Zdieľaj článok na Sieť

Jak jsme se dozvěděli v předchozím článku v kapitole Výstupní zvlnění, DC-DC měniče ze svého principu funkce musí mít nějaké výstupní napěťové zvlnění, podobně jako vstupní proudové zvlnění. Je to dáno principem na kterém pracují, mosfet spíná a rozpíná v řádu desítek až stovek kHz, a kondenzátory nemají nekonečně malý odpor ESR a nekonečně velkou kapacitu, takže se to musí projevit.

V praxi měříme zejména výstupní zvlnění (anglicky ripple), protože to nás zajímá nejčastěji. Velké výstupní zvlnění může mít vliv na napájený obvod, který pak nebude pracovat správně. K tomu ještě přidejme nabalený šum.

Své testování DC měničů jsem po celou dobu napájel ze zdroje Riden RD6018W, a to pro jeho vysoký výkon a snadné ovládání. Tento konkrétní model zdroje je však znám svým poměrně vysokým výstupním zvlněním. Kdybych přímo z něj živil testovaný měnič, tak se na mém měření projeví i zvlnění pocházející ze zdroje Riden. Zbývají dvě možnosti: Buďto budu měnič napájet z baterie, kterou však budu muset mezi měřeními dobíjet, a navíc budu potřebovat baterie o napětí 5V, 12V a 20V, abych pokryl celou škálu vstupních napětí v tomto testu. Druhá možnost se zdála snažší – odfiltrovat Riden. Možná pamatujete můj zmiňovaný Obrázek 12 - CLCLCLC filtr 98 Hz 10 A 35 V s XT60, tento filtr se zdál být vhodným. Avšak byl stavěn spíš na sílu a na menší frekvence, než na vyšší frekvence. Jako kapacity jsem použil elektrolytických kondenzátorů relativně nízké kvality (a až nechutně nízké ceny, takže je používám hodně), a tyto kondenzátory na vysoké frekvence reagují už spíše jako odpor než jako kapacita. Dokonce od určité frekvence se některé slabší kousky (vyhřáté) mohou chovat tak trošku obráceně – může u nich převládat indukčnost. Taková otočka na patách o 180°.

A tak jsem se rozhodl tento filtr ještě posílit z obou stran. Ze strany zdroje jsem přidal další filtr, podobných mechanických proporcí, avšak stavěný na pokrytí výrazně vyšších frekvencí, a to za použití 50V keramických kondenzátorů, které polykají stovky kilohertz jako nic. Kvůli možné rezonanci, abych si nedopálil zdroj jsem na kraje zdroje přidal polymerové kondenzátory 1000μF / 35V, které by měly zabránit větším kmitům, a ochránit tak zařízení na koncích filtru. Polymerové kondenzátory jsou ve všech parametrech napřed proti klasickým elektrolytickým. Mají mnohem delší životnost, a zvládají lépe vysoké teploty i vysoké frekvence. Jejich cena je však skoro o řád vyšší, takže je používám jen v dobře zdůvodnitelných případech, kde je vyžadován kondenzátor takových kvalit. Samozřejmě by to chtělo na omezení kmitání ještě antiparalelní schottkyho diody a transily na oba konce, ale to snad někdy příště, na to jsem moc líný.

CLCLC filtr 250Hz 10A + CLCLCLC filtr 98Hz 10A + 20 farad 16,2V supercap banka

Na obrázku můžeme vidět, že jsem tento filtr na vyšší frekvence dal blíže ke zdroji, abychom zbytečně nezatěžovali elektrolyty vysokými frekvencemi, se kterými toho stejně moc nezmůžou. Nakonec jsem ještě pro pořádnou stabilitu umístil banku z 6x 2,7V 120F superkondenzátorů. Takový sicher. Zase ale na druhou stranu, kdyby nastal problém, například zkrat na výstupu měniče, tak i po vypnutí zdroje budou superkondenzátory vesele dodávat desítky (možná přes 100) ampér, což spolehlivě dokoná dílo zkázy. A takyže se to stalo. Během měření jsem omylem vyzkratoval výstup boost měniče ST60. Než jsem stihl zareagovat, jedna ze součástek začala emitovat fotony viditelného spektra, přičemž Riden už přešel na režim proudového omezení CC = 10A a jen jsem viděl jak klesá napětí (jak se supercapy vybíjí a 10A proud ze zdroje je nedostačující). Bylo již pozdě cokoliv udělat, měnič byl zničen.

