TEKNİK DOKÜMANLAR

Askeri ve Sivil Projelerde DC-DC Çevirici Devrelerinde Ripple ve Gürültü Ölçüm Teknikleri

1. İNDEKS

İndeks
KISACA
GİRİŞ
DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜ HUSUSLARI
SEÇTİĞİNİZ DC-DC GÜÇ KAYNAĞI ÇIKIŞINDAKİ DALGALANMA (RIPPLE) NELER YAPABİLİR?
"DALGALANMA (RIPPLE) VE GÜRÜLTÜ (NOISE) NEDİR?
RIPPLE'I ETKİLEYEN TEMEL FAKTÖRLER
DALGALANMA(RIPPLE) VE GÜRÜLTÜ KAYNAĞI
RIPPLE VE NOISE NEDİR, DATASHEET NEYİ ÖLÇÜYOR?
RIPPLE ‘ IN BASİTÇE ÖLÇÜMÜ NASIL YAPILIR? ARAÇLAR VE EKİPMANLAR…
RIPPLE ÖLÇÜMÜNDE YAKINSAMALAR VE DURUM DEĞERLENDİRMESİ
DOĞRU RİPPLE ÖLÇÜMÜ YAPABİLMEK İÇİN BİLİNMESİ GEREKENLER
YAYGIN KULLANILAN TEST YÖNTEMLERİ
TEST KURULUMU TASARIMINDA DİKKATE ALINMASI GEREKEN HUSUSLAR
DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİN ÇIKIŞ GÜRÜLTÜSÜNÜN ÖLÇÜLMESİ VE FİLTRELENMESİ
ÖLÇÜM ÖNLEMLERİ VE PRATİK İPUÇLARI
ATQ150-WH36SXX KISA TEKNİK ÖZETİ
DOĞRU RIPPLE ÖLÇÜMÜ İÇİN REFERANS TEST KURULUMU
SAYISAL ANALİZ: RİPPLE YÜZDESİ VE FİLTRE ETKİSİ
ÖLÇÜM SENARYOSU: “DATASHEET’TEN FARKLI GÖRÜNEN” DURUMLARI OKUMA
ÖLÇÜM CHECKLİST’İ (KUTU İÇİNDE ÖNE ÇIKARILABİLİR)
RIPPLE SONUÇLARI İLE MODÜLÜ DEĞERLENDİRMEK
DALGALANMA (RIPPLE) AZALTMA SEÇENEKLERİ

"Askeri ve Sivil Projelerde DC-DC Çevirici Devrelerinde Ripple ve Gürültü Azaltma Teknikleri" isimli yazımıza bu linke tıklayarak ulaşabilirsiniz...

2. KISACA

Anahtarlamalı güç kaynakları, voltaj ve akım dalga formlarının doğrusal olmayan yapısı nedeniyle, çalışmaları sırasında doğal olarak bir miktar gürültü üretir. Bu gürültünün bir kısmı çıkış voltaj terminallerinde görünecek ve nihayetinde yük tarafından "görülecektir".

Birçok modern sunucunun yanı sıra telekom ve ağ ekipmanı, entegre devrelere veya alt devrelere güç sağlamak için sistem kartında birden fazla voltaj regülatörü içerir. Bu güç hatları genellikle çok dar voltaj toleranslarına (<%1) sahiptir. Tam bant genişliğinde dalgalanma voltajı ölçümü gibi güç bütünlüğü ölçümü, sistem tasarım gereksinimlerini karşılamak için kritik öneme sahiptir.

Bazı uygulamalar için ne kadar gürültünün olduğunu anlamak kritik öneme sahip olabilir; bu nedenle, bir satıcı veri sayfasında bunlar için maksimum değerleri belirttiğinde, bunun nasıl ölçüldüğünü bilmemiz gerekir. Bunu ölçebilmek çok önemlidir ve bu makale, bir güç kaynağındaki dalgalanma ve gürültüyü ölçmek için kullanılabilecek çeşitli yöntemleri ve bunların algılanan ölçülen değerleri nasıl etkileyebileceğini ele almaktadır.

Anahtarlamalı güç kaynakları, doğrusal voltaj regülasyonuna kıyasla yüksek verimlilik, yani düşük güç kaybı gibi temel bir avantaja sahiptir. Ancak, çıkışlarında dalgalanma ve gürültünün varlığı konusunda önemli bir husus vardır. Dalgalanma ve gürültü filtrelenmeden bırakılırsa, seviyeleri aynı güç kaynağına bağlı diğer cihazları olumsuz etkileyecek kadar yüksek olabilir. Neyse ki, dalgalanma ve gürültünün etkisini uygun maliyetli bir şekilde azaltmanın yöntemleri mevcuttur.

3. GİRİŞ

Çıkış gürültüsünün iki farklı bileşeni vardır. Bunlara genellikle "RIPPLE" ve "gürültü" denir. Bunların ne olduğunu, nasıl oluştuğunu ve her birinin nasıl doğru bir şekilde ölçüleceğini tanımlamak, herhangi bir güç kaynağının bir sisteme entegre edildiğinde nasıl performans göstermesini beklediğimizi doğru bir şekilde yorumlamamızı sağlayacaktır.

DC-DC güç dönüştürücüler, elektronik cihazlarda voltaj seviyelerini ayarlamak için yaygın olarak kullanılır. Ancak, bu dönüştürücüleri çalıştıran yüksek frekanslı anahtarlama devreleri genellikle dalgalanma voltajı ve akımı üretir; bu da cihaz performansını etkileyebilecek dengesiz bileşenlerdir. Kabul edilebilir dalgalanma seviyesi, uygulamaya bağlı olarak değişir; hassas sistemler minimum dalgalanma gerektirirken, daha az kritik cihazlar daha yüksek dalgalanma seviyelerine dayanabilir.

Hassas Uygulamalarda Dalgalanma: ses amplifikatörleri veya analog sinyal işlemcileri gibi uygulamalarda, gürültü veya sinyal bozulmasını önlemek için dalgalanma en aza indirilmelidir. Bu durumlarda, dalgalanma birkaç milivoltun altında tutulmalıdır. Öte yandan, akıllı telefonlar gibi tüketici elektroniği cihazları, piller gibi dahili filtreleme mekanizmaları nedeniyle daha yüksek dalgalanmalara tolerans gösterebilir.

DC-DC dönüştürücünün özellikleri, yük, pasif bileşenlerin elektriksel özellikleri ve mevcut PCB alanı, tasarımcının seçeneklerini daha da kısıtlayan ek tasarım kısıtlamaları sunar. Tasarımcı, geçici ve gürültü gereksinimlerini karşılayacak şekilde optimize edilmiş bir DC-DC dönüştürücü ile tasarıma başlayamazsa, bu görev daha da zorlaşır. Bu durum, şirket içi tasarım kaynağı eksikliğinden, kısa bir tasarım süresinden veya onaylı tedarikçi listesindeki ürünleri kullanma isteğinden kaynaklanabilir. Bu durumda, yüksek verimli, hazır bir DC-DC dönüştürücü kullanılabilir.

4. DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜ HUSUSLARI

Düşük gürültü ve hızlı geçici tepki için bir "güç sistemi"nin optimize edilmesiyle ilgili sorunları doğru bir şekilde anlamak için, öncelikle DC-DC dönüştürücünün temel performansını belirlemek önemlidir.

Günümüzde piyasada bulunan birçok yüksek yoğunluklu anahtarlama modlu güç dönüştürücü, dönüştürücü seçiminde en sık kullanılan kriterlerden ikisi olan güç yoğunluğu ve verimliliği optimize etmek üzere tasarlanmıştır.

DC-DC dönüştürücüler, toplam güç sisteminin yalnızca bir parçasıdır, bir bileşendir, eksiksiz bir çözüm değildir. Bazı dönüştürücülerin çıkış dalgalanması ve gürültü seviyeleri günümüzün uç sistemlerinin ihtiyaçları için yeterli olsa da, daha hassas analog veya dijital sistemlerin bazıları için yeterli olmayabilir.

Ve bir güç bileşeni olarak, DC-DC dönüştürücü genellikle yük geçici durumlarını desteklemek için iyi bir akım kaynağı "motoru" sağlar, ancak genellikle çok fazla dahili enerji depolama kapasitesine sahip değildir.

Düşük dalgalanma ve hızlı geçici tepki gibi parametreler, yoğunluk ve verimlilik açısından tasarım dengeleridir ve özel ihtiyaçlar uygulamadan uygulamaya değişebileceğinden, DC-DC üreticisi, bu parametreleri dönüştürücüye dahili olarak eklemek yerine, harici bileşenler kullanarak daha da optimize etmek için yöntemler sunacaktır.

Dönüştürücünün düşük gürültü ve hızlı geçici tepki için (harici bileşenlerle) optimize edilebilme yeteneği, dönüştürücü topolojisine, anahtarlama frekansına ve dönüştürücü üreticisinin harici bileşenlerin kullanımına getirebileceği sınırlamalara (örneğin, maksimum yük kapasitansı) bağlı olacaktır.

