Analýza rušení napájecích zdrojů

Řada moderních zařízení (např. mobilní telefony, přístroje PDA a přehrávače MP3) používá k maximalizaci životnosti baterií spínané napájecí zdroje. Tento typ zdroje využívá ke kontrole toku energie do vyhlazovacího kondenzátoru spínáním řízenou indukčnost. Jedná se o velmi efektivní řešení, protože spínač je buď sepnutý, nebo vypnutý a ke ztrátám tak dochází pouze během změny stavu. Změna stavu však způsobuje rušení. V obvodech s plošnými spoji jsou obvykle přítomny dva typy rušení – harmonické rušení závislé na spínacím kmitočtu a širokopásmové rušení, které závisí na impulsní charakteristice přechodu. Rušení se může přenášet do ostatních součástek přístroje vedením (například vodivými cestami na desce plošných spojů) nebo vyzařováním (součástky nebo vodivé spoje se chovají jako antény vysílající a přijímající rušení).

Rušení má několik negativních vlivů:

• Rušení vyvolané napájecím zdrojem může zvýšit hladinu rušení u všech analogových signálů použitých v systému (např. vf. nebo základní signál nebo audiosignál v přehrávači MP3 nebo signál digitalizovaný v mobilním telefonu). Úroveň rušení vzrůstá, protože míra odolnosti proti rušení z napájecího zdroje (PSRR) se u většiny operačních zesilovačů s kmitočtem snižuje. Při vyšších kmitočtech se rušení napájecího zdroje sčítá se signálem.
• Rušení vyvolané napájecím zdrojem zvyšuje nestabilitu časově řízených systémů (např. mobilní telefony, systémy obsahující A/D převodníky nebo hodiny reálného času). Nestabilita se zvyšuje, protože se rušení napájecího zdroje sčítá s logickým prahovým napětím. Když prahová úroveň napětí vzrůstá a klesá, bod přechodu spínání se pohybuje v čase, což vede k nestabilitě.
• Rušení vyzařované napájecím zdrojem se může přímo mísit se signálem a snižovat tak odstup signál/šum.
• Rušení napájecího zdroje snižuje pravděpodobnost splnění požadavků směrnice EMC. Mnoho produktů vyžaduje homologaci EMC (např. značku CE nebo splnění specifikací IEC nebo Mil–std). Testy normy EMC měří rušení vzniklé vedením i rušení vyzařované.

Základním nástrojem k vyhledávání a snižování vlivu rušení napájecího zdroje je spektrální analyzér. Pro analýzu použijeme CS328 USB osciloskop firmy Cleverscope, který zahrnuje signálový procesor a spektrální analyzér.

Jako příklad si uveďme komerční napájecí adaptér se stejnosměrným výstupem 12 V. Napájecí adaptér má univerzální vstup 90–260 V stř. a ke zpracování tohoto širokého rozsahu využívá spínaný zdroj (obr. 1).

Obr. 1 Měření zvlnění výstupního napětí (=110mV )

Spektrum signálu napájecího zdroje je znázorněno níže (obr. 2). Abychom znázornili skutečnou úroveň rušení a zvýraznili základní a 3. harmonickou, zvolili jsme zobrazení v napěťovém režimu (místo zobrazení v dB). Základní kmitočet spínání je 227,9 kHz.

Obr. 2 Měření základního kmitočtu spínání

Díky tomuto poznatku můžeme pokračovat v hledání příznaku spínacího režimu v zařízení, které je z adaptéru napájeno, a minimalizovat jej i při možné přítomnosti jiných signálů.

Lze uskutečnit i další metody měření rušení napájecího zdroje: rušení vedením lze měřit širokopásmovou proudovou sondou umístěnou podél napájecího kabelu zařízení. Vyzařované rušení lze změřit pomocí vhodných EMC antén.

Nakonec je často vhodné si ověřit, zda rychlost přeběhu všech napěťových hran odpovídá návrhu a nedochází k zakmitávání ani k oscilacím. Na obr. 3 si můžeme podrobně prozkoumat jednu hranu.

Obr. 3 Detailní kontrola napěťových hran

Přístroje Cleverscope nabízí při analýze rušení napájecích zdrojů oproti klasickým osciloskopům několik výhod. Jedná se o:

• Kopírování a vkládání zobrazených průběhů nebo spektra do dokumentu. Přidání stručného popisu zobrazení a pozdější srovnání s výsledky získanými po úpravě je snadné.
• Systém měření a offsetu znamená, že si můžete prohlížet podrobnosti navrstvené na vrcholu stejnosměrné úrovně. Vertikální okno zobrazení využívá plný 10bitový dynamický rozsah A/D. Například u výstupu 12 V adaptéru bude 10bitový A/D rozsah pokrývat napěťový rozsah 11,95–12,15 V. Rozlišení je 0,2 mV (200 mV/1000).
• U typických klasických PC osciloskopů bez offsetu by se musel používat rozsah +/–12 V. Tyto osciloskopy mají 8bitové rozlišení, což představuje napěťové rozlišení 94 mV (24 000 mV/256). Některé osciloskopy nabízí 12bitový režim bez offsetu, a mají rozlišení 5,9 mV (24 000 mV/4096).
• Metoda offsetu každopádně umožňuje prozkoumat 30× až 470× podrobnější detail. Stolní osciloskopy velmi populární značky nabízí rozsah offsetu pouhých +/–2 V, což znamená, že většinu napájecích zdrojů nelze zkoumat podrobně.
• V některých případech lze ke zvýšení rozlišení použít střídavou vazbu, ale stejnosměrná informace bude ztracena (ve většině případů by totiž později bylo vhodné vidět, jaká byla velikost stejnosměrné úrovně (12,025 V v příkladu)). Kromě toho informace, na které se možná budete chtít podívat, nemusí být na nulovém střídavém napětí (například spínaný výstup spínaného napájecího zdroje může kmitat mezi +0 V a +Vin. Nemůžete tak zkoumat úroveň +0,5 V ani +Vin, protože střídavá nula je na Vin/2).
• Řada moderních spínaných zdrojů pracuje v rozsahu 200 kHz–2 MHz. Můžeme očekávat harmonické kmitočty až do 11. harmonické (nebo 22 MHz při spínacím kmitočtu 2 MHz). Cleverscope vzorkuje při rychlosti 100 MSa/s, což vám poskytne okamžité spektrální zobrazení šířky pásma 50 MHz. Tato hodnota je více než dostačující k tomu, aby byl ve vašem obvodu nalezen spektrální příznak vysokofrekvenčního spínání. Anténou lze také zjistit vyzařování z desky plošných spojů nebo ze související kabeláže.
• Při vzorkování spínaných napájecích zdrojů Cleverscope zachová časové rozlišení 10 ns. To znamená, že po sejmutí vzorku můžete průběh zkoumat podrobně. V příkladu si možná budete chtít zkontrolovat časy náběhu a poklesu – obvod s nízkými emisemi EMC obvykle řídí rychlost přeběhu. Můžete si ověřit správnou rychlost přeběhu a zkontrolovat zakmitávání a oscilace. Většina standardních osciloskopů tento typ rozlišení nemá a výběr konkrétní hrany z nashromážděných hran a zobrazení detailu jsou obtížné.
• V příkladu je použit napájecí zdroj s řízenou rychlostí přeběhu. Celková doba přeběhu je 150 ns. Za krokem náběhu se vyskytuje malé zakmitávání, ale není významné. Všimněte si malých oscilací (na kmitočtu 17 MHz a s amplitudou 5 mV).

Obr. 4 USB osciloskop CS328