Jako zátěž jsem používal klasické výkonové rezistory. Pro 24V jsem musel sestrojit i vlastní jednoduchou terminaci k osciloskopu - 51Ω/5W. Průchozí i koncové terminátory co mám totiž zvládají jen do 10V RMS, utavily by se.

Měření zkreslení, zde boost měniče DD03AJTA

Zvlnění měniče buck-boost "Miniature 5W"

Jak vidno ze snímku obrazovky osciloskopu, zvlnění se typicky skládá ze dvou složek. První složka o nejnižší frekvenci je nabíjecí a vybíjecí cyklus výstupních kapacit a defacto i složka vycházející ze samotné funkce měniče. Druhá složka je nějaké nabalení kmitání. Tento měnič má dvě tlumivky a 3 kondenzátory, hodně prostoru pro kmitání, naštěstí tlumené a nedestruktivní. I když, zhodnocení jeho destruktivity nechme raději na obvodu, který by z takového měniče byl napájen.

Tento snímek vypovídá docela zajímavě – osciloskop totiž pro své automatické měření vyhodnotil ono kmitání jako majoritní frekvenci (na FFT se mi to nechtělo ověřovat), a tak frekvenci tohoto kmitání ukázal v automatickém měření na spodu obrazovky. 41,67 MHz. Říkám si, že je škoda, že jsem měl v tu dobu na kanále CH1 aktivovaný BW limit 20MHz, protože by ty zákmity mohly být ve skutečnosti mnohem agresivnější. Pro změření pracovní frekvence spínacího mosfetu měniče jsem použil kurzory. Změřená pracovní frekvence činí cca 1,2 MHz.

BW limit používám proto, jelikož když přepnu v acquire menu osciloskop do režimu paměti 8 Mpts, tak osciloskop použije mnohem rychlejší vzorkování a nasbírá všechno kolem sebe. Signál se mi pak ztrácí v šumu, který může být generován v podstatě čímkoliv. Druhé řešení by bylo nechat osciloskop pracovat s například 2000x nižší pamětí, 4 kpts, ale to bych si pak nemohl tak horlivě přibližovat naměřené snímky (single shoty – jednotlivá zastavená měření). Majitelé analogových osciloskopů teď jistě vůbec nechápou o čem mluvím, ale majitelé digitálních osciloskopů naštěstí ano. Jedná se o to, že výstupy měničů jsou tak zašuměné a všelijak se kroutící, že trigger (spuštění časové základny) nemá šanci se udržet na jednom konkrétním místě, a obraz mi pak poskakuje doleva doprava jak zajíc když se ho snažím nepřejet. Řešení je prosté – využít jednu z tuctů výhod digitálních osciloskopů, a prostě provést jen tzv. single shot – osciloskop nechá trigger spustit měření, jehož data ihned ukáže na obrazovce, načež zastaví měření, a na obrazovce mi nechá získaný průběh, abych si s ním mohl libovolně hrát. Při měření zvlnění měničů jsem používal single režim téměř výhradně. Jen když se měniče chovaly prapodivně, tak jsem nechal osciloskop v klasickém run režim, abych viděl co se to vlastně děje v reálném čase.

Měniče pracující na takto obrovsky vysokých frekvencích mají jednu výhodu – velmi snadno se jejich výstup filtruje. Takový CLC filtr na 1A proud a frekvenci řekněme kolem 20 kHz bude velmi jednoduchý a malý, dost možná jako nehet. Měniče však obvykle pracují na mnohem nižších frekvencích, které se filtrují už složitěji, viz následující obrázek.