5. SEÇTİĞİNİZ DC-DC GÜÇ KAYNAĞI ÇIKIŞINDAKİ DALGALANMA (RIPPLE) NELER YAPABİLİR?

Dalgalanma (ripple), DCDC güç dönüştürücülerinin verimliliğini düşürür; iletim ve anahtarlama kayıplarını artırır, güç kalitesini bozar.
Kapasitör boyutu, dielektrik tipi ve ESR değeri dalgalanma seviyesini doğrudan belirler; yanlış seçilmiş veya yetersiz kapasitörler ripple’ı ve dolayısıyla kayıpları ciddi şekilde artırabilir.
Endüktörler, akımdaki ani akım değişimlerini yumuşatarak ripple akımını sınırlar; yanlış seçilmiş endüktör, hem dalgalanmayı hem de ısınmayı artırabilir.
Aktif filtreleme ve gelişmiş kontrol algoritmaları, yük ve giriş koşulları değiştikçe dalgalanmaya dinamik olarak uyum sağlayarak daha düşük ve kararlı ripple seviyeleri elde edilmesini sağlar.
Doğrusal olmayan yükler (motor sürücüler, anahtarlamalı dijital yükler vb.), sistemdeki dalgalanmayı ve harmonikleri artırarak hem güç kaynağını hem de EMI performansını zorlar.
Dalgalanma akımı, kapasitörler, endüktörler, MOSFET’ler ve doğrultucu diyotlar üzerinde ek termal stres oluşturarak bileşenlerin aşırı ısınmasına, hızlanmış yaşlanmasına ve sonuçta ömür kısalmasına neden olabilir.
Uzun vadede yüksek ripple; güç kaynağının ve bağlı cihazların güvenilirliğini düşürür, MTBF değerini olumsuz etkiler ve ani arıza (catastrophic failure) riskini artırır.
Yetersiz bastırılmış dalgalanma, güç kaynağı kontrol döngüsünde kararsızlık, osilasyon ve istenmeyen geçici rejimlere yol açarak tüm sistemin çalışma kararlılığını bozabilir.
Dijital devrelerde ripple, besleme rayını oynatarak mantık eşiklerini etkiler; bu durum hatalı tetiklemelere, beklenmedik reset’lere ve veri bütünlüğü sorunlarına neden olabilir.
Haberleşme, ölçüm ve ölçü aletlerinde dalgalanma; gürültü tabanını yükselterek SNR’ı düşürür, hassas ölçümlerde ofset ve jitter oluşturur, uzun vadede yanlış ölçümlere ve sistem hatalarına sebep olabilir.
Dalgalanma gürültüsünün, EMI filtresinin rezonans frekanslarında olduğu durumlarda; zayıf veya sönümsüz filtre tasarımları ripple’ı büyüterek aşırı gerilim/akım koşullarına, bileşen hasarına ve EMC testlerinde başarısızlığa yol açabilir.
Ripple seviyesinin yüksek olması, EMI/EMC performansını doğrudan kötüleştirir; iletilen ve yayılan emisyonları artırır, özellikle hassas endüstriyel, tıbbi ve haberleşme ekipmanlarında standartlara uyumu zorlaştırır.
Yenilenebilir enerji sistemlerinde (güneş, rüzgâr vb.) ve elektrikli araçlarda, güç dönüştürücüler üzerindeki dalgalanma; batarya, motor sürücü ve haberleşme birimleri gibi kritik blokların ömrünü, verimini ve güvenliğini doğrudan etkiler; bu nedenle yüksek performanslı kapasitör/indüktör seçimi ve iyi kontrol stratejileri şarttır.
Savunma, havacılık ve uzay uygulamalarında, aviyonik ve yerleşik sistemlerin hassas yapısı nedeniyle dalgalanma azaltma teknikleri çok daha sıkıdır; yetersiz bastırılmış ripple, navigasyon, görev bilgisayarları ve haberleşme sistemlerinde hatalara ve görev güvenliği problemlerine neden olabilir.
Anahtarlama işlemi sırasında oluşan yüksek gerilim dalgalanmaları, DCDC dönüştürücünün izolasyon elemanları (trafo, izolasyon kapasitörleri) ve alt akım elektroniği üzerinde ek dv/dt ve izolasyon stresi oluşturarak dielektrik yorgunluğa ve izolasyon bozulmalarına yol açabilir.
Güç kaynağında taşınan dalgalanma, harmonik içeriği artırarak sistemin toplam güç faktörünü ve verimliliğini düşürür; özellikle çok sayıda dönüştürücünün paralel çalıştığı sistemlerde şebekeye/ana bara’ya binen yük profilini bozar.
Daha yüksek dalgalanma, anlık aşırı gerilim veya aşırı akım pikleri üreterek elektrikli ekipmanın anormal çalışmasına, erken eskimesine ya da koruma devrelerinin gereksiz yere tetiklenmesine neden olabilir.
ADC/DAC ve referans gerilim kaynaklarında, besleme dalgalanması referans rayına kuplaj yaparak LSB seviyesinde hatalar, ofset kaymaları ve efektif çözünürlükte (ENOB) düşüşe yol açar; ölçüm ve kontrol sistemlerinde hassasiyeti bozar.
Saat (clock), PLL ve yüksek hızlı seri arayüzlerde, besleme ripple’i faz gürültüsünü ve jitter’ı artırır; bu da veri hataları, link kararsızlığı ve timing margin’lerin daralması olarak geri döner.
Güç dağıtım ağında (PDN) yüksek dalgalanma ve zayıf sönümlü rezonanslar, çoklu güç rayları arasında karşılıklı kuplaj (cross-coupling) oluşturarak bir rail’deki gürültünün başka rail’lerde de görünmesine neden olabilir.
Paralel çalışan veya akım paylaşımı (current sharing) yapan birden fazla DCDC modülde, ripple ve dinamik davranış farklılıkları; akım paylaşım dengesini bozup bazı modüllerin aşırı yüklenmesine ve erken arızalanmasına yol açabilir.
Güç manyetiklerinde (özellikle toroidal veya planar endüktör/trafo çekirdeklerinde), yüksek ripple akımı ve akı dalgalanması, manyetostriksyon kaynaklı mekanik titreşim ve “coil whine” tarzı duyulabilir gürültü üretebilir; bu da hem konfor hem de EMC açısından istenmeyen bir durumdur.
Yüksek ripple akımı, büyük gövde SMD kapasitörler ve bobinlerde tekrarlı termal genleşme/soğuma döngüleri oluşturarak lehim bağlantılarında mikro çatlaklara ve orta–uzun vadeli mekanik arızalara zemin hazırlar.
Demiryolu, otomotiv, havacılık ve askeri standartlarda (EN 50155, ISO 7637, MIL-STD-1275, MIL-STD-704, DO-160 vb.) güç kalitesi sınırları, ripple ve transient seviyelerini doğrudan kısıtlar; bu sınırların üzerinde bir dalgalanma, ürünün sertifikasyon sürecinde reddedilmesine sebep olabilir.

Otomotiv uygulamalarında (ICE + EV/HEV):

12 V / 48 V baralar üzerindeki ripple; ECU’lar, ADAS kameraları, radarlar, infotainment ve telematik birimlerde data hatalarına ve reset’lere neden olabilir.
Akü şarj sistemleri ve DC-DC konvertörlerde yüksek ripple, batarya ömrünü kısaltır ve EMI problemlerini artırır.

Telekom ve veri merkezi uygulamalarında:

FPGA, CPU, SerDes ve yüksek hızlı backplane’leri besleyen POL dönüştürücülere gelen ripple; jitter’i ve bit error rate’i (BER) yükselterek link kararlılığını düşürür.
Yüksek ripple, raf bazlı güç modüllerinde parazitik dolaşım akımlarını artırıp güç dağıtımını dengesiz hale getirebilir.

Endüstriyel otomasyon sistemlerinde:

PLC, fieldbus (PROFIBUS, CAN, EtherCAT vb.) ve sensör beslemelerinde ripple, sahadan okunan analog değerleri ve haberleşme güvenilirliğini bozar.
Motor sürücüler ve inverterlerle etkileşim, hat üzerinde ek EMI ve harmonik sorunlarına yol açar.

Tıbbi cihazlarda (IEC 60601 vb.):

Hasta başı monitör, görüntüleme sistemleri ve life-critical cihazlarda ripple, ölçüm hassasiyetini ve hasta güvenliğini etkiler; hem elektriksel güvenlik limitleri hem de leakage current ve gürültü limitleri açısından sıkı kontrol gerektirir.

Demiryolu ve denizcilik uygulamalarında:

Besleme hatlarındaki ripple, ağır ortamda çalışan kontrol, haberleşme ve güvenlik sistemlerinde yanlış tetiklemelere ve arızalara sebep olabilir; aynı zamanda uzun kablo hatları üzerinden EMI problemlerini büyütür.
Genel olarak yüksek dalgalanma; verimlilik kaybı, artmış ısınma, EMI problemleri, ölçüm ve haberleşme hataları, kontrol kararsızlığı, izolasyon ve mekanik stres, akım paylaşım bozuklukları ve ömür kısalması gibi bir dizi olumsuz etkiyi tetikleyerek DCDC dönüştürücü ile beslenen tüm elektronik sistemin performansını ve güvenilirliğini aşağı çeker.

6. "DALGALANMA (RIPPLE) VE GÜRÜLTÜ (NOISE) NEDİR?

Power Ripple Nasıl Üretilir? Doğrusal ve anahtarlamalı güç kaynakları, yaygın olarak kullandığımız iki tür güç kaynağıdır. AC voltajı, çıkış DC voltajını üretmek için doğrultulur, filtrelenir ve stabilize edilir. Filtreleme yeterince iyi olmadığı için, periyodik ve rastgele bileşenlere sahip parazit sinyalleri DC seviyesine ulaşır ve dalgalanmalara neden olur. Dalgalanma voltajı olarak adlandırılan voltaj, nominal çıkış voltajı ve akımı durumunda çıkış DC voltajındaki AC voltajının tepe değeridir. Dalgalanma, çok boyutlu bir parazit sinyalidir. Çıkış DC voltajı etrafında yukarı ve aşağı değişen periyodik bir sinyaldir, ancak periyot ve genlik sabit değildir ve farklı güç kaynaklarının dalgalanmaları zamanla değişir. Ayrıca, dalga formları da farklıdır.

Dalgalanma(Ripple), dönüştürücünün çalışma döngüsünün bir bölümünde birincilden sekondere enerji aktarılması ve çıkış voltajının hafifçe artması nedeniyle oluşur. Sekondere enerji aktarımı olmadığı zaman aralığında, yük akımı dönüştürücünün çıkış kapasitansı ve endüktansında depolanan enerji tarafından sağlanır ve bu enerji tükendikçe çıkış voltajı hafifçe düşer. Dalgalanma, düşük frekanslı bir bileşendir ve dönüştürücünün çalışma frekansıyla aynı frekansta veya bunun bir katında meydana gelir.

Şekil 1, çıkış ripple/dalgalanma voltajı

Şekil 2 ise dalgalanma voltajını ve gürültü bileşenini temsil eder. Dalgalanma gerilimi, Ara Nokta Dönüştürücüler için anahtarlama frekansında gerçekleşir ve esas olarak konvertörün çıkış filtresi indüktöründeki değişen akım (bir flyback dönüştürücü için indüktör ve ana transformatör birdir), filtre kapasitörlerinin değeri, eşdeğer seri direnci (ESR) ve belli bir ölçüde yük direnciyle belirlenir.

Gürültü(Noise), "RIPPLE"dan çok daha değişkendir ve tahmin edilmesi daha zordur. Bir anahtarlama dönüştürücüsünde dahili olarak oluşan yüksek di/dt değerleri nedeniyle parazitik endüktanslardaki çınlamadan kaynaklanır. Gürültü/Noise, dönüştürücüdeki anahtarlama aktivitesi sırasında "patlamalar" şeklinde meydana gelir, bu nedenle Şekil 2'de gösterildiği gibi dalgalanma dalga formunun tepe ve çukur noktalarına binmiş gibi görünür.

Şekil 3a : Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise)

Şekil 3b : Diğer bir gösterim (Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise))

Şekil-4: Tam Köprü Doğrultucu Devresi

Şekil 4'de gösterilen dalgalanma voltajı, düşük frekanslı dalgalanma voltajıdır. AC'den DC'ye veya DC'den DC'ye dönüştürücüler gibi daha yüksek frekanslı uygulamalarda dalgalanma voltajının frekansı daha yüksek olabilir.

Şekil-5: DC-DC Çevirici

Şekil 5, bir DC/DC dönüştürücünün şematik diyagramıdır. MOSFET'in anahtarlanması sırasında voltaj gürültüsü üretilir ve transformatör aracılığıyla çıkış tarafına bağlanır. Ve son olarak çıkış kapasitöründe ölçülen dalgalanma, gürültü bileşenlerini içeren bir dalgalanma voltajıdır.

