스위칭 전력 리플은 불가피합니다. 저희의 궁극적인 목표는 출력 리플을 허용 가능한 수준으로 낮추는 것입니다. 이 목표를 달성하기 위한 가장 근본적인 해결책은 리플 발생을 방지하는 것입니다. 우선, 리플의 발생 원인부터 살펴보겠습니다.
SWITCH의 스위칭에 따라 인덕턴스 L의 전류도 출력 전류의 유효 값에서 상하로 변동합니다. 따라서 출력단에는 Switch와 동일한 주파수의 리플이 발생합니다. 일반적으로 리버의 리플은 출력 커패시터의 용량과 ESR과 관련이 있으며, 이 리플의 주파수는 스위칭 전원 공급 장치와 동일하며, 수십에서 수백 kHz의 범위를 가집니다.
또한, 스위치는 일반적으로 바이폴라 트랜지스터나 MOSFET을 사용합니다. 어떤 트랜지스터를 사용하든 스위치가 켜졌다 꺼졌다 할 때 상승 및 하강 시간이 발생합니다. 이때 회로에는 스위치의 상승 및 하강 시간과 같거나 몇 배의 시간 간격을 갖는 잡음이 발생하지 않으며, 일반적으로 수십 MHz입니다. 마찬가지로 다이오드 D는 역회복 상태에 있습니다. 등가 회로는 저항과 커패시터, 인덕터의 직렬 연결로, 공진을 일으키며, 잡음 주파수는 수십 MHz입니다. 이 두 가지 잡음은 일반적으로 고주파 잡음이라고 하며, 진폭은 일반적으로 리플보다 훨씬 큽니다.
AC/DC 컨버터의 경우, 위의 두 가지 리플(노이즈) 외에도 AC 노이즈가 발생합니다. 주파수는 입력 AC 전원 공급 장치의 주파수로 약 50~60Hz입니다. 또한, 많은 스위칭 전원 공급 장치의 전원 소자가 쉘을 라디에이터로 사용하여 동일한 용량을 생성하기 때문에 코모드 노이즈도 발생합니다.
스위칭 전력 리플 측정
기본 요구 사항:
오실로스코프 AC와의 결합
20MHz 대역폭 제한
프로브의 접지선을 분리하세요
1. AC 결합은 중첩된 DC 전압을 제거하고 정확한 파형을 얻는 것입니다.
2. 20MHz 대역폭 한계를 개방하는 것은 고주파 잡음의 간섭을 방지하고 오차를 방지하기 위한 것입니다. 고주파 성분의 진폭이 크기 때문에 측정 시 제거해야 합니다.
3. 오실로스코프 프로브의 접지 클립을 분리하고 접지 측정을 사용하여 간섭을 줄이십시오. 많은 부서에는 접지 링이 없습니다. 하지만 이 요소가 적합한지 판단할 때 이 점을 고려하십시오.
또 다른 요점은 50Ω 단자를 사용하는 것입니다. 오실로스코프 정보에 따르면 50Ω 모듈은 DC 성분을 제거하고 AC 성분을 정확하게 측정하는 데 사용됩니다. 그러나 이러한 특수 프로브를 갖춘 오실로스코프는 거의 없습니다. 대부분의 경우 100kΩ에서 10MΩ까지의 프로브를 사용하는데, 이는 현재로서는 명확하지 않습니다.
위는 스위칭 리플 측정 시 기본적인 주의 사항입니다. 오실로스코프 프로브가 출력 지점에 직접 노출되지 않는 경우, 꼬인 선이나 50Ω 동축 케이블을 사용하여 측정해야 합니다.
고주파 노이즈를 측정할 때 오실로스코프의 전체 대역은 일반적으로 수백 메가헤르츠에서 GHz 수준입니다. 다른 대역도 위와 같습니다. 회사마다 테스트 방법이 다를 수 있습니다. 최종적으로는 테스트 결과를 정확히 알아야 합니다.
오실로스코프에 대하여:
일부 디지털 오실로스코프는 간섭 및 저장 깊이로 인해 리플을 정확하게 측정할 수 없습니다. 이 경우 오실로스코프를 교체해야 합니다. 기존 시뮬레이션 오실로스코프의 대역폭이 수십 메가에 불과하더라도 디지털 오실로스코프보다 성능이 우수한 경우가 있습니다.
스위칭 전력 리플 억제
스위칭 리플은 이론적으로나 실제로 존재합니다. 이를 억제하거나 줄이는 세 가지 방법이 있습니다.
1. 인덕턴스 증가 및 출력 커패시터 필터링
스위칭 전원 공급 장치의 공식에 따르면, 전류 변동 크기와 유도 인덕턴스의 인덕턴스 값은 반비례하고, 출력 리플과 출력 커패시터는 반비례합니다. 따라서 전기 커패시터와 출력 커패시터를 증가시키면 리플을 줄일 수 있습니다.
위 그림은 스위칭 전원 공급 장치 인덕터 L의 전류 파형입니다. 리플 전류 △i는 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.
L값을 증가시키거나 스위칭 주파수를 증가시키면 인덕턴스의 전류 변동을 줄일 수 있음을 알 수 있습니다.