Pracovní frekvence běžnějšího měniče

A teď další zádrhel, jak ono zvlnění zaznamenat? Zaprvé, signál je posunut o stabilní DC offset o velikosti výstupního napětí, který nás pro naše měření v podstatě nezajímá. Této složky jsem se zbavil jako první, a to AC vazbou kanálu osciloskopu. Kdo má to zvlnění hledat někde dva kilometry vysoko na 24V signálu, že? Máme tu dále hlavní složku vyplývající ze spínání tranzistoru, na které záleží asi nejvíc, ale také nemůžeme ignorovat zákmity způsobené otvíráním a zavíráním tranzistoru, a další nalepený nepořádek. Napadlo mě pro každý režim provozu měniče zaznamenat napětí špička – špička (Volt peak-peak, VP-P), a také zaznamenat amplitudu. Amplituda je v podstatě velmi podobná VP-P, akorát se do ní nezapočítává nabalený nepořádek. Pro měření amplitudy bych musel najít vhodné místo signálu, které nebude mít moc zarušené vrcholky, a pak na ně štelovat napěťové kurzory. Jenže občas to prostě nejde, jako je například vidět v obou předchozích obrázcích. Respektive šlo by to, musel bych před osciloskop zařadit laditelný filtr, abych zachoval hlavní složku vyplývající ze spínaní, a účinně odfiltroval rezonance a další nepořádek. Ale to bych to měřil dva týdny.

Tak jsem se rozhodl využít funkce měření RMS hodnoty napětí. RMS hodnota napětí je vlastně jeho tepelný potenciál – naznačuje skutečný výkon, jaký by takové napětí přineslo do rezistivní zátěže. Sice neexaktně řečeno, ale snad to někteří pochopili. V RMS hodnotě se více projeví složky o nižších frekvencích – složky, které signál posouvají dál od vodorovné osy na delší časové úseky. A naopak, sem tam nějaký sice vysoký, ale neskutečně krátce trvající zákmit podobající se spíše Diracovu jednotkovému impulzu, ten se v RMS hodnotě téměř neprojeví. Protože jak je úzký, tak plocha kterou ohraničuje (svírá) je velmi malá. A tedy i RMS hodnota, jakou takový puls nese je mizivá v porovnání s širokými vlnami nabíjení a vybíjení výstupního kondenzátoru. Do tabulek jsem tedy zaznamenával hodnoty z automatického měření osciloskopu, a to V_P-P a V_RMS. V_P-P se hodí pro provozování zařízení citlivých na napěťové špičky (např. MOS technologie). V_RMS zase reflektuje reálnou velikost účinného zvlnění.

Ale dost už povídání. Zvlnění jsem změřil pro všechny doporučované měniče, vyjma nabíjecích pro mobily.

Zvlnění BUCK měničů

Zvlnění BOOST měničů

Zvlnění BUCK-BOOST měničů. První polovina pro BUCK, druhá pro BOOST

Závěr části praktické

V praktické části jsme se zahltili tabulkami, a vždy na konci kapitoly buck, kapitoly boost a kapitoly buck-boost jsme si shrnuli obsah tabulky v provedení výběru několik favoritů, které jsou dle mého názoru ty nejlepší měniče z testu.

V testu zvlnění jsme si vysvětlili aspekty a záludnosti ohledně tohoto parametru měničů. Zvlnění jsem měřil pouze pro vítězné měniče z testu účinnosti (protože u nich to má reálný smysl). Tyto hodnoty poslouží komukoliv, kdo by vybíral měnič pro své například radiozařízení. Případně to poukáže na nutnost použití přídavného filtru na výstup. Taková zajímavost – měnič boost ZK-S4 vykazoval velmi malinké zvlnění i impulzy – on má totiž výstupní filtraci provedenu jako CLC filtr. Kde všechny ostatní měniče mají jen pár kondenzátorů, tento měnič má plnohodnotnou výstupní filtraci s tlumivkou a kondenzátory na obou stranách. Přesně jak to má být.