Ripple ve gürültü öğelerin nasıl ölçüleceğini bilmek karmaşık değildir, ancak neyi ölçtüğünüzü anlamanızı gerektirir. Ayrıca, ölçüm tekniklerinizin doğru ve tekrarlanabilir olduğundan ve bu ölçümleri aldıktan sonra gördüklerinizi doğru yorumladığınızdan emin olmalısınız.

Aslında, bir güç kaynağındaki düşük seviyeli sinyalleri ölçmek zorluklardan muaf değildir. Ölçüm değerlerini ilişkilendirmek genellikle oldukça zordur; bunlar büyük ölçüde kuruluma, ölçüm ekipmanına ve ölçüm noktasına bağlıdır. Bu durum, özellikle bir güç kaynağının çıkış dalgalanmasını ve gürültüsünü ölçmek söz konusu olduğunda geçerlidir.

DC/DC dönüştürücülerde çıkış dalgalanması(ripple) ve gürültüsünü(noise) ölçmek için endüstri çapında bir standart bulunmamaktadır.

Yöntemler ve test düzenekleri tedarikçiden tedarikçiye değişmekte ve bu durum bazen kafa karışıklığına neden olabilmektedir.

ATAQ, kullanıcıya anlamlı ve tekrarlanabilir sonuçlar veren yöntemler kullanmaktadır, ancak geniş güç seviyeleri ve son kullanım uygulamaları yelpazesi nedeniyle kullanılan test yöntemleri ve varsayımlar tüm ATAQ ürün serileri için aynı değildir.

Bu tasarım notunun amacı, endüstride ve ATAQ bünyesinde en yaygın kullanılan yöntemleri özetlemek ve test metodolojisinin tipik bir DC/DC dönüştürücünün çıkış dalgalanması ve gürültü okumasını nasıl etkileyebileceğini göstermektir.

Dış gürültünün alınmasını en aza indirecek şekilde test düzeneği için düzen tasarım uygulamaları ele alınacaktır. Gürültü ölçümlerinin tekrarlanabilirliğini ve önemini artırmak amacıyla alçak geçiren filtrelerin kullanımı ve tasarımı ile ürün çıkışında kapasitans kullanımı açıklanacaktır.

Farklı ölçüm tekniklerinin tipik bir ürün üzerindeki etkilerini özetleyen bir örnek gösterilecektir.

DC çıkış voltajına sahip tüm anahtarlamalı güç dönüştürücülerinin çıkışında bir miktar dalgalanma ve gürültü bileşeni bulunur. Dalgalanma ve gürültü, DC çıkış voltajına bindirilmiş bir AC dalga formu olarak ortaya çıkar. Bu AC bileşeninin genliği genellikle tepeden tepeye on ile birkaç yüz milivolt mertebesindedir. Dalgalanma ve gürültü, ürünün topolojisinin ve dahili bileşenlerinin değerlerinin ve özelliklerinin bir sonucudur.

Dalgalanma, daha temel ve öngörülebilir bir unsurdur. Dalgalanma dalga formunun frekansı, kullanılan topolojiye bağlı olarak her zaman ürünün temel çalışma frekansında veya bunun bir katındadır. Dolayısıyla, örneğin 100 kHz'de çalışan bir ürünün dalgalanma frekansı 100 kHz veya 200 kHz olabilir. Dalgalanma gerilim dalga formu, ürün çalışma döngüsü boyunca komütasyon yaparken çıkış filtre kapasitansının (hem dahili hem de harici) şarj ve deşarjını temsil eder.

Kusursuz bileşenlere sahip bir üründe, "RIPPLE/DALGALANMA" çıkış voltajındaki AC bileşeninin tek bileşeni olacaktır.

Bileşenler kusursuz olmadığından, gürültü olarak adlandırılan başka bir AC elemanı daha vardır. Gürültü, ürünün içindeki akım anahtarlandığında ortaya çıkar.

Tüm yarı iletkenler ve kapasitörler, yapıları, paketlemeleri ve ara bağlantılarıyla ilişkili bir parazitik endüktif elemana sahip olduğundan, akım her hızlı anahtarlandığında geçici bir gerilim oluşur.

Verimliliği en üst düzeye çıkarmak için hızlı anahtarlama tercih edilir ve onlarca hatta yüzlerce amperlik akım seviyeleri söz konusu olduğunda, ortaya çıkan gürültü, ürünün paketleme ve yerleşim tasarımında son derece dikkatli olunsa bile fark edilir.

Yerleşimle ilişkili parazitik kapasitans, bu gürültüyü diğer devre elemanlarına bağlayabilir. Gürültünün büyük bir kısmı ürün içinde azaltılsa da, çıkışta bir miktar görülebilir.

Gürültü genellikle dalgalanma dalga formundaki geçiş noktalarında yüksek frekanslı ani yükselmeler veya çınlama olarak ortaya çıkar. Bu nedenle, dalgalanma ve gürültünün tepe-tepe ölçümü yapılırsa, gürültünün genliği genellikle Şekil 1'de gösterildiği gibi dalgalanma voltajına eklenecektir.

RIPPLE/DALGALANMA bileşeni nispeten sağlamdır ve çıkışa ek kapasitans eklenmesiyle yalnızca küçük bir miktar azaltılabilir.

Gürültü bileşeni çok daha düşük bir enerji içeriğine sahiptir ve genellikle ürünün çıkışında ve kritik yük bileşenlerinin girişinde kapasitans kullanılarak başarıyla azaltılabilir. Bu kapasitans, dağıtım sisteminin rezistif ve endüktif elemanlarıyla birlikte bir alçak geçiren filtre ağı oluşturur. Örneğin, çıkış gürültüsünü azaltmak için ürünün çıkış pinlerine yakın en az bir 0,1 µF seramik kapasitör kullanmak yaygın bir tasarım uygulamasıdır.

7. RIPPLE'I ETKİLEYEN TEMEL FAKTÖRLER

Yük Koşulları: Yük arttıkça dalgalanma artma eğilimindedir çünkü daha fazla akım gerekir.
Anahtarlama Frekansı: Daha yüksek anahtarlama frekansları dalgalanmayı azaltabilir ancak maliyeti ve karmaşıklığı artırabilir.
Tasarım Teknikleri: Kondansatör ve indüktör gibi filtrelerin kullanılması dalgalanmayı azaltmaya yardımcı olur, ancak bu durum sistemin maliyetini ve karmaşıklığını artırır.

Dalgalanmayı azaltmak önemli olsa da, genellikle dalgalanmayı en aza indirme ile genel dönüştürücü verimliliği arasında bir denge vardır. Gelişmiş filtreleme veya daha yüksek anahtarlama frekansları uygulamak, dönüştürücünün boyutunu ve maliyetini artırabilir ve bu da verimliliğini etkileyebilir. Tasarımcılar, verimli bir tasarım sağlarken istenen performansı elde etmek için bu faktörleri dengelemelidir.

Aşırı dalgalanma, elektronik sistemlerin uzun vadeli güvenilirliğini de etkileyebilir. Zamanla, kapasitörler ve transistörler gibi bileşenlerde dalgalanma kaynaklı sürekli stres, erken arızalara yol açabilir. Tıbbi cihazlar veya havacılık sistemleri gibi yüksek güvenilirlik gerektiren uygulamalarda, dalgalanmayı sıkı sınırlar içinde tutmak, sistemin dayanıklılığını ve uzun ömürlülüğünü sağlamak için kritik öneme sahiptir.

Özetle, ideal dalgalanma seviyesi uygulamaya bağlı olsa da, hassas sistemlerde dalgalanmayı en aza indirmek çok önemlidir. Yük koşulları, anahtarlama frekansı ve tasarım seçenekleri göz önünde bulundurularak dalgalanma, çeşitli cihazların ihtiyaçlarını karşılayacak şekilde kontrol edilebilir. Ayrıca, dalgalanma bastırma ile verimlilik ve uzun vadeli güvenilirliğin dengelenmesi, sağlam ve yüksek performanslı DC-DC dönüştürücüler tasarlamak için çok önemlidir.

Eğer ayrık(komponent bazında/ discrete) bir tasarım yapıyorsanız, aşağıdaki parametreler çok önem kazanır;

1. Filtre kapasitörü kullanın.
Filtre kondansatörü, dalgalanma voltajını azaltmak için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Uygun bir kapasitans değeri seçilerek, çıkış voltajındaki AC bileşenlerin çoğu filtrelenebilir ve böylece dalgalanma voltajı azaltılabilir. Genel olarak, kapasitans değeri ne kadar büyükse, filtreleme etkisi o kadar iyi olur. Ancak, yüksek bir kapasitans değerinin maliyeti ve hacmi artırabileceği, düşük bir kapasitans değerinin ise iyi filtreleme sonuçları sağlayamayacağı unutulmamalıdır.

2. Endüktansı artırın.
DC güç çıkış devresine endüktif bileşenler eklemek, dalgalanma voltajını etkili bir şekilde azaltabilir. Endüktif bileşenler, AC akıma karşı yüksek empedans gösterme özelliğine sahiptir ve bu nedenle devrelerde filtreleme görevi görür. Endüktif bileşenlerin sayısı ve değeri artırılarak dalgalanma voltajı daha da azaltılabilir. Endüktans bileşenlerinin seçiminin, belirli uygulama senaryolarına ve gereksinimlere göre optimize edilmesi gerektiği unutulmamalıdır.

3. Voltaj regülatörü kullanın.
Voltaj regülatörü, kararlı bir çıkış voltajı sağlayabilen, yaygın olarak kullanılan bir güç yönetim bileşenidir. Voltaj regülatörünün giriş ucuna dalgalanma voltajı girilerek, çıkış ucunda neredeyse hiç dalgalanma olmayan bir voltaj elde edilebilir. Regülatörler genellikle iç devrelerini sürekli ayarlayarak kararlı bir çıkış voltajı sağlamak için geri besleme kontrolü kullanır. Uygun bir voltaj regülatörü seçmek ve bir geri besleme devresi tasarlamak, dalgalanma voltajını etkili bir şekilde azaltabilir.

4. Güç kaynağı yerleşimini optimize edin.
Güç kaynağı yerleşiminin makul bir şekilde optimize edilmesi, dalgalanma voltajını azaltabilir. İlk olarak, yüksek frekanslı ve düşük frekanslı devreleri ayırmak önemlidir. Yüksek frekanslı ve düşük frekanslı devreler arasındaki girişim, dalgalanma voltajında artışa neden olabilir. İkinci olarak, güç kaynağı ile yük arasındaki kablolamaya dikkat etmek, kablo uzunluğunu azaltmak ve güç kaynağı ile yük arasındaki çapraz konuşmayı azaltmak için makul izolasyon önlemleri almak önemlidir. Böylece dalgalanma voltajı da azalır. Son olarak, topraklama kablosu devresinden kaynaklanan girişimi önlemek ve dalgalanma voltajını azaltmak için topraklama kablosunun yerleşimi makul bir şekilde yapılmalıdır.

