Метод вимірювання імпульсного джерела живлення цифровим осцилографом
Джерела живлення бувають різних типів і розмірів, від традиційних аналогових джерел живлення до високоефективних імпульсних джерел живлення. Усі вони стикаються зі складним і динамічним робочим середовищем. Навантаження на обладнання та вимоги можуть різко змінитися в одну мить. Навіть "повсякденне" імпульсне джерело живлення може витримувати короткочасні піки, що значно перевищують його середній робочий рівень. Інженери, які проектують джерело живлення або джерело живлення для використання в системі, повинні розуміти, як джерело живлення працює в статичних умовах, а також у найгірших умовах.
У минулому характеристика поведінки джерела живлення означала вимірювання струму спокою та напруги за допомогою цифрового мультиметра та виконання кропітких обчислень за допомогою калькулятора або ПК. Сьогодні більшість інженерів використовують осцилограф 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 легшими. Користувачі можуть налаштовувати ключові параметри, автоматизувати обчислення та бачити результати за секунди, а не лише вихідні дані.
Питання проектування джерела живлення та їх вимірювання
В ідеалі кожен блок живлення повинен працювати як математична модель, для якої він розроблений. Але в реальному світі компоненти несправні, навантаження можуть змінюватися, джерела живлення можуть бути спотвореними, а зміни навколишнього середовища можуть змінити продуктивність. Крім того, зміна вимог до продуктивності та вартості ускладнює конструкцію джерела живлення. Розглянемо ці запитання:
Скільки ват може витримати блок живлення понад номінальну потужність? Як довго це може тривати? Скільки тепла виділяє блок живлення? Що відбувається, коли він перегрівається? Який потік охолоджуючого повітря йому потрібен? Що відбувається, коли струм навантаження значно збільшується? Чи може пристрій підтримувати номінальну вихідну напругу? Як блок живлення справляється з коротким замиканням на виході? 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 вимірювання може дозволити інженерам досягти цих цілей.
Осцилограф і вимірювання потужності
Для тих, хто звик проводити вимірювання у високій смузі пропускання за допомогою осцилографа, вимірювання джерела живлення можуть бути простими через їх відносно низькі частоти. Фактично існує багато проблем у вимірюванні потужності, з якими ніколи не доведеться стикатися розробникам високошвидкісних схем.
Весь розподільчий пристрій може бути під високою напругою і «плавати», тобто не підключатися до землі. Ширина імпульсу, період, частота та шпаруватість сигналу можуть змінюватися. Осцилограми повинні бути захоплені та точно проаналізовані, щоб виявити аномалії у формі хвилі. Це вимогливо до осцилографа. Кілька датчиків — одночасно потрібні односторонні, диференціальні та струмові датчики. Прилад повинен мати великий обсяг пам’яті, щоб забезпечити простір для запису довгострокових результатів низькочастотного запису. І може знадобитися захопити різні сигнали з дуже різними амплітудами за один прийом.
Основи імпульсного джерела живлення
Домінуючою архітектурою живлення постійного струму в більшості сучасних систем є імпульсне джерело живлення (імпульсне джерело живлення), яке відоме своєю здатністю ефективно обробляти змінні навантаження. Шлях сигналу живлення типового імпульсного джерела живлення включає пасивні компоненти, активні компоненти та магнітні компоненти. Імпульсні джерела живлення використовують якомога менше компонентів із втратами (таких як резистори та лінійні транзистори) і переважно (в ідеалі) компоненти без втрат: комутаційні транзистори, конденсатори та магнетики.
Імпульсний пристрій живлення також має частину управління, до складу якої входять регулятор широтно-імпульсної модуляції, регулятор частотно-імпульсної модуляції і контур зворотного зв'язку 1 та інші компоненти. Секція управління може мати власне джерело живлення. На малюнку 1 показана спрощена принципова схема імпульсного джерела живлення, що показує секцію 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 можуть витримувати непостійні стрибки напруги. Не менш важливо те, що вони споживають дуже мало електроенергії як у ввімкненому, так і в вимкненому стані, є високоефективними та виділяють низьке тепло. Комутаційні пристрої значною мірою визначають загальну продуктивність імпульсного джерела живлення. Основні вимірювання на комутаційних пристроях включають: комутаційні втрати, середні втрати потужності, безпечну робочу зону та інші.
