Jak zmierzyć stratę mocy zasilacza impulsowego za pomocą oscyloskopu cyfrowego
Nowa architektura SMPS: Switch Mode PowerSupply) musi zapewniać wysoki prąd i niskie napięcie procesorom o dużej szybkości transmisji danych i klasie GHz, co wywiera niewidoczną nową presję na projektantów urządzeń zasilających w zakresie wydajności, gęstości mocy, niezawodności i kosztów. Aby uwzględnić te wymagania w projekcie, projektanci przyjęli nowe architektury, takie jak technologia prostowania synchronicznego, korekcja filtra mocy czynnej i zwiększenie częstotliwości przełączania. Technologie te wiążą się również z większymi wyzwaniami, takimi jak duże straty mocy, rozpraszanie ciepła i nadmierne zakłócenia elektromagnetyczne/EMC w urządzeniach przełączających.
Podczas przejścia ze stanu „wyłączony” (włączony) do stanu „włączony” (wyłączony) urządzenie zasilające będzie charakteryzowało się dużym zużyciem energii. (Jednakże straty mocy urządzeń przełączających w stanie „włączonym” lub „wyłączonym” są mniejsze, ponieważ prąd płynący przez urządzenie lub napięcie na urządzeniu jest bardzo małe). Cewki indukcyjne i transformatory mogą izolować napięcie wyjściowe i wygładzać prąd obciążenia. Cewki indukcyjne i transformatory są również podatne na częstotliwość przełączania, co powoduje rozpraszanie mocy i sporadyczne awarie spowodowane nasyceniem.
Ponieważ moc rozproszona w urządzeniu zasilacza impulsowego określa ogólną wydajność efektu cieplnego zasilacza, bardzo ważny jest pomiar strat mocy urządzenia przełączającego i cewki indukcyjnej/transformatora. Pomiar ten może określić efektywność energetyczną i rozpraszanie ciepła.
Pomiar i analiza strat mocy
1. Urządzenie testowe wymagane do pomiaru strat mocy
Uproszczony obwód transformacji przełącznika. Tranzystor polowy mocy MOSFET steruje prądem pod wzbudzeniem zegara 40 kHz. MOSFET nie jest podłączony do masy zasilacza prądu przemiennego ani do masy wyjściowej obwodu, to znaczy jest odizolowany od masy. Dlatego nie można po prostu zmierzyć napięcia odniesienia uziemienia za pomocą oscyloskopu, ponieważ jeśli przewód uziemiający sondy zostanie podłączony do dowolnego zacisku MOSFET-u, punkt ten zostanie zwarty z masą przez oscyloskop.
W tym przypadku pomiar różnicowy jest dobrym sposobem pomiaru kształtu fali napięcia M0SFET. Za pomocą pomiaru różnicowego można zmierzyć VDS, czyli napięcie na końcówce drenu i końcówce źródła MOSFET-u. VDS może unosić się powyżej napięcia, a zakres napięcia może wynosić od dziesiątek do setek woltów, w zależności od zakresu napięcia urządzenia zasilającego. Możesz zmierzyć VDS na kilka sposobów:
Przewód uziemiający oscyloskopu zawieszenia. Zaleca się go nie używać, gdyż jest to wyjątkowo szkodliwe dla użytkownika, testowanego urządzenia i oscyloskopu.
Dwie konwencjonalne sondy pasywne z pojedynczą końcówką służą do połączenia ze sobą przewodów uziemiających, a następnie do pomiaru wykorzystywana jest funkcja obliczania kanału oscyloskopu. Ta metoda pomiaru nazywa się pomiarem quasi-różnicowym. Jednakże, chociaż sonda pasywna może być używana w połączeniu ze wzmacniaczem oscyloskopu, brakuje jej funkcji „współczynnika tłumienia trybu wspólnego” (CMRR), która może prawidłowo blokować dowolne napięcie trybu wspólnego. To ustawienie nie umożliwia dokładnego pomiaru napięcia, ale można użyć istniejącej sondy.
Aby odizolować obudowę oscyloskopu od masy, użyj dostępnego w sklepie izolatora sondy. Przewód uziemiający sondy nie będzie już głównym potencjałem uziemiającym, a sondę można podłączyć bezpośrednio do punktu pomiarowego. Izolator sondy jest skutecznym rozwiązaniem, ale jest drogi, a jego koszt jest od dwóch do pięciu razy większy niż w przypadku sondy różnicowej.
Użycie rzeczywistej sondy różnicowej na oscyloskopie szerokopasmowym. Można zmierzyć VDS za pomocą sondy różnicowej, co również jest dobrą metodą.
Podczas pomiaru prądu przez MOSFET należy najpierw zacisnąć sondę prądową, a następnie dostroić układ pomiarowy. Wiele sond różnicowych jest wyposażonych we wbudowane kondensatory dostrajające offset DC. Wyłącz badane urządzenie, a po całkowitym nagrzaniu oscyloskopu i sondy można ustawić średnią wartość przebiegów napięcia i prądu mierzonych przez oscyloskop. Ustawienie czułości powinno uwzględniać wartości użyte w rzeczywistym pomiarze. W przypadku braku sygnału wyreguluj kondensator dostrajający, aby ustawić średnią zerową każdego kształtu fali na 0 V. Ten krok może znacznie zmniejszyć błąd pomiaru spowodowany przez statyczne napięcie i prąd w systemie pomiarowym.