5. Uygun bir transformatör seçin
Transformatörler, DC güç kaynaklarında yaygın olarak kullanılan bileşenlerdir ve uygun transformatörü seçmek dalgalanma gerilimini azaltabilir. Genel olarak, transformatör tasarımında, demir çekirdekte boşluklar oluşturarak demir çekirdeğin manyetik direncini artıran ve böylece transformatörün çalışma frekansını ve doyma akımını artıran çok aşamalı boşluk teknolojisi kullanılabilir. Bu, çalışma sırasında transformatörün dalgalanma gerilimini azaltabilir.

6. Yük değişikliklerini kontrol edin

Yükteki ani değişimler ve dalgalanmalar da dalgalanma voltajında artışa yol açabileceğinden, tasarımda yükteki değişimlerin tam olarak dikkate alınması ve kontrol edilmesi gerekir. Yük dengeleme, çıkış voltajında zıt dalgalanmalar üreten uygun yük devreleri tasarlayarak toplam dalgalanma voltajını azaltmak için kullanılabilir. Ayrıca, yük değişim oranının makul bir şekilde kontrol edilmesi ve ani yük değişimlerinden kaçınılması da dalgalanma voltajını azaltmak için etkili yöntemlerdir.

7. Isı dağılımı tasarımını optimize edin

Güç kaynağının çalışması sırasında oluşan ısı, dalgalanma voltajında da artışa yol açabilir. Bu nedenle, tasarım sürecinde, güç kaynağının çalışma sıcaklığının makul bir aralıkta olmasını sağlamak için ısı dağıtım tasarımının optimize edilmesi gerekir. Isı emiciler ve fanlar gibi ısı dağıtım bileşenleri, ısı dağıtım alanını ve verimliliğini artırmak için kullanılabilir. İyi bir ısı dağıtım tasarımıyla dalgalanma voltajı azaltılabilir.

8. Bileşenleri makul bir şekilde seçin.
Tasarımda, uygun güç bileşenlerini seçmek de dalgalanma gerilimini azaltmada önemli bir faktördür. Örneğin, düşük dalgalanma akımlı bir diyot ve I0S transistör seçmek, anahtarlama kayıplarını ve anahtarlama sırasındaki dalgalanma gerilimini azaltabilir. Bu arada, kapasitörlerin iç direncinden kaynaklanan kayıpları ve dalgalanma gerilimini azaltmak için düşük ESR (Eşdeğer Seri Direnç) değerine sahip kapasitörler seçmek önemlidir.

8. DALGALANMA(RIPPLE) VE GÜRÜLTÜ KAYNAĞI

Tam bant genişliğindeki çıkış dalgalanması genellikle düşük frekans dalgalanması ve yüksek frekans gürültüsünü içerir. Şekil 1, buck dönüştürücülerdeki düşük frekans dalgalanmasının çıkış voltajının bir AC bileşeni olduğunu göstermektedir.

Şekil-6: Çıkış Voltajı Dalgalanma ve Gürültü

Ancak, pratik devrelerde yüksek frekanslı (HF) gürültü olarak adlandırılan başka bir AC bileşeni vardır. Bu gürültü her zaman anahtar açılıp kapandığında ortaya çıkar.

Şekil 7, buck dönüştürücü çıkış aşamasının pratik devresini göstermektedir.

HF çalışma koşulları göz önüne alındığında, gerçek bir indüktör kapasitif empedans gibi, gerçek bir kondansatör ise endüktif empedans gibi çalışır. Bu nedenle, çıkış aşaması devresi basitleştirilebilir (bkz. Şekil 7a/b).

HF gürültüsü, esas olarak anahtar bağlantısının indüktör parazitik kapasitansı (CL) ve eşdeğer seri endüktans (ESL) aracılığıyla yüksek dV/dt ile indüklenir.

Şekil-7: Buck dönüştürücü çıkış aşamasının pratik devresi

Şekil-7a/b

9. RIPPLE VE NOISE NEDİR, DATASHEET NEYİ ÖLÇÜYOR?

Ripple ve noise ölçümü, DC seviyenin üzerindeki AC bileşeni karakterize eder:

“Ripple”: Temel olarak anahtarlama frekansı ve harmoniklerinden gelen periyodik bileşen.
“Noise”: Daha çok yüksek frekanslı (HF) sivri uçlar, ringing, parasitik etkiler, layout ve trafodan kaynaklanan dağınık spektrum.

Datasheet’te verilen değerler şunları içerir:

Bant genişliği: 5 Hz – 20 MHz
Ölçüm şekli: Osiloskop 20 MHz band-limit aktif, çıkışa 10 µF tantalum + 1 µF seramik kondansatör paralel bağlı, ayrıca modeline göre minimum bir çıkış kapasitansı (24 V için tipik ≥100 µF) bulunuyor.
Yük durumu: Tam yük (full load)

Bu şartlar değiştiğinde, özellikle ölçüm tekniği bozulduğunda, “datasheet dışı” görünen sonuçlara ulaşmak çok kolay.

10. RIPPLE ‘ IN BASİTÇE ÖLÇÜMÜ NASIL YAPILIR? ARAÇLAR VE EKİPMANLAR…

Şekil-8:

Günümüzün temel teknolojileri elektrikli cihazlara dayanmaktadır. Elektrik, metal tellerden geçen elektron akışından kaynaklanır. Alternatif akım (AC) ve doğru akım (DC) olarak bilinen iki temel elektrik türü vardır.

DC elektriği sabit bir voltajda çalışır ve zamanla herhangi bir değişim göstermez. AC elektriği ise zamana bağlı olarak sinüzoidal bir bağımlılığa sahiptir ve voltaj yukarı ve aşağı doğru salınır. Dalgalanma voltajı, bir DC ofsetinin üzerine yerleştirilen küçük bir AC voltajıdır. Dijital bir multimetre kullanılarak ölçülebilir.

Adım 1: Probları dijital multimetreye takın. Normalde iki prob birlikte verilir. Kırmızı probu pozitif terminale, siyah probu negatif terminale takın. Ön paneldeki kadranı saat yönünde çevirerek dijital multimetreyi açın.

Adım 2: Ön taraftaki kadranı salınımlı dalga resmine çevirerek "AC Voltaj"ı seçin. Probları dalgalanma voltajına sahip devreyle temas ettirin. Multimetre yalnızca sinyalin AC bileşenini, yani dalgalanma voltajını ölçecektir. Ekran, ölçülen dalgalanma voltajı genliğini gösterecek şekilde değişmelidir. Bir dalgalanma voltajını tam olarak karakterize etmek için frekansın ölçülmesi gerekir.

Adım 3: Ön kadranı frekans fonksiyonuna çevirin. Probları, dalgalanma voltajına sahip devreyle temas ettirin. Multimetrede frekans (Hz cinsinden) görüntülenecektir. Dalgalanan voltaj artık tam olarak karakterize edilmiş olacaktır.

Osiloskoplar ve spektrum analizörleri güç kaynağı dalgalanmalarını ölçmeye yardımcı olabilir:

Osiloskop: Osiloskoplar çoğu güç kaynağından gelen dalgalanmaları tespit edebilir. Cihazın AC kuplajı, güç kaynağının DC akımını reddeder ve dalgalanma özelliklerini ortaya çıkarır. Bu şekilde, çıkış voltajının dalga formunu görselleştirebilir, DC seviyesini ve üzerine bindirilmiş AC dalgalanmalarını görebilirsiniz. Dalgalanma özelliklerini doğru bir şekilde yakalamak için, uygun zaman tabanı ve voltaj ölçeği de dahil olmak üzere doğru ayarları seçmeniz gerekir. Güç kaynağının çıkış terminallerine bir osiloskop probu bağlayın. Doğru topraklama sağlayın ve osiloskopu hem AC hem de DC bileşenlerini görüntüleyecek şekilde ayarlamak için AC kuplaj modunu kullanın. Bu basit teknik, dalgalanma voltajını doğrudan kaynağında görselleştirmenizi sağlar.

Spektrum analizörleri: Spektrum analizörleri, dalgalanmayı ölçmek için de değerli araçlardır. Sinyallerin frekans spektrumunu analiz ederek dalgalanmaya katkıda bulunan belirli frekansları ortaya çıkarırlar. Bu araç, özellikle güç kaynağı kararlılığını etkileyen elektromanyetik girişim (EMI) veya diğer yüksek frekanslı gürültü kaynaklarıyla ilgili sorunların teşhisinde faydalıdır.

11. RIPPLE ÖLÇÜMÜNDE YAKINSAMALAR VE DURUM DEĞERLENDİRMESİ

Hibrit DC/DC Dönüştürücüler, genellikle 50 MHz'e hatta 500 MHz'e kadar uzanan karmaşık bir çıkış dalgalanma spektrumu üretir. Dalgalanma voltajının iki temel unsuru vardır.

İlk unsur diferansiyel voltajdır ve düşük frekans dalgalanmasının temel bileşenidir.

İkinci unsur ise ortak mod akımlarından üretilen ortak mod voltajlarıdır. Bu bileşen 2 MHz'in üzerinde baskındır ve osiloskopta ani yükselmeler şeklinde görülür.

DCDC dönüştürücü çıkış uçlarındaki gürültü, EMI spesifikasyonları ve teknikleriyle de belirlenebilir ve kontrol edilebilir. Ancak pratikte bu, zaman alanı karakteristiklerinin genellikle frekans alanı karakteristiklerinden daha alakalı ve görselleştirilmesi daha kolay olması nedeniyle zahmetlidir. Bu nedenle çıkış dalgalanması, gürültü ve ani yükselmeler genellikle belirli bir bant genişliği üzerindeki tepe-tepe voltajı cinsinden belirlenir.

Gerçek uygulamada, bu tür bir spesifikasyona güvenmek çeşitli şekillerde yanıltıcı olabilir. Bir yol, baskın ani yükselme içeriği bu değeri aşarken ölçüm bant genişliğini 1 MHz veya 2 MHz ile sınırlamaktır.

Neredeyse tüm hibrit DC/DC Dönüştürücü üreticileri, 2 MHz bant genişliğine sahip çıkış dalgalanması belirtir. Bu, günümüzde satılan çoğu ünite için temel dalgalanma frekansını ve bazı harmoniklerini kapsar. Bu, daha yüksek frekanslı ve genellikle daha yüksek genlikli gürültü içeriğini hariç tutar. İkinci bir ölçüm tekniği, ölçümleri diferansiyel olarak yapmaktır.

Birçok hibrit DC/DC Dönüştürücü, çıkış pinlerinin üzerinde düşük ESR çıkış çipi kapasitörü ile tasarlandığından, diferansiyel ölçümler iyi test sonuçları verebilir. Üniteler bir sistemde kullanıldığında, gürültü çıkışı açıklanamayacak kadar yüksektir, ancak fark ortak mod gürültüsünden kaynaklanır.

En kullanışlı yöntem, voltaj ölçümünü anlamlı bir bant genişliği boyunca tutmak, ancak çıkış ortak mod gürültüsünü de içerecek şekilde ölçmektir, çünkü çoğu yüksek frekanslı çıkış dalgalanması, gürültüsü ve ani yükselmeler ortak mod sinyallerinden kaynaklanır. Diferansiyel ve ortak mod çıkışları arasındaki ayrımın önemi nedir?

