Utilizarea unui osciloscop digital pentru a măsura o sursă de alimentare comutată
Sursele de alimentare vin într-o mare varietate de tipuri și dimensiuni, de la surse de alimentare analogice tradiționale până la surse de alimentare cu comutare de înaltă eficiență. Toți se confruntă cu medii de lucru complexe și dinamice. Încărcările și cerințele echipamentelor se pot schimba semnificativ într-o clipă. Chiar și sursele de alimentare în comutație „de zi cu zi” trebuie să poată rezista la vârfuri instantanee care depășesc cu mult nivelurile lor medii de funcționare. Inginerii care proiectează surse de alimentare sau sisteme care vor utiliza surse de alimentare trebuie să înțeleagă modul în care sursa de alimentare funcționează în condiții statice, precum și în cele mai nefavorabile condiții.
În trecut, caracterizarea comportamentului unei surse de alimentare însemna măsurarea curentului și tensiunii de repaus cu un multimetru digital și efectuarea de calcule minuțioase cu un calculator sau un computer. Astăzi, majoritatea inginerilor apelează la osciloscoape ca platformă preferată de măsurare a puterii. Osciloscoapele moderne pot fi echipate cu software integrat de măsurare și analiză a puterii, simplificând configurarea și ușurând măsurătorile dinamice. Utilizatorii pot personaliza parametrii cheie, automatiza calculele și pot vedea rezultatele în câteva secunde, nu doar date brute.
Probleme de proiectare a sursei de alimentare și cerințele lor de măsurare
În mod ideal, fiecare sursă de alimentare ar trebui să se comporte ca modelul matematic pentru care a fost proiectată. Dar, în lumea reală, componentele sunt defecte, sarcinile se pot schimba, sursele de alimentare se pot distorsiona, iar schimbările de mediu pot modifica performanța. În plus, schimbarea cerințelor de performanță și costuri fac, de asemenea, proiectarea sursei de alimentare mai complexă. Luați în considerare aceste întrebări:
Câți wați de putere poate susține sursa de alimentare peste puterea sa nominală? Cât poate dura? Câtă căldură disipă o sursă de alimentare? Ce se întâmplă când se supraîncălzi? Cât de mult flux de aer de răcire necesită? Ce se întâmplă când curentul de sarcină crește semnificativ? Poate dispozitivul să mențină tensiunea nominală de ieșire? Cum răspunde sursa de alimentare la un scurtcircuit complet la ieșire? Ce se întâmplă când tensiunea de intrare a sursei de alimentare se modifică?
Designerii trebuie să dezvolte surse de alimentare care ocupă mai puțin spațiu, reduc căldura, reduc costurile de producție și îndeplinesc standarde EMI/EMC mai stricte. Doar un sistem riguros de măsurare poate permite inginerilor să atingă aceste obiective.
Osciloscop și măsurători de putere
Pentru cei obișnuiți să facă măsurători cu lățime de bandă mare cu un osciloscop, măsurătorile sursei de alimentare pot fi simple din cauza frecvenței lor relativ scăzute. De fapt, există multe provocări în măsurarea puterii pe care designerii de circuite de mare viteză nu trebuie să le înfrunte niciodată.
Întregul aparat de comutare poate fi la tensiune înaltă și „plutitor”, adică să nu fie conectat la masă. Lățimea impulsului, perioada, frecvența și ciclul de lucru al semnalului se vor schimba. Forma de undă trebuie capturată și analizată cu fidelitate pentru a găsi orice anomalie în forma de undă. Acest lucru este solicitant pentru osciloscop. Sonde multiple – Sunt necesare sonde cu un singur capăt, sonde diferențiale și sonde de curent. Instrumentul trebuie să aibă o memorie mare pentru a oferi spațiu de înregistrare pentru rezultate de achiziție de joasă frecvență pe termen lung. Și poate fi necesară captarea diferitelor semnale cu amplitudini foarte diferite într-o singură achiziție.
Bazele comutării sursei de alimentare
Arhitectura de alimentare DC dominantă în majoritatea sistemelor moderne este sursa de alimentare în comutație (sursa de alimentare cu comutare), care este binecunoscută pentru capacitatea sa de a gestiona eficient sarcinile în schimbare. Calea semnalului de putere a unei surse de alimentare cu comutare tipică include componente pasive, componente active și componente magnetice. Sursele de alimentare cu comutație folosesc cât mai puține componente cu pierderi (cum ar fi rezistențele și tranzistoarele liniare) și folosesc în principal (în mod ideal) componente fără pierderi: tranzistori de comutare, condensatori și componente magnetice.
Echipamentul de alimentare cu comutare are, de asemenea, o parte de control, care include un regulator de modulare a lățimii impulsului, un regulator de modulare a frecvenței impulsului și o buclă de feedback 1 și alte componente. Secțiunea de control poate avea propria sa sursă de alimentare. Figura 1 este o diagramă schematică simplificată a unei surse de alimentare comutatoare, care arată partea de conversie a puterii, inclusiv dispozitivele active, dispozitivele pasive și componentele magnetice.
Tehnologia de alimentare cu comutare folosește dispozitive de comutare cu semiconductori de putere, cum ar fi tranzistoarele cu efect de câmp cu oxid de metal (MOSFET) și tranzistoarele bipolare cu poartă izolată (IGBT). Aceste dispozitive au timpi de comutare scurti și pot rezista la vârfuri instabile de tensiune. La fel de important, acestea consumă foarte puțină energie, sunt foarte eficiente și generează căldură scăzută, indiferent dacă sunt în stare de pornire sau oprită. Dispozitivele de comutare determină în mare măsură performanța generală a unei surse de alimentare cu comutație. Principalele măsurători ale dispozitivelor de comutare includ: pierderea de comutare, pierderea medie de putere, zona de operare sigură și altele.
