Metoda pomiaru zasilacza impulsowego za pomocą oscyloskopu cyfrowego
Zasilacze są dostępne w szerokiej gamie typów i rozmiarów, od tradycyjnych zasilaczy analogowych po wysokowydajne zasilacze impulsowe. Wszyscy muszą stawić czoła złożonemu i dynamicznemu środowisku pracy. Obciążenia i wymagania sprzętu mogą się radykalnie zmienić w ciągu jednej chwili. Nawet „codzienny” zasilacz impulsowy może wytrzymać chwilowe wartości szczytowe znacznie przekraczające jego średni poziom operacyjny. Inżynierowie projektujący zasilacz lub zasilacz do zastosowania w systemie muszą zrozumieć, w jaki sposób zasilacz działa w warunkach statycznych, a także w najgorszych warunkach.
W przeszłości charakteryzowanie zachowania zasilacza oznaczało pomiar prądu i napięcia spoczynkowego za pomocą multimetru cyfrowego oraz wykonywanie żmudnych obliczeń za pomocą kalkulatora lub komputera PC. Obecnie większość inżynierów wybiera oscyloskop 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, automatyzować obliczenia i wyświetlać wyniki w ciągu kilku sekund, a nie tylko surowe dane.
Zagadnienia projektowania zasilaczy i ich potrzeby pomiarowe
W idealnym przypadku każdy zasilacz powinien zachowywać się zgodnie z modelem matematycznym, dla którego został zaprojektowany. Jednak w prawdziwym świecie komponenty są wadliwe, obciążenia mogą się zmieniać, zasilacze mogą być zniekształcone, a zmiany środowiskowe mogą wpływać na wydajność. Ponadto zmieniające się wymagania dotyczące wydajności i kosztów komplikują konstrukcję zasilacza. Rozważ następujące pytania:
Ile watów może wytrzymać zasilacz powyżej mocy znamionowej? Jak długo to może trwać? Ile ciepła wydziela zasilacz? Co się stanie, gdy się przegrzeje? Jakiego przepływu powietrza chłodzącego potrzebuje? Co się stanie, gdy prąd obciążenia znacznie wzrośnie? Czy urządzenie może utrzymać znamionowe napięcie wyjściowe? Jak zasilacz radzi sobie ze zwarciem na wyjściu? 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.
Oscyloskop i pomiary mocy
Dla osób przyzwyczajonych do wykonywania pomiarów o dużej przepustowości za pomocą oscyloskopu, pomiary zasilania mogą być proste ze względu na ich stosunkowo niskie częstotliwości. W rzeczywistości istnieje wiele wyzwań związanych z pomiarem mocy, którym projektanci obwodów o dużej prędkości nigdy nie będą musieli stawić czoła.
Cała rozdzielnica może być wysokonapięciowa i „pływająca”, czyli niepodłączona do masy. Szerokość impulsu, okres, częstotliwość i cykl pracy sygnału mogą się różnić. Aby wykryć anomalie w przebiegu, należy wiernie rejestrować i analizować przebiegi. Jest to wymagające dla oscyloskopu. Wiele sond — jednocześnie wymagane są sondy jednokońcówkowe, sondy różnicowe i prądowe. Przyrząd musi posiadać dużą pamięć, aby zapewnić miejsce na zapis długoterminowych wyników akwizycji niskich częstotliwości. Może zaistnieć konieczność przechwycenia w jednej akwizycji różnych sygnałów o bardzo różnych amplitudach.
Podstawy zasilaczy impulsowych
Dominującą architekturą zasilania prądem stałym w większości nowoczesnych systemów jest zasilacz impulsowy (zasilacz impulsowy), który jest znany ze swojej zdolności do wydajnej obsługi zmiennych obciążeń. Ścieżka sygnału mocy typowego zasilacza impulsowego obejmuje elementy pasywne, elementy aktywne i elementy magnetyczne. Zasilacze impulsowe wykorzystują jak najmniej elementów stratnych (takich jak rezystory i tranzystory liniowe), a głównie (idealnie) elementy bezstratne: tranzystory przełączające, kondensatory i elementy magnetyczne.
Urządzenie zasilacza impulsowego ma również część sterującą, która obejmuje regulator modulacji szerokości impulsu, regulator modulacji częstotliwości impulsów oraz pętlę sprzężenia zwrotnego 1 i inne elementy. Część sterująca może posiadać własne zasilanie. Rysunek 1 to uproszczony schemat zasilacza impulsowego, przedstawiający sekcję konwersji mocy, 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 krótkimi czasami przełączania i są odporne na nieregularne skoki napięcia. Co równie ważne, zużywają bardzo mało energii zarówno w stanie włączonym, jak i wyłączonym, są bardzo wydajne i generują niewiele ciepła. Urządzenia przełączające w dużej mierze determinują ogólną wydajność zasilacza impulsowego. Kluczowe pomiary urządzeń przełączających obejmują: straty przełączania, średnią stratę mocy, bezpieczny obszar operacyjny i inne.
