Alimentazione: alcuni suggerimenti (parte 6) – Misurazione accurata dei ripple negli alimentatori

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 

Misurare un alimentatore è un’arte vera e propria. La figura 1 mostra un esempio in cui un ingegnere inesperto ha collegato un oscilloscopio in tutta fretta, sbagliando praticamente tutto. Il suo primo errore è stato quello di collegare una sonda con un cavetto di massa lungo. Il secondo errore è consistito nel posizionare l’anello formato dalla sonda dell’oscilloscopio e dal cavetto di massa proprio vicino al trasformatore di potenza e agli elementi di commutazione. E per finire ha provocato un’ulteriore induttanza tra la sonda e il condensatore di uscita.

Fig. 1 – Una misurazione impropria del ripple fornisce risultati scadenti

Il problema è che, in tal modo, vengono rilevati disturbi ad alta frequenza, riconoscibili nella forma piuttosto ondulata del segnale. All’interno di un alimentatore esistono numerose tensioni e correnti ad ampio segnale che, commutando velocemente, possono facilmente accoppiarsi alla sonda. Ciò può essere causato da un accoppiamento del campo magnetico dal trasformatore di potenza, un accoppiamento del campo elettrico dai nodi di commutazione o una corrente di modo comune generata dalla capacità tra gli avvolgimenti del trasformatore.

 

La misurazione del ripple di un alimentatore può essere sensibilmente migliorata adottando una tecnica di misurazione corretta. Innanzitutto, il ripple viene generalmente specificato con un limite della larghezza di banda per escludere eventuali interferenze ad alta frequenza che di fatto non sono presenti. Quindi occorre impostare l’oscilloscopio utilizzato per la misurazione su questo limite della larghezza di banda. In secondo luogo, l’effetto antenna provocato dal cavetto di massa lungo può essere eliminato rimuovendo il puntale della sonda e adattandolo come indicato nella figura 2.

Fig. 2 – Quattro semplici modifiche migliorano drasticamente la misurazione

A tale scopo si avvolge un po’ di filo intorno al collegamento a terra della sonda, utilizzandolo come collegamento a terra dell’alimentatore. Questo accorgimento offre l’ulteriore vantaggio di ridurre la lunghezza del puntale esposta all’elevata radiazione elettromagnetica in prossimità dell’alimentatore, riducendo ulteriormente la propagazione dei segnali di disturbo. Infine, negli alimentatori isolati si formano elevate correnti di modo comune che possono confluire nel collegamento di terra della sonda. Ciò crea una caduta di tensione tra la massa dell’alimentatore e quella dell’oscilloscopio, che può essere riscontrabile come ripple.

Per ovviare a questo inconveniente occorre dedicare una particolare attenzione al filtraggio di modo comune durante la progettazione dell’alimentatore. Avvolgendo il cavo della sonda intorno a un nucleo di ferrite è possibile ridurre ulteriormente questo flusso di corrente. In questo modo si crea un’induttanza di modo comune che, senza influire sulla misurazione della tensione differenziale, riduce l’errore di misurazione provocato dalla corrente di modo comune. Nella figura 2 sono raffigurate le tensioni di ripple misurate sullo stesso identico circuito, ma con questa tecnica di misurazione perfezionata. Come si può vedere, gli spike ad alta frequenza sono stati praticamente eliminati.

 

In realtà, l’andamento del ripple di un alimentatore sarà migliore se l’alimentatore viene integrato in un sistema. In tal caso ci sarà quasi sempre una certa induttanza tra l’alimentatore e il resto del sistema. Questa induttanza può derivare dal cablaggio o essere semplicemente presente nelle piste sul circuito stampato. Inoltre ci sarà sempre un’ulteriore capacità di bypass in prossimità dei chip che formano il carico per l’alimentazione. Queste due reattanze formano un filtro passa basso che riduce ulteriormente il ripple dell’alimentatore e/o il rumore ad alta frequenza.

Prendendo come esempio estremo una piccola pista lunga un pollice (corrispondente a un’induttanza di 15 nH) e un condensatore di bypass da 10 uF, la frequenza limite di questo filtro è pari a 400 kHz. In questo caso si avrà quindi una forte riduzione del rumore ad alta frequenza. Spesso la frequenza di taglio di questo filtro è inferiore alla frequenza di ripple dell’alimentatore, permettendo così una sostanziale riduzione del ripple. Un ingegnere con un minimo di creatività dovrebbe essere in grado di sfruttare questi accorgimenti nei propri test di laboratorio.

Un ringraziamento a Brian King di Texas Instruments per il prezioso aiuto con le immagini di laboratorio

Nel numero 7 di Suggerimenti sull’alimentazione parleremo di compensazione degli alimentatori per i LED

Robert Kollman, Texas Instruments

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