Metoda za mjerenje sklopnog napajanja digitalnim osciloskopom
Od tradicionalnih analognih izvora napajanja do učinkovitih prekidačkih izvora napajanja, vrste i veličine izvora napajanja uvelike se razlikuju. Svi se suočavaju sa složenim i dinamičnim radnim okruženjima. Opterećenje opreme i potražnja mogu pretrpjeti značajne promjene u trenutku. Čak i "dnevno" prekidačko napajanje mora biti u stanju izdržati trenutne vršne napore koji daleko premašuju njegovu prosječnu radnu razinu. Inženjeri koji dizajniraju izvore napajanja ili sustave za korištenje izvora napajanja moraju razumjeti radne uvjete napajanja u statičkim i najgorim uvjetima.
U prošlosti je opisivanje karakteristika ponašanja izvora energije značilo korištenje digitalnog multimetra za mjerenje statičke struje i napona i izvođenje teških izračuna pomoću kalkulatora ili osobnog računala. Danas se većina inženjera okreće osciloskopima kao preferiranoj platformi za mjerenje snage. Moderni osciloskopi mogu biti opremljeni integriranim softverom za mjerenje i analizu snage, što pojednostavljuje postavljanje i čini dinamičko mjerenje lakšim. Korisnici mogu prilagoditi ključne parametre, automatski izračunati i vidjeti rezultate unutar nekoliko sekundi, umjesto samo neobrađenih podataka.
Pitanja dizajna napajanja i zahtjevi za mjerenje
U idealnom slučaju, svaki izvor napajanja trebao bi raditi kao matematički model dizajniran za njega. Ali u stvarnom svijetu, komponente su manjkave, opterećenja se mogu promijeniti, napajanje može biti iskrivljeno, a promjene u okruženju mogu promijeniti performanse. Štoviše, zahtjevi za performansama i troškovima koji se stalno mijenjaju također čine dizajn napajanja složenijim. Razmotrite ove probleme:
Koliko vata snage može održati napajanje izvan svoje nazivne snage? Koliko može trajati? Koliko topline emitira napajanje? Što se događa kada se pregrije? Koliki protok zraka za hlađenje zahtijeva? Što se događa kada se struja opterećenja znatno poveća? Može li uređaj održati nazivni izlazni napon? Kako napajanje reagira na potpuni kratki spoj na kraju izlaza? Što se događa kada se ulazni napon napajanja promijeni?
Dizajneri moraju razviti napajanja koja zauzimaju manje prostora, smanjuju toplinu, smanjuju troškove proizvodnje i zadovoljavaju strože EMI/EMC standarde. Samo strogi sustav mjerenja može omogućiti inženjerima postizanje ovih ciljeva.
Osciloskop i mjerenje napajanja
Za one koji su navikli koristiti osciloskop za mjerenja velike propusnosti, mjerenje snage može biti jednostavno jer je njegova frekvencija relativno niska. Zapravo, postoje i mnogi izazovi s kojima se dizajneri brzih sklopova nikada ne moraju suočiti u mjerenju snage.
Napon cijelog sklopnog uređaja može biti visok i lebdeći, što znači da nije uzemljen. Širina impulsa, period, frekvencija i radni ciklus signala će varirati. Potrebno je istinito uhvatiti i analizirati valni oblik i otkriti sve abnormalnosti u valnom obliku. Zahtjevi za osciloskope su zahtjevni. Višestruke sonde - istovremeno zahtijevaju jednostrane sonde, diferencijalne sonde i strujne sonde. Instrument mora imati veliku memoriju kako bi osigurao prostor za snimanje dugoročnih rezultata niskofrekventne akvizicije. I može zahtijevati hvatanje različitih signala sa značajnim razlikama u amplitudi u jednom prikupljanju.
Osnove prekidačkog napajanja
Glavna arhitektura istosmjernog napajanja u većini modernih sustava je sklopno napajanje (SMPS), koje je dobro poznato po svojoj sposobnosti da se učinkovito nosi s promjenjivim opterećenjima. Put električnog signala tipičnog prekidačkog napajanja uključuje pasivne komponente, aktivne komponente i magnetske komponente. Preklopni izvori napajanja trebali bi minimizirati upotrebu komponenti s gubicima kao što su otpornici i linearni tranzistori i uglavnom koristiti (idealno) komponente bez gubitaka kao što su preklopni tranzistori, kondenzatori i magnetske komponente.
Preklopni uređaj za napajanje također ima upravljački dio, koji uključuje komponente kao što su regulator širinsko-impulsne modulacije, regulator frekvencijske modulacije impulsa i povratnu petlju 1. Upravljačka sekcija može imati vlastito napajanje. Slika 1 je pojednostavljeni shematski dijagram prekidačkog napajanja, koji prikazuje dio za pretvorbu energije, uključujući aktivne uređaje, pasivne uređaje i magnetske komponente.
Tehnologija sklopnog napajanja koristi poluvodičke sklopne uređaje kao što su metalni oksidni tranzistori s efektom polja (MOSFET) i bipolarni tranzistori s izoliranim vratima (IGBT). Ovi uređaji imaju kratko vrijeme prebacivanja i mogu izdržati nestabilne skokove napona. Jednako važno, troše vrlo malo energije u otvorenom i zatvorenom stanju, uz visoku učinkovitost i nisko stvaranje topline. Preklopni uređaji uvelike određuju ukupnu izvedbu sklopnih izvora napajanja. Glavna mjerenja sklopnih uređaja uključuju: prekidački gubitak, prosječni gubitak snage, sigurno radno područje i druga.