마찬가지로, 출력 리플과 출력 커패시터 사이의 관계는 VRIPPLE = IMAX/(CO × F)입니다. 출력 커패시터 값을 증가시키면 리플을 줄일 수 있음을 알 수 있습니다.
일반적으로 출력 정전용량에 알루미늄 전해 커패시터를 사용하여 대용량을 구현합니다. 그러나 전해 커패시터는 고주파 노이즈 억제에 그다지 효과적이지 않고 ESR이 비교적 크기 때문에, 알루미늄 전해 커패시터의 부족분을 보완하기 위해 세라믹 커패시터를 옆에 연결하게 됩니다.
동시에 전원 공급 장치가 작동 중일 때 입력 단자의 전압(VIN)은 변하지 않지만, 전류는 스위치에 따라 변합니다. 이때 입력 전원 공급 장치는 전류 웰(well)을 제공하지 않고, 일반적으로 전류 입력 단자 근처에 위치합니다(벅 컨버터를 예로 들면, 스위치 근처에 위치). 이 경우, 커패시턴스를 연결하여 전류를 공급합니다.
이러한 대책을 적용한 후의 Buck 스위치 전원 공급 장치는 아래 그림과 같습니다.
위의 접근법은 리플 감소에만 국한됩니다. 볼륨 제한으로 인해 인덕턴스가 크게 증가하지 않고, 출력 커패시터가 어느 정도 증가하지만 리플 감소에 뚜렷한 효과가 없습니다. 스위칭 주파수가 증가하면 스위치 손실이 증가합니다. 따라서 요구 사항이 엄격한 경우에는 이 방법이 적합하지 않습니다.
스위칭 전원 공급 장치의 원리에 대해서는 다양한 유형의 스위칭 전원 설계 매뉴얼을 참조할 수 있습니다.
2. 2단계 필터링은 1단계 LC 필터를 추가하는 것입니다.
LC 필터가 잡음 리플에 미치는 억제 효과는 비교적 명확합니다. 제거할 리플 주파수에 따라 적절한 인덕터 커패시터를 선택하여 필터 회로를 구성하십시오. 일반적으로 리플을 효과적으로 줄일 수 있습니다. 이 경우 피드백 전압의 샘플링 지점을 고려해야 합니다. (아래 그림 참조)
샘플링 지점은 LC 필터(PA)보다 먼저 선택되며, 출력 전압은 감소합니다. 모든 인덕턴스는 직류 저항을 가지므로, 전류 출력이 있을 때 인덕턴스에 전압 강하가 발생하여 전원 공급 장치의 출력 전압이 감소합니다. 이 전압 강하는 출력 전류에 따라 변합니다.
샘플링 지점은 LC 필터(PB) 다음에 선택되므로 출력 전압은 원하는 전압이 됩니다. 그러나 전력 시스템 내부에 인덕턴스와 커패시터가 추가되어 시스템 불안정성을 유발할 수 있습니다.
3. 스위칭 전원 공급 장치 출력 후 LDO 필터링을 연결합니다.
이 방법은 리플과 노이즈를 줄이는 가장 효과적인 방법입니다. 출력 전압은 일정하며 기존 피드백 시스템을 변경할 필요가 없습니다. 또한, 비용 효율성이 가장 높고 전력 소비량이 가장 높습니다.
모든 LDO에는 잡음 억제율(Noise Suppression Ratio)이라는 지표가 있습니다. 이는 주파수-잡음 억제율(DB) 곡선이며, 아래 그림은 LT3024의 곡선입니다.
LDO 이후 스위칭 리플은 일반적으로 10mV 미만입니다. 다음 그림은 LDO 전후의 리플을 비교한 것입니다.
위 그림의 곡선과 왼쪽 파형을 비교해 보면, LDO의 억제 효과가 수백 kHz의 스위칭 리플에 대해 매우 우수함을 알 수 있습니다. 그러나 고주파수 범위에서는 LDO의 효과가 그다지 좋지 않습니다.
리플을 줄이십시오. 스위칭 전원 공급 장치의 PCB 배선 또한 중요합니다. 고주파 노이즈의 경우, 고주파의 주파수가 높기 때문에 후단 필터링이 어느 정도 효과가 있지만 그 효과는 명확하지 않습니다. 이와 관련하여 특별한 연구가 진행 중입니다. 간단한 방법은 다이오드와 커패시턴스 C 또는 RC를 직렬로 연결하거나 인덕턴스를 직렬로 연결하는 것입니다.
위 그림은 실제 다이오드의 등가 회로입니다. 다이오드가 고속일 경우 기생 파라미터를 고려해야 합니다. 다이오드의 역회복 과정에서 등가 인덕턴스와 등가 커패시턴스가 RC 발진기가 되어 고주파 발진을 발생시킵니다. 이러한 고주파 발진을 억제하기 위해서는 다이오드 양단에 커패시턴스 C 또는 RC 버퍼 회로를 연결해야 합니다. 저항은 일반적으로 10Ω~100Ω이며, 커패시턴스는 4.7PF~2.2NF입니다.
다이오드 C 또는 RC의 정전용량 C 또는 RC는 반복적인 실험을 통해 결정될 수 있습니다. 정전용량을 적절하게 선택하지 않으면 더 심한 발진이 발생할 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 7월 8일
