Metoda pomiaru zasilacza impulsowego za pomocą oscyloskopu cyfrowego
Od tradycyjnych zasilaczy analogowych po wydajne zasilacze impulsowe — typy i rozmiary zasilaczy są bardzo zróżnicowane. Wszyscy stoją w obliczu złożonych i dynamicznych środowisk pracy. Obciążenie i zapotrzebowanie sprzętu mogą w jednej chwili ulec znaczącym zmianom. Nawet „codzienny” zasilacz impulsowy musi być w stanie wytrzymać chwilowe szczyty, które znacznie przekraczają jego średni poziom operacyjny. Inżynierowie projektujący zasilacze lub systemy wykorzystujące zasilacze muszą zrozumieć warunki pracy zasilacza w warunkach statycznych i najgorszych.
W przeszłości opisywanie charakterystyki behawioralnej źródeł zasilania oznaczało użycie multimetru cyfrowego do pomiaru prądu i napięcia statycznego oraz wykonywanie żmudnych obliczeń przy użyciu kalkulatora lub komputera PC. Obecnie większość inżynierów wybiera oscyloskopy jako preferowaną platformę pomiaru mocy. Nowoczesne oscyloskopy można wyposażyć w zintegrowane oprogramowanie do pomiaru i analizy mocy, co upraszcza konfigurację i ułatwia pomiary dynamiczne. Użytkownicy mogą dostosowywać kluczowe parametry, automatycznie obliczać i wyświetlać wyniki w ciągu kilku sekund, a nie tylko surowe dane.
Zagadnienia projektowania zasilaczy i wymagania pomiarowe
W idealnym przypadku każdy zasilacz powinien działać zgodnie z zaprojektowanym dla niego modelem matematycznym. Jednak w prawdziwym świecie komponenty są wadliwe, obciążenia mogą się zmieniać, zasilanie może być zniekształcone, a zmiany środowiskowe mogą wpływać na wydajność. Co więcej, stale zmieniające się wymagania dotyczące wydajności i kosztów również komplikują projektowanie zasilaczy. Rozważ następujące kwestie:
Ile watów mocy może utrzymać zasilacz powyżej mocy znamionowej? Jak długo to może trwać? Ile ciepła emituje zasilacz? Co się stanie, gdy się przegrzeje? Jakiego przepływu powietrza chłodzącego wymaga? Co się stanie, gdy prąd obciążenia znacznie wzrośnie? Czy urządzenie może utrzymać znamionowe napięcie wyjściowe? Jak zasilacz reaguje na całkowite zwarcie na końcu wyjściowym? Co się stanie, gdy zmieni się napięcie wejściowe zasilacza?
Projektanci muszą opracowywać zasilacze, które zajmują mniej miejsca, redukują wydzielanie ciepła, zmniejszają koszty produkcji i spełniają bardziej rygorystyczne normy EMI/EMC. Tylko rygorystyczny system pomiarowy może umożliwić inżynierom osiągnięcie tych celów.
Pomiar oscyloskopowy i zasilania
Dla osób przyzwyczajonych do używania oscyloskopu do pomiarów szerokopasmowych pomiar mocy może być prosty, ponieważ jego częstotliwość jest stosunkowo niska. W rzeczywistości istnieje również wiele wyzwań, którym projektanci szybkich obwodów nigdy nie będą musieli stawić czoła w zakresie pomiaru mocy.
Napięcie całej rozdzielnicy może być wysokie i zmienne, co oznacza, że nie jest ona uziemiona. Szerokość impulsu, okres, częstotliwość i cykl pracy sygnału będą się różnić. Konieczne jest dokładne przechwycenie i przeanalizowanie przebiegu fali oraz wykrycie wszelkich nieprawidłowości w przebiegu. Wymagania stawiane oscyloskopom są wysokie. Wiele sond - jednocześnie wymagających sond z pojedynczym zakończeniem, sond różnicowych i sond prądowych. Przyrząd musi posiadać dużą pamięć, aby zapewnić miejsce na zapis długoterminowych wyników akwizycji niskich częstotliwości. Może też wymagać przechwycenia w jednej akwizycji różnych sygnałów o znacznych różnicach w amplitudzie.
Podstawy przełączania zasilania
Główną architekturą zasilaczy prądu stałego w większości nowoczesnych systemów jest zasilacz impulsowy (SMPS), który jest dobrze znany ze swojej zdolności do skutecznego radzenia sobie ze zmiennymi obciążeniami. Ścieżka sygnału elektrycznego typowego zasilacza impulsowego obejmuje elementy pasywne, elementy aktywne i elementy magnetyczne. Zasilacze impulsowe powinny minimalizować użycie elementów stratnych, takich jak rezystory i tranzystory liniowe, a wykorzystywać głównie (idealnie) elementy bezstratne, takie jak tranzystory przełączające, kondensatory i elementy magnetyczne.
Urządzenie zasilacza impulsowego posiada również część sterującą, w skład której wchodzą takie elementy jak regulator modulacji szerokości impulsu, regulator modulacji częstotliwości impulsów oraz pętla sprzężenia zwrotnego 1. Sekcja sterująca może posiadać własne zasilanie. Rysunek 1 to uproszczony schemat zasilacza impulsowego, który przedstawia część przetwarzającą moc, w tym urządzenia aktywne, urządzenia pasywne i elementy magnetyczne.
Technologia impulsowych zasilaczy wykorzystuje półprzewodnikowe urządzenia przełączające mocy, takie jak tranzystory polowe z tlenkiem metalu (MOSFET) i tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT). Urządzenia te charakteryzują się krótkim czasem przełączania i są odporne na niestabilne skoki napięcia. Co równie ważne, zużywają bardzo mało energii zarówno w stanie otwartym, jak i zamkniętym, przy wysokiej wydajności i niskim wytwarzaniu ciepła. Urządzenia przełączające w dużej mierze determinują ogólną wydajność zasilaczy impulsowych. Główne pomiary urządzeń przełączających obejmują: stratę przełączania, średnią stratę mocy, bezpieczny obszar pracy i inne.
