전원 공급 장치의 안정적이고 순수한 출력을 평가하는 데 중요한 지표입니다. 위의 공식에 따르면 리플 계수를 구하기 위해서는 리플 전압을 측정해야 함을 알 수 있다.
2 전원 리플 측정
전원 공급 장치 리플을 정확하게 측정하려면 일반적으로 전자 부하(Electronic Load)와 디지털 스토리지 오실로스코프(DSO)라는 두 가지 계측기가 필요합니다.
전자 부하는 전류 조정을 용이하게 하며 일반적으로 정저항 모드(CR)로 설정됩니다. 디지털 스토리지 오실로스코프는 전체 리플 파형을 직접 캡처하고 리플 값을 저장, 증폭 및 판독할 수 있습니다. 오실로스코프 판독값을 공식에 대입하여 리플 계수를 얻습니다.
측정 시 다음 두 가지 사항에 주의해야 합니다(이 두 사항은 측정 결과의 정확성에 특히 중요합니다).
(1) 디지털 저장 오실로스코프의 프로브 접지선을 뽑아야 하며 대신 프로브 어셈블리의 접지 스프링 핀을 사용해야 합니다. 접지 루프가 EMI 잡음과 결합되어 측정 결과가 부정확해지는 것을 방지할 수 있습니다.
프로브 접지선이 너무 길고 루프 영역이 너무 커서 수신 안테나를 형성하고 고주파 클러터 또는 EMI 잡음이 측정된 신호에 결합됩니다.
(2) 디지털 스토리지 오실로스코프 자체의 설정을 조정해야 합니다.
전원 공급 장치 끝에서 추가되는 노이즈를 추가로 필터링하려면 디지털 스토리지 오실로스코프를 잘 접지해야 합니다. 디지털 스토리지 오실로스코프의 AC 커플링을 사용하여 DC를 차단함으로써 리플 테스트를 더욱 직관적이고 정확하게 만듭니다.
일반 리플 테스트에서는 주파수를 20MHz 미만으로 제한해야 하므로 디지털 스토리지 오실로스코프는 고주파 노이즈를 분리하기 위해 20MHz 대역폭 제한을 열어야 합니다.
전원 리플을 억제하는 3가지 방법
조정된 전원 공급 장치의 출력 전압 리플을 억제하기 위해 일반적으로 RLC 필터링 방법, 공통 모드 필터링 방법, 페라이트 자기 링 필터링 방법 및 세 가지 방법의 조합이라는 네 가지 방법이 채택됩니다.
DC-DC 전원 리플을 억제하는 필터 회로를 실험적 검증을 통해 시연한다. 검증 실험에서는 Meanwell의 100W DC-DC 전원 공급 장치, 48V 입력, 5V 출력, 모델 SD-100C-5를 선택했습니다.
디지털 스토리지 오실로스코프는 대역폭 70MHz, 샘플링 속도 1GSa/s, 채널당 저장 깊이 10M를 갖춘 GWINSTEK의 GDS{0}}B를 선택합니다.
전자 부하는 GWINSTEK의 PEL{{0}}이며 전압 범위는 1.5V~150V, 전류 범위는 0~35A, 전력은 175W입니다.
이 계산에 따르면 회로의 전류는 20A입니다. 그림 3은 전원 리플 테스트의 연결 블록 다이어그램을 보여줍니다.
전원 리플 억제 효과를 보다 직관적이고 명확하게 만들기 위해 먼저 SD-100C-5의 필터 회로를 단락시키고 출력 전압의 리플을 측정합니다. 이를 통해 전원 리플은 약 85.6mVpp이고 실효값은 48.2mVrms임을 알 수 있다.