Diferansiyel dalgalanma ve gürültü, hem dahili hem de harici olarak nispeten kolay filtrelenebilir. Ortak mod gürültüsünün filtrelenmesi nispeten daha zordur ve bu nedenle sistem genelinde yayılma eğilimindedir.

Ortak mod gürültüsü, çıkış hatlarından akan ve gürültü kaynağına geri dönüş yolu arayan dahili EMI akımlarından kaynaklanır.

Ortak mod gürültüsünü bastırmanın en iyi yolu, gürültü kaynağına en yakın noktada ortak mod filtrelemesi kullanmaktır. Bu ortak mod filtrelemesi için ideal konum, hibrit dönüştürücünün kendisidir.

Eski nesil hibrit DC/DC dönüştürücüler, genellikle yalnızca çıkış kapasitörlerinden oluşan çok basit filtreleme sistemlerine sahiptir.

Bu tür dönüştürücüler, özellikle ortak mod gürültüsü açısından, 2 MHz'in üzerindeki frekanslarda genellikle çok gürültülüdür. En yeni nesil hibrit DC/DC dönüştürücü parçaları, önceki nesil DC/DC dönüştürücülere kıyasla çıkış dalgalanmalarını ve ani yükselmelerini önemli ölçüde azaltan iki geliştirme içerir.

İlk geliştirme, çıkış ortak mod filtre bobinlerinin doğrudan DC/DC dönüştürücü paketine dahil edilmesidir.

İkinci geliştirme ise çıkış aşamasına yüksek kapasitanslı, düşük ESR'li seramik çok katmanlı kapasitörlerin dahil edilmesidir.

Eski nesil DC/DC Dönüştürücülerde yaygın olan katı tantal tiplerinin yerini alan bu kapasitörler, katı tantal filtrelere kıyasla yüksek frekansta “1- 2 decade” daha iyi filtreleme sağlar.

Bu gürültü azaltma teknikleri kendi başlarına yeni olmasa da, hibrit DC/DC Dönüştürücünün korumalı muhafazası içinde yer aldıklarında performansta radikal bir iyileştirme sağlarlar.

Bu iki önemli teknolojik gelişmenin sonucu, çıkış dalgalanması ve gürültünün önemli ölçüde azalmasıdır.

Şekil-9 : Hybrid DCDC converter yapısı

Şekil -9, entegre giriş ve çıkış gürültü filtrelemesine sahip tipik bir DC/DC Dönüştürücü hibritinin fonksiyonel blok diyagramını göstermektedir. Bu diyagramda görüldüğü gibi, hibrit DC/DC Dönüştürücü gürültüsünü kontrol etmek için önemli sayıda LC elemanına ihtiyaç vardır. Ancak, elemanların gürültü spektrumuna tam olarak uyarlanmasıyla, hibrit dönüştürücü paketine sığması için gereken küçük boyutlar elde edilebilir.

Güç girişi tarafında, ortak mod akımları yüksek endüktanslı bir ortak mod bobini veya balun ile kesilir.

Hibrit kasaya bağlı bir şönt kapasitör, ortak mod giriş akımlarının giriş uçlarına akmak yerine yerelleştirilmesini sağlar.

Dalgalanma akım seviyelerini azaltmak için iki aşamalı LC diferansiyel filtreleme kullanılır. İki kademeli yüksek frekanslı kat kullanılarak, her kat fiziksel olarak daha büyük ve daha düşük frekanslı tek bir kattan daha küçüktür. Çıkış tarafında, filtre elemanlarının yerini hiçbir şeyin tutamayacağı bir kez daha görülebilir.

Ortak mod ani yükselmelerini tamamen kontrol altına almak için bir ortak mod bobini ve şönt kapasitör kullanılır. Küçük bir diferansiyel filtre, filtrelemenin son kısmını çıkış uçlarına ekler.

Yaklaşık 10 MHz'in üzerinde, hibrit içindeki çıkış filtreleri kapasitif hale gelebilir.

Bu yüksek frekanslı ani yükselmeleri elde etmek için, artık ani yükselmeleri kontrol altına almak üzere harici ferrit uçlar ve küçük kapasitörler kullanılabilir. Bazı uygulamalarda (kameralar, düşük gürültülü amplifikatörler vb.) ek diferansiyel filtreleme elde etmek tercih edilir.

Yüzeye monte seramik kapasitörler, şekilde gösterildiği gibi (dört uçlu kapasitör olarak) bağlandığında en iyi filtreleri oluşturur. Başka filtre devre topolojileri de mümkün olsa da, bu tür bir filtre düzenlemesinin, dönüştürücü gürültüsünün iyi bastırılmasını gerektiren üretim uygulamalarında oldukça faydalı olduğu kanıtlanmıştır.

Hibrit DC/DC Dönüştürücünün çıkışları yüksek oranda filtrelenmiş olsa da, çıkışların normalde MIL-STD-461 seviyelerini aşacağını unutmamak önemlidir.

Ayrıca, kasayı çıkış uçlarına bağlamak dahili ortak mod filtresini atlar ve girişin EMI seviyelerini aşmasına veya çıkıştaki ani yükselmelerin artmasına neden olabilir.

Kasanın herhangi bir nedenle çıkış toprağına bağlanması gerekiyorsa, yüksek değerli bir direnç kullanmak faydalıdır (10K ile 100K arasında bir değer düşünülmelidir). Ancak, EMI filtrelemesini artırmak için kasa RF veya şasi toprağına bağlanabilir.

12. DOĞRU RİPPLE ÖLÇÜMÜ YAPABİLMEK İÇİN BİLİNMESİ GEREKENLER

Herhangi bir voltaj ölçümü potansiyel hatalara maruz kalır:

Probun sinyali ve topraklaması tarafından oluşturulan döngü, korumasız bir döngü anteni görevi görür ve çevresindeki ortamdan gelen gürültüyü alır.

Bunun da ötesinde, çoğu sıradan osiloskopun ortak mod reddi çok zayıftır. Ölçtüğünüz şeyin, ölçüm yaptığınız sinyal mi yoksa yakındaki bir devreden kaynaklanan indüklenmiş kuplaj mı olduğunu anlamak bazen zor olabilir.

Prob topraklama ucunun parazitik endüktansından akan yüksek frekanslı ortak mod akımları (genellikle yaklaşık 250 nH) önemli bir voltaj üretir. Ancak, bunu ölçümünüzden çıkarmak için atılabilecek birkaç adım vardır.

Ölçümde bant genişliğini sınırlayın:

Çıkış Dalgalanması ve Gürültüsü genellikle 20 MHz Bant Genişliği ile belirtilir. Bu, yüksek frekanslı gürültü bileşenlerini azaltır. Çoğu skopta bu özellik dahili olarak mevcuttur. Performansı konusunda şüpheniz varsa, bir sinyal üreteci ile kalibre edilebilir.

Ölçüm tekniği sonucu oluşan ortak mod gürültüsünü ortadan kaldırın:

Bunu uygulamanın etkili ve kolay bir yolu, skop kablosunu bir toroidden birkaç kez geçirmektir. Bu, ölçüm tekniğiyle oluşan yüksek frekanslı ortak mod akımlarını azaltacaktır.

‘Tip and Barrel method’ (Uç ve Namlu Yöntemi)

Topraklama kablosundaki algılamayı ortadan kaldıran bir sonraki yöntem, topraklama kablosunu hiç kullanmamaktır. Bunun yerine, probun topraklama kılıfı, skopu doğrudan topraklamak için kullanılır. Ortalama bir prob topraklama kablosunun yaklaşık 250 nH endüktansa sahip olduğu düşünüldüğünde, tipik osiloskopların giriş kapasitansı 15 pF'dir. Bunlar, yaklaşık 80 MHz'de rezonans yapan ayarlanmış bir devre oluşturabilir.

Yukarıdaki yorumların yalnızca probun topraklama kablosuyla ilgili olduğunu unutmayın. Osiloskopun topraklama kablosu hiçbir koşulda çıkarılmamalıdır. Bu, tehlikeli bir uygulamadır ve aynı zamanda yüksek frekanslı CM akımlarını azaltmada tamamen etkisizdir. Akımlar, osiloskopun şasisinden toprağa doğru büyük kapasitans üzerinden akmaya devam eder.

Yansımaları(reflection) en aza indirme:

Güç kaynağının çıkışına bir osiloskop ucu yerleştirirken çeşitli empedansları göz önünde bulunduralım.

Güç kaynağının çıkış empedansı çok düşük olacaktır (birkaç mOhm).
Hat empedansı 50 Ohm olacaktır.
Osiloskopun giriş empedansı 1 MOhm olacaktır.

Bu düzeyde bir uyumsuzlukla, ortaya çıkan yansımalar ve çınlama, ölçülen gerçek gürültüde yanlış bir ölçüm verebilir. Özellikle, tepe ölçümleri belirgin şekilde farklı olabilir. Bu sorun, güç kaynağı ucundaki 50 Ohm hat ile seri olarak 50 Ohm'luk bir direnç yerleştirilerek çözülebilir.

Osiloskop ucuna paralel olarak başka bir 50 Ohm'luk direnç, hattı uygun şekilde sonlandıracaktır. Bu 50 Ohm'un güç kaynağından DC yük akımını almasını önlemek için, güç kaynağı ucundaki 50 Ohm direnç ile seri olarak bir kondansatör yerleştirin.

Elbette, iki 50 Ohm'luk direnç sayesinde artık bir direnç bölücü etkisine sahipsiniz. Yani ölçülen genliğin gerçek değerini elde etmek için iki ile çarpılması gerekir.

13. YAYGIN KULLANILAN TEST YÖNTEMLERİ

Dalgalanma ve gürültüyü belirlemek ve ölçmek için kullanılan onlarca teknik olmasına rağmen, bazıları diğerlerinden daha yaygındır. Bu bölümde, yüksek yoğunluklu güç dönüşüm endüstrisinde ve ATAQ Güç Modüllerinde en sık kullanılan teknikleri özetleyeceğiz.

20 MHz Filtre -

Güç dönüşüm endüstrisinde en yaygın kullanılan uygulama, ölçüm bant genişliğini 20 MHz geçiş frekansına sahip düşük geçişli bir RC filtresiyle sınırlamaktır. 20 MHz değeri, muhtemelen birçok osiloskopta zaten bulunan 20 MHz filtre nedeniyle ilk kez ortaya çıkmıştır. Ancak filtre, istenirse harici bileşenlerden (farklı R ve C değerleriyle) oluşturulabilir. ATAQ, bu yöntemi, Yük Noktası İttifakı (POLA) uyumlu, yalıtımsız yük noktası dönüştürücülerindeki bazı serileri belirlemek için kullanır. https://circuitspedia.com/low-pass-filter-uses-low-pass-filter-calculator/

5 MHz Filtre -

ATAQ Güç Modüllerinde en yaygın kullanılan uygulama, 5 MHz geçiş frekansına sahip bir alçak geçiren RC filtresi kullanmaktır. 5 MHz geçiş frekansı, dağıtım şebekesine gömülü dağıtılmış direnç ve endüktansın, ayırma kapasitörleriyle birlikte çok etkili bir alçak geçiren filtre oluşturduğu gerçek son kullanıcı sistemlerindeki performansı simüle etmek için seçilmiştir. https://circuitspedia.com/low-pass-filter-uses-low-pass-filter-calculator/

Kapasitif Filtre, 20 MHz Bant Genişliği -

Bazı ATAQ yüksek güçlü ürün tipleri, yapılandırılmış bir kapasitif çıkış filtresiyle belirtilir. Kapasitans, 0,1 µF seramik kapasitör ve ESR=0,2-0,4 Ω değerinde 10 µF tantal kapasitörün paralel birleşiminden oluşur. Kapasitörler, osiloskop prob ucunda ve ürünün çıkış pinlerine yakın bir yerde bulunmalıdır. Osiloskoptaki alçak geçiren filtre sayesinde ölçüm bant genişliği 20 MHz ile sınırlandırılmıştır. https://circuitspedia.com/low-pass-filter-uses-low-pass-filter-calculator/

Osiloskop Ayarları

Bant genişliği: 20 MHz limit açık olmalı (BW Limit ON, 20 MHz).
Kuplaj: DC coupling (DC kuplaj). İsterseniz ek olarak AC coupling ile DC ofseti kaldırıp sadece ripple’a odaklanabilirsiniz.
Dikey ölçek: 50 mV/div veya 100 mV/div ile başlayın.
Zaman tabanı: 1–5 µs/div civarı; 200 kHz anahtarlama çevrimlerini rahat görürsünüz.
Problama modu: 10x prob (band genişliğini korumak için).

14) TEST KURULUMU TASARIMINDA DİKKATE ALINMASI GEREKEN HUSUSLAR

“Datasheet 280 mVpp diyor, osiloskop 700 mV gösteriyor. Hangisi doğru?” Bu yazı tam olarak bu sorunun peşine düşüyor.

ATQ150-WH36SXX gibi 150 W, 8:1 giriş aralıklı, yarım brick (half-brick) bir DC-DC modülde çıkış ripple & noise ölçümü, ilk bakışta “osiloskopa bağla, bak” kadar basit görünür. Gerçekte ise; prob tekniğinden bant genişliğine, kondansatör seçiminden kablo boyuna kadar her detay sonucu dramatik biçimde değiştirir.Hatta PCB de probun yakınındaki malzemeden bile etkilenebilir. Bakınız alttaki resim…

Şekil-10: (Kaynak: https://www.richtek.com/)

Gürültü dalga formunun yüksek frekans içeriği, test kurulumu ve ölçüm prosedürünün tasarımına özen gösterilmedikçe ölçüm sorunları yaratabilir. Birkaç kurulum değişkeni tanımlanıp uyulmadıkça, DC/DC dönüştürücülerin gürültü ve dalgalanmalarını ölçürken tutarlı tekrarlanabilir sonuçlar elde etmek zor olacaktır.

En doğru sonuçlar, ölçüm ürünün çıkış terminallerine mümkün olduğunca yakın alındığında elde edilir. Bu, dalgalanma ve gürültü dalga formunu değiştirebilecek dağılım sistemindeki etkileri en aza indirecektir.

Ölçülen sinyal milivolt aralığında olduğu ve ölçüm oldukça yüksek bant genişliğinde yapıldığı için, ölçüm sistemi dış kaynaklardan gelen gürültüyü algılayıp ölçüm sonuçlarını bozmaya açık olabilir. Bu etkiyi en aza indirmenin en iyi yolu, sinyal ve toprak bağlantılarındaki toplam döngü alanının mümkün olduğunca küçük olmasını sağlamak için osiloskop probuna çok kısa ve doğrudan bağlantılar kullanmaktır. Bu bağlantıyı yapmanın yaygın bir yolu, ürün çıkışında PCB'ye bir prob prizini lehimlemek ve ardından prob ucunu bu sokete sokmak için kullanılır. Bu amaçla bazen BNC konnektörleri de kullanılır. Test kurulumunuz gerçek tahta düzenine daha çok benzeydiğinde ve empedans eşleşmeleri olduğunda en iyi sonucu alırsınız.

Çıkışa bağlı harici kondansatörlerle dalgalanma ve gürültü ölçümü yaparken, bu kondansatörlere oldukça büyük miktarda dalgalanma akımı akabileceğini unutmayın. Dağılım direncinden geçen bu akım, okumayı etkileyen AC gerilim düşüşlerine neden olabilir. Bu nedenle, en doğru okuma, osiloskop bağlantı noktası doğrudan kondansatörlerde (0.1 μF) bulunduğunda elde edilir.

Kullanılan kart düzeni ve harici kapasitanslar da ölçüm sonucunu etkiler. Farklı bileşenlerin seçimi de kritik öneme sahiptir. Farklı paketler (endüktans), değerler, uygun nominal voltaj ve sıcaklık bağımlılığı da dikkate alınmalıdır.

Önemli Bildirim:
Osiloskop probunun geleneksel toprak klipsi bu tür ölçümlerde asla kullanılmamalıdır. Bu klips, anten veya endüktif manyetik döngü olarak işlev görür ve dönüştürücünün çıkış seslerinin parçası olmayan ek bir sinyal oluşturur.

Şekil-11: Genel Ölçüm yöntemi

Gerilimi ölçmenin genel yöntemi, Şekil-11' te gösterildiği gibi çıkışı veya yük tarafını ölçmek için bir gerilim probu kullanmak ve çıkış geriliminin hacmini bir osiloskop aracılığıyla görüntülemektir. Bununla birlikte, dalgalanma voltajını ölçmek için aynı yöntemler kullanılırsa dalga biçimi girişime karşı hassastır.

Şekil-12: Genel Ölçüm yöntemi

Şekil-12: Dalgalanma ve Gürültü (Ripple and Noise) ölçümü için önerilen bir yöntem değildir.

Şekil-13: Toprak döngülerini ortadan kaldırmak için osiloskop kurulumu.

Toprak döngülerini önlemek için, osiloskop topraklamasını test edilen güçten ayırmak gerekebilir.

15. DC-DC DÖNÜŞTÜRÜCÜLERİN ÇIKIŞ GÜRÜLTÜSÜNÜN ÖLÇÜLMESİ VE FİLTRELENMESİ

Şekil-14: Gürültü Ölçme Yöntemleri

Alternatif olarak, 10 x prob yerine 50 ohm'luk koaksiyel kablo kullanılabilir. Kısa lead'ler için aynı önlemler burada da geçerlidir.

Bu düzenleme, Şekil-14 "C Alternatif Yöntemi" nde gösterilmiştir ve iki 50 ohm direnç bir voltaj bölücü oluşturduğunda, skop okumasının 2 ile çarpılmasını gerektirir.

Kablonun dürbün ucunda gösterilen 50 ohm direnç, kablo ile dürbünler arasında arayüz oluşturan 50 ohm'luk bir terminal olabilir ya da 50 ohm dürbün ayarıyla oluşturulmuş olabilir.

2700 pF kapasitör, sadece düşük frekanslı bileşenlerin gözlemlenmesine olanak tanıyacak scope bant genişliğini 2 MHz'e düşürmek için kullanılabilir.

Şekil-15: Endüstride yaygın olarak kullanılan bir pigtail tarzı

10 nF'den büyük yüksek frekans kapasitansları kullanmanızı ve bağlantı uçlarının mümkün olduğunca kısa olmasını öneririz.

Ölçümü yapmak için, Şekil-16' da açıklandığı gibi, skop probunu +Vo' da, prob topraklamasını ise -Vo (GND)' de gerçekleştirmelisiniz.

Şekil-16: Çıkışı diferansiyel mod ölçmek için bağlantı tipi

Şekil-17: (Kaynak: https://www.richtek.com/)

Şekil -17, çıktı dalgalanmasını ölçmenin daha iyi bir yolunu göstermektedir. Uzun topraklama kablosu, prob ucu topraklama halkasının etrafındaki kısa yay ile değiştirilmiştir. Bu, topraklama döngüsünün alanını önemli ölçüde azaltır ve kaçak alan alımını azaltır.

Ancak bazı durumlarda, özellikle yüksek frekanslı dönüştürücülerde ve ölçüm noktası indüktöre çok yakın olduğunda, bu küçük döngü bile kaçak alan algılayacaktır.

Bu gibi durumlarda, çıkış kapasitörü tarafında çok kısa döngü alanına sahip kısa bir bükülmüş tel parçası kullanmak ve probu, Şekil-18' da gösterildiği gibi indüktörden belirli bir mesafeye bağlamak daha iyidir.

Bükülmüş tel yöntemi ayrıca hassas prob ucunun ölçüm noktasına bağlanmasını da kolaylaştırır. Bunun için IC soketli pinler kullanılabilir.

Şekil-18 (Kaynak: https://www.richtek.com/)

Düşük gürültülü anahtarlama sinyali ölçümü için bazen, örneğin osiloskopu anahtarlama dalga formu üzerinde tetiklemek için, anahtarlama dalga formunu çıkış dalgalanma voltajıyla birlikte ölçmek istenebilir.

Şekil-19' de gösterildiği gibi, 2. probu doğrudan anahtarlama sinyaline bağladığınızda , bu bağlantının çıkış dalgalanma voltajı ölçümüne çok fazla anahtarlama gürültüsü eklediğini göreceksiniz.

Şekil-19 (Kaynak: https://www.richtek.com/)

Dalgalanma ölçümündeki bu ekstra anahtarlama gürültüsü, anahtarlama dalga formunu ölçen CH2 probunun prob kapasitansından kaynaklanır: Anahtarlama sinyalinin hızlı yükselme ve düşme süreleri, uzun CH2 prob tellerine HF akım darbeleri gönderir. Bu HF akımı çok fazla HF radyasyonuna neden olur ve bu HF gürültüsü çıkış voltajı dalgalanma ölçümüne yansır.

CH2 probunu anahtarlama sinyaline bağlamak için çok kısa bir topraklama kablosu kullanmayı deneyebilirsiniz, ancak bunu çözmenin daha kolay bir yolu, CH2 probundaki yüksek frekans (HF) akımını en aza indirmektir. CH2 probunu doğrudan anahtarlama sinyaline bağlamak yerine, anahtarlama sinyaline yakın bir yere yerleştirerek de kullanışlı bir anahtarlama sinyali alınabilir.

Bu durumda, CH2 probundaki yüksek frekans (HF) akımı minimum olur ve CH1 dalgalanma ölçümü etkilenmez. Elbette, anahtarlama sinyalinden DC bilgisini kaybedersiniz, ancak osiloskopu anahtarlama dalga formunda tetiklemek için kapasitif alıcı iyi çalışacaktır.

Kararlı bir anahtarlama sinyali kapasitif alıcısı elde etmenin kolay bir yolu, anahtarlama sinyaline izole bir tel parçası lehimlemek, izolasyonu kısmen telden çekip probu izolasyonun üst kısmına sabitlemektir. Probun telin iç ucuna olan kelepçe mesafesi, kapasitif alıcının miktarını belirleyecektir. Şekil-20' ye bakın.

