نویز منبع تغذیه و راه های کاهش آن

کاهش نویز از مسایل مهمی ایست  که امروزه باید به آن توجه کرد. یک منبع تغذیه‌ دقیق و با نویز کم هنگام بررسی و تحلیل و تست مدارات الکترونیک اهمیت بسیار زیادی دارد پس  کاهش نویز منابع در مدار نیز اهمیت زیادی خواهد داشت. اما در ابتدا باید با منبع تغذیه و انواع و کاربرد های آن آشنا شویم.

 

منبع تغذیه چیست؟

 

دستگاه الکترونیکی که انرژی الکتریکی را برای بار فراهم میکند، منبع تغذیه (power supply) نامیده میشود. عملکرد اولیه تمام منابع تغذیه تبدیل انرژی الکتریکی میباشد. به عبارت دیگروظیفه منبع تغذیه، دریافت انرژی الکتریکی از یک منبع انرژی (برقی، مکانیکی، شیمیایی، خورشیدی) و تبدیل آن به ولتاژ، جریان و فرکانس مناسب برای تغذیۀ بار مصرفی است. یک منبع تغذیۀ تنظیم‌شده (Regulated)، می‌تواند ولتاژ یا جریان خروجی خود را تا حد معینی تقریباً ثابت نگه دارد. این دستگاه یکی از رایج ترین تجهیزات در فرآیند تست و اندازه‌گیری در آزمایشگاه‌های الکترونیک، مخابرات و مکاترونیک محسوب می‌شود.

هرجا که لازم باشد می‌توان ولتاژ ورودی را با مقدار تنظیم‌شده و مناسبی به مدار اعمال کرد یا قطعات الکترونیکی و الکترومکانیکی را با آن تست کرد. حساسیت منبع تغذیه به عنوان ورودی و اولین بلوک اساسی مداربسیار زیاد است.پس باید دقیق و با نویز کم باشد. این بلوک می‌تواند با تولید یک ولتاژ با نوسانات کم و بدون تغییرات ناگهانی، نقش یک ورودی مناسب و منطبق با تحلیل‌های مداری را ایفا کند و یا با تولید نویز، تقویت آن و نیز نوسان ولتاژ و جریان بیش از حد انتظار، به مدار آسیب جدی وارد کند.

 

انواع منبع تغذیه:

 

از نظر ولتاژ خروجی به دو نوع منابع تغذیه DC و AC دسته بندی می گردند و منابع DC از دیدگاه ساختمان داخلی به دو دسته منابع تغذیه خطی و سوئیچینگ تقسیم می شوند و با توجه به خروجی دستگاه به انواع تک‌خروجی، چند‌خروجی و منابع تغذیه برنامه‌پذیر، همچنین از نظر نمایش ولتاژ خروجی، به دو نوع آنالوگ و دیجیتال تقسیم‌بندی می‌ شوند.

 

منابع تغذیه سوییچینگ و اثر نویز آن ها:

مبدلهاي قدرت سوئيچينگ بدليل مزيتهاي زيادي كه دارند، محبوبيت زيادي پيدا كرده اند و به عنوان جزء اصلي هر نوع دستگاهي كه نياز به تغذيه دارد، بكار مي روند. اما با وجود اين همه مزيت، يك عيب اساسي نيز در اين منابع تغذيه سوئيچينگ وجود دارد و آن توليد نويز با فركانس بالا است كه بدليل كليدزني سريع رگولاتورهاي مبدل قدرت با توانهاي فوق العاده زياد، بوجود مي آيد. در بيشتر كاربردها، ضروري است كه نويز را در خارج از منبع تغديه فيلتر كنند و از انتشار آن با استفاده ازپرده هاي فلزي محافظي كه روي دستگاه كشيده مي شود، جلوگيري كنند.

به همين دليل منابع تغذيه سوئيچينگ را مي بايست توسط جعبه هاي فلزي پوشاند تا از انتشار امواج الكترومغناطيسي در محيط، توسط منابع تغذيه سوئيچينگ جلوگيري شود. به عنوان نمونه مي توان به منابع تغذيه سوئيچينگ در كامپيوترهاي شخصي اشاره كرد كه در يك جعبه فلزي از آن محافظت مي شود، تا بتوان تا حد ممكن از تداخل الكترومغناطيسي توسط منبع تغذيه سوئيچينگ جلوگيري نمود. همچنين در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ تا حد ممكن بايد دقت شود كه با بكار گرفتن روشهاي مناسب، امواج الكترومغناطيسي را كه در فضاي اطراف منتشر مي شود كاهش داد.

