Метод вимірювання імпульсного джерела живлення за допомогою цифрового осцилографа
Від традиційних аналогових джерел живлення до ефективних імпульсних джерел живлення типи та розміри джерел живлення дуже відрізняються. Усі вони стикаються зі складним і динамічним робочим середовищем. Навантаження на обладнання та попит можуть миттєво змінитися. Навіть «щоденний» імпульсний джерело живлення повинен бути здатний витримувати миттєві піки, які значно перевищують його середній робочий рівень. Інженери, які розробляють джерела живлення або системи для використання джерел живлення, повинні розуміти робочі умови джерела живлення в статичних і найгірших умовах.
У минулому опис поведінкових характеристик джерел живлення означав використання цифрового мультиметра для вимірювання статичного струму та напруги та виконання складних обчислень за допомогою калькулятора або ПК. Сьогодні більшість інженерів використовують осцилографи як платформу для вимірювання потужності. Сучасні осцилографи можуть бути оснащені вбудованим програмним забезпеченням для вимірювання та аналізу потужності, що спрощує налаштування та робить динамічні вимірювання простішими. Користувачі можуть налаштовувати ключові параметри, автоматично обчислювати та бачити результати протягом кількох секунд, а не просто вихідні дані.
Проблеми проектування джерела живлення та вимоги до вимірювань
В ідеалі кожне джерело живлення має працювати як розроблена для нього математична модель. Але в реальному світі компоненти мають недоліки, навантаження можуть змінюватися, джерело живлення може бути спотвореним, а зміни навколишнього середовища можуть змінити продуктивність. Крім того, постійно змінювані вимоги до продуктивності та вартості також ускладнюють конструкцію джерела живлення. Розглянемо ці питання:
Скільки ват потужності може підтримувати джерело живлення понад номінальну потужність? Як довго це може тривати? Скільки тепла виділяє блок живлення? Що відбувається, коли він перегрівається? Який потік охолоджуючого повітря для цього потрібен? Що відбувається, коли струм навантаження значно збільшується? Чи може пристрій підтримувати номінальну вихідну напругу? Як блок живлення реагує на повне коротке замикання на вихідному кінці? Що відбувається, коли змінюється вхідна напруга джерела живлення?
Розробники повинні розробити джерела живлення, які займають менше місця, зменшують нагрівання, знижують витрати на виробництво та відповідають суворішим стандартам EMI/EMC. Тільки сувора система вимірювань може дозволити інженерам досягти цих цілей.
Осцилограф і вимірювання живлення
Для тих, хто звик використовувати осцилограф для вимірювань у високій смузі пропускання, вимірювання потужності може бути простим, оскільки його частота відносно низька. Насправді існує також багато проблем, з якими розробникам високошвидкісних схем ніколи не доведеться стикатися при вимірюванні потужності.
Напруга всього розподільного пристрою може бути високою та плаваючою, тобто воно не заземлене. Ширина імпульсу, період, частота та робочий цикл сигналу будуть різними. Необхідно правдиво зафіксувати та проаналізувати форму сигналу та виявити будь-які аномалії у формі сигналу. Вимоги до осцилографів високі. Кілька датчиків - одночасні потреби односторонніх датчиків, диференціальних датчиків і датчиків струму. Прилад повинен мати великий обсяг пам’яті, щоб забезпечити простір для запису довгострокових результатів низькочастотного запису. І це може вимагати захоплення різних сигналів зі значними відмінностями амплітуд за одне отримання.
Основи імпульсного джерела живлення
Основною архітектурою джерела живлення постійного струму в більшості сучасних систем є імпульсне джерело живлення (SMPS), яке добре відоме своєю здатністю ефективно справлятися зі змінними навантаженнями. Шлях електричного сигналу типового імпульсного джерела живлення включає пасивні компоненти, активні компоненти та магнітні компоненти. Імпульсні джерела живлення повинні мінімізувати використання компонентів із втратами, таких як резистори та лінійні транзистори, і в основному використовувати (в ідеалі) компоненти без втрат, такі як перемикаючі транзистори, конденсатори та магнітні компоненти.
Імпульсний пристрій живлення також має частину управління, яка включає такі компоненти, як регулятор широтно-імпульсної модуляції, регулятор частоти імпульсної модуляції та контур зворотного зв’язку 1. Секція управління може мати власне джерело живлення. На рисунку 1 показана спрощена принципова схема імпульсного джерела живлення, яка показує частину перетворення потужності, включаючи активні пристрої, пасивні пристрої та магнітні компоненти.
Технологія імпульсного джерела живлення використовує силові напівпровідникові комутаційні пристрої, такі як металооксидні польові транзистори (MOSFET) і біполярні транзистори з ізольованим затвором (IGBT). Ці пристрої мають короткий час перемикання і витримують нестабільні скачки напруги. Не менш важливо, що вони споживають дуже мало енергії як у відкритому, так і в закритому стані, маючи високу ефективність і низьке тепловиділення. Комутаційні пристрої багато в чому визначають загальну продуктивність імпульсних джерел живлення. До основних вимірювань комутаційних пристроїв належать: комутаційні втрати, середні втрати потужності, безпечна робоча зона та ін.