Şekil-20 (Kaynak: https://www.richtek.com/)

Şekil-21a: Sarmal kablo ölçüm metodu

Şekil-21b: Sarmal kablo ölçüm metodu (Diğer bir gösterim)

Şekil-22: Düşük empedanslı prob ile ölçüm

▸ Yayılan EMI'ye daha az duyarlı
▸ Osiloskop girişini “50 Ω” olarak ayarlayın
▸ Bir DC bloke edici kondansatör takın (ÖNEMLİ!)
▸ 50Ω'luk bir koaksiyel kabloyu güç kaynağı çıkışına bağlayın ve seri bir direnç ekleyin = 50Ω
▸ Kablo artık her iki ucunda da 50Ω'luk bir yük ile sonlandırılmıştır (güç kaynağı çıkışı düşük empedanslı bir kaynaktır)
▸ Bu yöntemi kullanarak, 2:1 voltaj bölmesini telafi etmek için osiloskop voltaj göstergelerini 2 ile çarpmanız gerekir
▸ Bloke edici kondansatör, ilgilenilen frekansları geçirmek için el yapımı olabilir veya Mini-Circuits Model BLK-89 satın alınabilir

Şekil-22: Yüksek empedanslı prob ile ölçüm (Kaynak: www.vptpower.com)

▸ 10:1 osiloskop probu kullanırken, kabloyu dönüştürücüden veya diğer EMI kaynaklarından uzak tutun.

▸ Yüksek empedanslı osiloskop probu (10 MΩ, <10pF)
▸ Doğru dalgalanma ölçümleri için kısa bir topraklama kablosu şarttır.
▸ Probun klipsli topraklama kablosunu KULLANMAYIN.

16. ÖLÇÜM ÖNLEMLERİ VE PRATİK İPUÇLARI

Şekil-23: Uzun topraklama klipsinin neden olduğu büyük topraklama döngüsü oluşturulmamalıdır

Şekil-24: Uç ve namlu yöntemi için ideal kurulum

Şekil-25: Uç ve namlu yöntemi için ideal kurulum

Plastik uç kapağı ve topraklama klipsi teli çıkarılarak ve topraklama bağlantısı, probun topraklama halkasının etrafına sarılan kısa bir çıplak bakır tel parçasıyla değiştirilerek standart bir osiloskop dürbün probu kullanılarak bazı dalgalanma ve gürültü ölçümleri yapılabilir.

Bu sayede, probun uç ve toprak bağlantıları minimum uzunlukta tutulur ve böylece topraklama kablosunun anten görevi görerek yayılan gürültü sinyallerini yakalaması ve bunun sonucunda standart dışı ölçümler yapılması olasılığı azaltılır.

Şekil-26: Yanlış ölçüm yöntemleri

Dalgalanma ve gürültü ölçümleri yapılırken standart bir yük kullanılmalıdır. Bu önlem, gürültülü dijital veya RF devreleri içerebilen güç kaynağının normal sistem yükünden kaynaklanan herhangi bir gürültünün, güç kaynağının çıkışına geri beslemesini ve bunun da spesifikasyon dışı test ölçümlerine yol açmasını önlemek içindir.

Bazı durumlarda, topraklama döngülerini azaltmak için, osiloskopu bir izolasyon transformatörüne takarak AC kaynağından izole etmek veya yüzdürmek gerekebilir.

Aksi belirtilmediği takdirde, dalgalanma ve gürültü özellikleri genellikle güç kaynağının nominal giriş voltajıyla, nominal çıkış voltajında ve akım yükünde ve oda sıcaklığında veya yakınında (genellikle 24°C) çalıştırılması sırasında alınan ölçümlere dayanır.

Ölçüm döngüsünü en aza indirin

DC-DC dönüştürücüler için çıkış gerilimi dalgalanmasını ölçerken, ölçüm döngüsü alanı gürültü toplamada önemli bir rol oynar.

Prob bağlantı döngüsü alanını daima en aza indirmeye çalışın. Uç ve namlu yöntemi veya bükümlü tel yöntemi gürültü alımını azaltabilir. Endüktör yönünü tersine çevirerek endüktör kaçak manyetik alanının etkisini kontrol edin.

Ölçüme gürültü eklemekten kaçının

Probları doğrudan hızlı anahtarlama dalga formlarına bağlamak, yüksek frekanslı gürültüye neden olabilir.

Çok kısa topraklama kabloları kullanmak veya anahtarlama sinyalini kontrol etmek için kapasitif alıcı kullanmak, yüksek frekanslı gürültüyü en aza indirebilir.

Kabul edilebilir örnekleme bant genişliğini ayarlayın

Farklı uygulamalar için, kritik yükün dönüştürücü çıkış dalgalanmasından kaynaklanan gürültülere duyarlılığı farklılık gösterebilir.

Yüksek çözünürlüklü analog-dijital dönüştürücüler (ADC) veya ses uygulamaları gibi gürültüye duyarlı uygulamalar için, çıkış dalgalanmasının tam bant genişliğinde ölçülmesi önerilirken, gürültüye duyarsız uygulamalar için 20 MHz örnekleme bant genişliği seçilebilir.

Arka plan gürültülerinin yine de tam osiloskop örnekleme bant genişliğinde kontrol edilmesi gerektiğini, böylece çıkış dalgalanmasının hatalı ölçülmeyeceğini unutmayın.

Kazanç-faz analizini çalıştırmadan önce zaman alanındaki sinyalleri kontrol edin.

Kazanç Fazı ölçümlerinde, ölçülen sinyalleri Frekans Tepkisi Analizörüne bağlamadan önce mutlaka osiloskopta kontrol edin. En iyi sonuçlar için sinyallerdeki gürültüyü en aza indirin.

ATAQ Dönüştürücü modülleri, çıkış gürültüsünü azaltmak için içine verimli bir filtre entegre edilmiştir. Çıkışa özel dahili EMI filtresi, gürültü seviyelerini sistem gereksinimlerinize uygun hale getirmek için yeterli değilse, çıkışa harici bir LC ünitesi eklenebilir.

Şekil-25 doğru dalgalanma ölçüm yöntemini göstermektedir. Şekilden dönüştürücünün çıkışının bir filtre kondansatörüne bağlandığı görülmektedir.

Amaç gürültüyü bastırmaktır, bu nedenle kapasitör değeri genellikle çok büyük değildir, çoğunlukla 0,1 uF ile 1 uF arasındadır. Ve prob, ölçüm için kısa bir topraklama yöntemi kullanmalıdır.

Ölçüm noktası yükten çıkış kapasitörüne doğru değişmelidir. Amaç gürültüyü ölçmekten kaçınmaktır. Şekil-26, kısa topraktaki dalgalanmalar ile kısa olmayan toprak arasındaki farkı göstermektedir. Doğru yöntemler kullanıldığında dönüştürücünün dalgalanma voltajı doğru bir şekilde ölçülebilir.

17. ATQ150-WH36SXX KISA TEKNİK ÖZETİ

ATAQ; ATQ150-WH36SXX, 9–75 VDC giriş aralığına sahip, 24 V / 6,25 A (150 W) izole DC-DC dönüştürücüdür. Sabit yaklaşık 200 kHz anahtarlama frekansı ile çalışır ve verimi tipik %89–90 civarındadır.

24 V için bu değerler kabaca:

(peak-to-peak)
(RMS)

Datasheet’e göre 24 V çıkış için ripple & noise (5 Hz–20 MHz bant genişliği, tipik test kondansatörleri ile

Peak-to-peak ripple: ≈ 280 mVpp
RMS ripple: ≈ 100 mVrms

Yani; düzgün kurulmuş bir testte, 24 V / 150 W çalışan modülde gözünüzün araması gereken aralık budur.

18. DOĞRU RIPPLE ÖLÇÜMÜ İÇİN REFERANS TEST KURULUMU

Dönüştürücünün çıkış terminallerine en az 51 mm (2 inç) uzunluğunda bakır şeritler bağlanmalıdır. Çoğu uygulama için bakır folyo bant kullanılabilir.

Bakır şeritler, ünitenin son uygulamadaki PCB iz performansını simüle eder. Bakır şeritlerin genişliği ve kalınlığı, şeridin her iki ucundaki toplam voltaj düşüşünün, modelin maksimum çıkış akımı için çıkış voltajının %2'sini aşmaması için hesaplanmalıdır.

Bakır şeritleri, düşük voltajlı PCB izleri için tipik aralık olan 2,54 mm (0,1 inç) mesafeye yerleştirin. Yukarıda belirtilen 0,1 μF seramik kapasitörün, dönüştürücünün çıkış terminallerinden bakır şeritlere 25,4 mm (1 inç) mesafede lehimlenmesi önerilir. Bu, ekransız bakır şeritler tarafından algılanan yüksek frekanslı gürültüleri filtrelerken, dönüştürücü tarafından üretilen dalgalanma ve gürültüler üzerinde minimum etkiye sahiptir.

51 ile 76 mm şeritler, yüksek frekanslı yayılan gürültüler için mükemmel alıcılardır. Ayrıca, bakır şeritler genellikle manyetik alanların mevcut olabileceği bileşenin altına kadar uzanır. Ölçüm probundan kaynaklanabilecek gürültüleri filtrelemek için osiloskopa mümkün olduğunca yakın bir yere 10 μF tantal kapasitör monte etmenizi öneririz.

C1 = 1μF, C2 = 10μF, MODÜLDEN YÜK 51-76mm

Şekil-27: Çıkış dalgalanma/gürültü ölçümü

Not: 0.1μF X7R seramik kondansatör ve 10μF @ 25V tantal kondansatör kullanın. Dürbün ölçümü bir BNC soketi kullanılarak yapılmalıdır.

Şekil-28: Tepeden Tepeye Çıkış Gürültüsü Ölçüm Test Kurulumu.

Şekil-29: Temel test bloğu

Şekil-30: Soğutucu eklenmiş test kurulumu temel test bloğu

Tablo-1: Örnek Ripple Ölçüm Komponentleri (24 V / 150 W)

Sol tarafta ayarlı DC besleme: Vin = 24 V veya 36 V
Besleme çıkışına seri:
- Hızlı sigorta (ör. 30 A hızlı sigorta – datasheet önerisi)
- İsteğe bağlı giriş EMI filtresi
Sigortadan sonra:
- ATQ150-WH36S24 modülünün +Vin / –Vin pinleri
- Modül girişine yakın yerleştirilmiş Cin = 330 µF // Cin = 330 µF , düşük ESR’li elektrolitik kondansatör (ATAQ uygulama notu referansı)
Modül çıkışında:
- Çıkış pinlerine çok yakın:
  - Cout(min): 100 µF elektrolitik (veya low-ESR polimer)
  - C3: 10 µF solid tantalum
  - C2: 1 µF / 1210 seramik (X7R veya C0G tercih)
- Gerekirse ek LC filtresi (ileride anlatılacak)
- Programlanabilir veya sabit röle/direnç yükü (R_load ≈ 3,84 Ω @ 24 V / 6,25 A)
Osiloskop; doğrudan modül çıkış pinlerine çok kısa bağlantıyla bağlanmış.

Bu yapı, datasheet’teki tipik koşullara çok yakındır ve “datasheet’e sadık ölçüm” demektir. Bu tabloyu web sitenizde doğrudan kullanabilirsiniz; altına “Uygulama notu ve datasheet referans alınarak hazırlanmıştır.” gibi bir not eklemek yeterli.

OPSİYONEL RC FILTRE TASARIMI VE PERFORMANSI

Ayrılan dekuplaj kapasitör devresi, dağılım direnci ve endüktans ile birlikte çoğu uygulamada DC/DC dönüştürücü çıkışı için düşük geçirici bir filtre oluşturur. Bu filtreleme işlemi, ürünün çıkış gürültüsünü azaltır.

DC/DC dönüştürücülerin çıkış gürültüsü ve sallanmaları, bu durumu simüle etmek ve gerçek son kullanım sisteminde görüleceklerle tutarlı okumalar vermek için sınırlı bir bant genişliğiyle ölçülmesi için genellikle belirtilir.

Aşağıdaki RC alçak geçiren filtre tasarımı ve performansının özeti, böyle bir filtrenin dalgalanma ve gürültü ölçümü için nasıl yapılandırılabileceğini göstermek için sunulmaktadır.

DC/DC dönüştürücülerin çıkış gürültüsünü belirlerken ve ölçülürken bant genişliğini sınırlamak için tek aşamalı pasif RC düşük geçirim filtresi yaygın olarak kullanılır.

Filtre, bir direnç ve bir kondansatörün seri kombinasyonundan oluşur ve filtre çıkışı kondansatörler üzerinden alınır;

Şekil 31' de gösterildiği gibi. Düşük geçirim filtresinin kesme frekansı fc aşağıdaki denklemle tanımlanır:

fc= 1 / (2 x Pi x Rx C)

Burada;

fc = Hertz'de frekans

R = Ohm cinsinden direnç

C= Farads'ta kapasitans

Örneğin, 5 MHz kesme frekansına sahip bir filtreyi aşağıdaki gibi tasarlayabiliriz.

İlk olarak, direnç değeri rastgele olarak 2.2 Ω olarak seçilebilir. O zaman kondansat değeri şu şekilde belirlenebilir:

Yukarıda tasarlanan filtrenin yanıtı Şekil 31'de gösterilmiştir. Bu filtre, 100 kHz çalışma frekansı ve dalgalanma frekansına sahip bir DC/DC dönüştürücüyle birlikte kullanılacaksa, filtrenin dalga formunu belirgin şekilde zayıflatmayacağını unutmayın. Ancak, çıkış gürültüsünün yüksek frekans içeriğini azaltacaktır.

Bu özellik arzu edilir ve tipik sistemlerdeki DC dağıtım ağının davranışıyla tutarlıdır.

Burada gösterildiği gibi ayrık bir filtre kullanmak yerine, başka bir seçenek birçok osiloskopa entegre filtreleri kullanmaktır.

Osiloskop dahili filtresinin en yaygın uygulaması, tam bant genişliği veya 20 MHz filtre seçeneğine sahip anahtar seçimine sahip olmaktır.

Şekil-31a: RC alçak geçiren filtre yapılandırması ve test kurulumu.

Şekil-31b: RC alçak geçiren filtre yapılandırması ve test kurulumu.

Şekil-32: Bazı ATAQ yüksek güçlü ürünler için test kurulumu.

19. SAYISAL ANALİZ: RIPPLE YÜZDESİ VE FİLTRE ETKİSİ

24 V / 6,25 A tam yükte, datasheet tipik değeri olan 280 mVpp ripple ölçtüğünüzü varsayalım.

Ripple Yüzdesi

Peak-to-peak oranı:

0.28V / 24V = 0.0117 (yaklaşık olarak) ise

RMS oranı (100 mV kabul edersek):

0.1V / 24V = 0.0042(yaklaşık olarak)

Bu seviyeler; 24 V/150 W sınıfı, izole, yüksek frekanslı bir brick modül için gayet makul ve endüstride kabul gören değerlerdir.

Basit LC Çıkış Filtresi ile İyileştirme

Diyelim ki modül çıkışına ekstra bir Lf–Cf filtresi eklediniz:

Lf = 2,2 µH
Cf = 220 µF

Kesim frekansı kaba hesapla:

fc= 1 / (2 x Pi x √(Lf x Cf) ) = 7.2 kHz (Yaklaşık olarak)

200 kHz civarındaki anahtarlama ripple bileşeni için teorik olarak ~(200 kHz / 7,2 kHz ≈ 28) katlık bir frekans oranı var.

İdeal bir ikinci derece LC’de bu, teoride >40 dB sönüm anlamına gelir ama kayıplar, ESR, yük etkileri vs. derken pratikte 15–25 dB civarı bir azalma görmek daha gerçekçidir.

Yani kabaca:

280 mVpp → ek LC ile 50–100 mVpp bandına düşmek teorik olarak mümkündür.
Ancak faz marjı, kontrol loop kararlılığı ve step yük cevabı mutlaka tekrar değerlendirilmelidir (modülün kendi kompanzasyonu ekstra kapasitif yüke karşı belli marjlarla tasarlanmıştır).

20. ÖLÇÜM SENARYOSU: “DATASHEET’TEN FARKLI GÖRÜNEN” DURUMLARI OKUMA

Profesyonel bir yazıda ilgi çeken kısım genelde problem senaryolarıdır. Aşağıdaki alt başlıkları web sitenizde ayrı ayrı vignette gibi kullanabilirsiniz.

Senaryo 1 – Ripple Normalden Yüksek Çıkıyor

Belirti: 24 V çıkışta datasheet 280 mVpp derken siz 600–800 mVpp görüyorsunuz.

Tipik nedenler:

Uzun ground kablolu prob, kötü yer seçimi.
Çıkışta datasheet’teki 10 µF tantal + 1 µF seramik + minimum 100 µF kombinasyonu yok.
Osiloskop bant genişliği sınırsız (500 MHz, 1 GHz) ve layout/loop kaynaklı HF gürültünün tamamını görüyorsunuz.
Yük kablosu uzun, kıvrımlı; kablonun endüktansı da bir LC rezonansına neden oluyor.
Yük aslında “tam resistif” değil, örneğin anahtarlamalı bir DC yük (elektronik load’ın içindeki topoloji ripple’i büyütüyor).

Senaryo 2 – Ripple Çok Düşük Çıkıyor

Belirti: 280 mVpp beklerken 30–40 mVpp görüyorsunuz.

Olası nedenler:

Osiloskopta bant genişliği çok kısık, örn. 20 MHz yerine 200 kHz limit kullanılıyor.
Ölçüm, modülün üzerinden değil; üstünde ekstra büyük LC’ler olan uzak bir noktadan alınıyor (distribution filtresi, ikinci kademe regulator vb.).
Yük akımı datasheet’e göre “tam yük” değil; düşük yükte bazı topolojiler ripple’i ciddi azaltabilir.

Senaryo 3 – Ripple Dalga Şekli “Kirli”, Düzgün Sinüs Gibi Değil

Bu aslında iyi bir işaret: Gerçek ripple dalga şeklinin üstüne HF gürültü biniyor demektir — zaten “ripple & noise” tam da bunu kapsar.

Dalga şekli üzerinde şunları gözleyebilirsiniz:

Anahtarlama periyodu boyunca yumuşak üçgen/dişli dalga (temel ripple).
Geçişlerde (MOSFET açma/kapama anında) ince, yüksek frekanslı spike’lar.
Bazı durumlarda LC rezonansına bağlı ringing.

Bu durumda profesyonel okuyucu için hoş bir mesaj:
“Dalga şekline bakarken sadece genliğe değil, spektral içeriğe ve dominant frekans bileşenlerine de bakın.”

İsterseniz yazıda FFT ekran görüntüsü örneklerinden bahsedebilirsiniz (fakat üretici datasında böyle bir FFT yok; siz kendi laboratuvar görüntülerinizi kullanabilirsiniz).

21. ÖLÇÜM CHECKLİST’İ (KUTU İÇİNDE ÖNE ÇIKARILABİLİR)

DCDC Brick bir modülün Ripple Ölçümü İçin Hızlı Kontrol Listesi

Vin 24–36 V aralığında, yeterli akım kapasiteli, düşük ripple’lı bir DC kaynak kullandınız mı?
Girişte Cin = 330 µF low-ESR kondansatörü modül pinlerine yakın konumda mı?
Çıkışta en az 100 µF + 10 µF tantal + 1 µF seramik kombinasyonu var mı?
Yük gerçekten 150 W’a yakın bir değerde mi (24 V / 6,25 A ≈ 3,84 Ω)?
Prob ground halkasını doğrudan –Vout pinine, prob ucunu +Vout’a bastırdınız mı?
Osiloskopta 20 MHz bant limiti aktif mi?
Ripple’i hem modül çıkışında, hem de varsa LC sonrası noktada karşılaştırdınız mı?
Ölçümü birkaç farklı zaman ölçeğinde (mikrosaniye / milisaniye) gözleyip transient etkileri incelediniz mi?

22. RIPPLE SONUÇLARI İLE MODÜLÜ DEĞERLENDİRMEK

Bu modül sınıfında hedefler kabaca şunlardır:

150 W güç seviyesinde %1–2 p-p ripple,
Uygun filtrasyon ile ortak mod gürültüsü de dahil edildiğinde sistem tarafında daha da düşük efektif gürültü,
Demiryolu, endüstri, savunma gibi alanlarda ek EMI filtreleri ile beraber kullanılabilecek, tahmin edilebilir ve tekrarlanabilir dalga şekilleri.

Bu yüzden, DCDC brick modül için yapılacak profesyonel bir değerlendirmede yoğunlaşılması gereken nokta:

Ripple seviyesini datasheet test koşulları ile karşılaştırmak,
Ripple’in spektral içeriğini (hangi frekans bandında yoğunlaştığını) görmek,
Uygulamanın hassasiyetine göre (ör. hassas analog ölçüm, RF ön yükselteç, FPGA beslemesi vs.) gerekli ek filtre mimarisini seçmek.

23. DALGALANMA (RIPPLE) AZALTMA TEKNİKLERİ

"Askeri ve Sivil Projelerde DC-DC Çevirici Devrelerinde Ripple ve Gürültü Azaltma Teknikleri" isimli yazımıza bu linke tıklayarak ulaşabilirsiniz...

Düşük gürültülü ATAQ DC-DC brick modüllerimizi kullanmak için tıklayınız.

TEKNİK DOKÜMANLAR

Şekil-4: Tam Köprü Doğrultucu Devresi Şekil 4'de gösterilen dalgalanma voltajı, düşük frekanslı dalgalanma voltajıdır. AC'den DC'ye veya DC'den DC'ye dönüştürücüler gibi daha yüksek frekanslı uygulamalarda dalgalanma voltajının frekansı daha yüksek olabilir.