منبع تغذیه

منبع تغذیه

 

 

سه پارامتر مهم را كه در همه منابع تغذيه سوئيچينگ بايد زمين شوند عبارتند از:

-۱ سيستم انتقال سيگنالهاي با توان کم.
-۲ سيستم قدرت با نويز زياد.
-۳ جعبه فلزي منبع تغذيه سوئيچينگ.

از مزایای منابع تغذیه خطی نسبت به سوییچینگ قابلیت تحمل بار زیاد با نویز کم در خروجی و زمان پاسخ دهی بسیار کوتاه است و همچنین برای توان های کمتر از 10 وات ارزانتر از مدارهای مشابه سوئیچینگ تمام می شود.

 

استفاده از پرده محافظ براي جلوگيري از تشعشع امواج الكترومغناطيسي

يكي از مسائل مهمي را كه در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ بايد به آن توجه كرد تشعشع امواج الكترومغناطيسي  یا نویز منبع تغذیه ،ازقطعات به فضاي اطراف است. اين مسأله در طراحي منابع تغذيه سوئيچينگ از اهميت ويژه اي برخوردار است. حتي اگر به سيم كشي و زمين كردن اصولي توجه زيادي داشته باشيم ولي به تشعشع امواج الكترومغناطيسي از قطعات سيستم توجه نکنيم، خواهيم ديد كه هنوز نويز زيادي در فضاي اطراف منبع تغذيهاي كه با روش سوئيچينگ كار مي كند منتشر ميشود و اين ميزان نويز مي تواند در سيستمهاي مخابراتي و الكترونيكي كه در مسافت نزديك در حال كار هستند بصورت مخرب ايجاد تداخل امواج الكترومغناطيسي كند.عمل كليدزني در رگولاتورهاي با فركانس زياد مي تواند نويز با هارمونيكهاي پرقدرت در رنج فركانسي VHF توليد كند.

بسته هاي قطعات مدار نمي توانند از تشعشع امواج با فركانس بالاي الكترومغناطيسي جلوگيري نمايند و فركانسهاي راديويي كه در فضا به راحتي منتشر مي شوند، در باندهاي راديويي و تلويزيوني و حتي ماكروويو ايجاد تداخل مخرب مي كنند. براي از بين بردن اين مشكل بايد اطراف قطعات را با پرده هاي فلزي محافظ كه داراي زمين الكتريكي هستند و كاملاً آب بندي شده اند پوشاند. تا از تشعشع امواج الكترومغناطيسي آنها جلوگيري شود و حتي هيت سينكهاي قطعات نيز بايستي كه زمين الكتريكي شوند.

 

حفظ نسبت حذف نویز منبع تغذیه (PSRR)

 

معمولا این مسئله خیلی مهم که ایزوله کردن تغییرات منبع تغذیه و نویزهای موجود در آن از ولتاژ مرجع تقویت کننده ها می باشد در طراحی مدارات نادیده گرفته می شود. این مسئله بسیار مهمی است چرا که در دنیای مدارات واقعی منابع تغذیه کاملا ایده آل نیستند وهمچنین وجود هرگونه سیگنال AC بر روی خط تغذیه می تواند به درون مدار فیدبک گردد و تقویت شده و اگر شرایط منطقی صحیح باشد منجر به نوسان ها ناخواسته بشوند.

آپ امپ های مدرن در طراحی های داخلی خود این موضوع را مد نظر قرارداده اند و پارامتری به نام PSRR را در دیتا شیت های خود آورده اند که نمایانگر قدرت آن در این امر باشد و در حدود 80 تا 100 dB است. اما در آپ امپ های رایج این مقدار عددی بین 40 تا 100 dBمی باشد که در طراحی ها باید به این موضوع توجه گردد.

هرچند با استفاده از تقسیم کننده های مقاومتی ساده و آپ امپ های بافر کننده ولتاژ تغذیه را به عنوان ولتاژ مرجع آپ امپ دیگر متصل می کنند که این امر منجر به عبور مستقیم تغییرات ولتاژ تغذیه از آنها به آی سی اصلی می گردد، و حتی این امر را با استفاده از فیلتر های پایین گذر در تقسیم کننده های مقاومتی نیز کم می کنند، اما این کارها باز هم PSRR نرمال آی سی را کاهش می دهند.

منبع تغذیه

شکل2

در شکل2

یک خازن بزرگ در تقسیم کننده مقاومتی برای کاهش ریپل و تغییرات ولتاژ تغذیه استفاده شده که به حفظ PSRRکمک کند. همانگونه که در شکل نمایش داده شده است یک انتخاب خوب سرانگشتی استفاده از مقاومتهای 100 کیلواهمی و خازن 100 میکروفارادی است که فرکانس قطعی برابر با 0.03 هرتز را ایجاد می کند و همچنین خازن دوم که موازی با مقاومت R3قرار داده شده است هرگونه نویز ناشی از مقاومت ها را کنسل می کند.

البته طراحان همیشه باید این نکته را هم در ذهن خود داشته باشند که شارژ شدن خازن C1از طریق مقاومت های R1 و R2 کمی زمان می برد و زمان آن نیز برابر با RC می باشد که با این مقادیر این مقدار حدود 5 ثانیه طول می کشد تا ولتاژ مرجع در پین آی سی به مقدار مورد نظر برسد..در مدار شکل 3 سعی شده که این مشکل کمتر گردد.

منبع تغذیه

شکل3

در اینجا آپ امپ بافر به عنوان یک فیلتر فعال که از یک خازن با ظرفیت کمتری استفاده می کند استفاده شده است.که بنابر این زمان شارژ بسیار کم شده و همچنین باعث شده که فیلتر پایین گذر نیز دارای Q بالاتری بشود. یک تست انجام شده بر روی مدار زیر به این شرح بود که تغذیه 12 ولت و ولتاژ تقسیم شده 6 ولت تنظیم گردید.یک سیگنال سینوسی با دامنه 1 ولت پیک تا پیک با فرکانس متغیر بر روی تغذیه 12 ولتی مدوله گردید و بهره تقویت کننده نیز 1 تنظیم شد. بر روی پین مرجع آی سی و همچنین پین خروجی آن تا وقتی که فرکانس از بالا به 8 هرتز رسید هیچ سیگنال AC توسط اسکوپ مشاهده نگردید. و زمان شارژ نیز در حدود 2 ثانیه اندازه گیری شد.

نکاتی که باید در قسمت تغذیه مدار به آن توجه کرد  :

  1. استفاده از منابع تغذیه سوییچینگ با خروجی دقیق و ثابت ( باید دقت شود در صورت استفاده از این منابع تغذیه حتی الامکان سعی شود مدار منبع تغذیه در داخل جعبه مدار میکروکنترلر قرار نگیرد  و یا در صورتی که هر دو مدار در یک جعبه قرار دارند حتما بوسیله ی شیلد فلزی محفظه ی تغذیه را از محفظه میکروکنترلر جدا شود به گونه ای که کاملا در امواج ایزوله باشد. )
  2.  استفاده از رگولاتور در صورت استفاده از منابع تغذیه ترانسی
  3.  در صورتی که قصد استفاده از ترانس به عنوان منبع تغذیه باشد باید سعی شود حداقل ترانس با خروجی ۳ الی ۵ ولت بیشتر از نیاز تهیه شود  و سپس بوسیله ی پل دیود و رگولاتور خروجی ترانس را پایدار و دقیق کرد.
  4. در انتخاب رگولاتور دقت شود:
  5. رگولاتوری که استفاده می شود باید از نظر جریان خروجی با جریان مورد نیاز متناسب باشد ، در غیر اینصورت علاوه براینکه رگولاتور دچار افت ولتاژ می شود ، با گرم شدن زیاد احتمال سوختن رگولاتور و از کارافتادن مدار نیز وجود دارد.
  6. قرار دادن  یک خازن با ظرفیت بیش از ۱۰۰۰ میکروفاراد و یک خازن پلی استر ۱۰۰ نانو فاراد بین پایه گراند و ورودی رگولاتور.
  7. قرار دادن یک خازن ۱۰۰ نانو فاراد پلی استر و یک خازن الکترولیتی با ظرفیت بیش از ۱۰۰۰ میکروفاراد بین پایه خروجی و گراند رگولاتور
  8. قرار دادن خازن ۱۰۰ نانو فاراد بین پین های VCCو گراند AVR در نزدیکی پایه های میکروکنترلر

بیشتر بخوانید:نویز الکترومغناطیسی و کاهش آن

و همچنین: how to reduce switching power supply noise

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *