Kako izmeriti izgubo moči stikalnega napajalnika z digitalnim osciloskopom
Nova arhitektura SMPS:Switch Mode PowerSupply) mora zagotoviti visok tok in nizko napetost za procesorje z visoko podatkovno hitrostjo in razredom GHz, kar dodaja neviden nov pritisk oblikovalcem napajalnih naprav v smislu učinkovitosti, gostote moči, zanesljivosti in stroškov. Da bi pri načrtovanju upoštevali te zahteve, so oblikovalci sprejeli nove arhitekture, kot so tehnologija sinhronega usklajevanja, korekcija filtra aktivne moči in povečana frekvenca preklapljanja. Te tehnologije prinašajo tudi nekaj večjih izzivov, kot so velike izgube moči, odvajanje toplote in čezmerni EMI/EMC na preklopnih napravah.
Med prehodom iz stanja "off" (vklopljeno) v "on" (izklopljeno) stanje bo imela napajalna naprava visoko porabo energije. (Vendar je izguba moči stikalnih naprav v stanju "vklopljeno" ali "izklopljeno" manjša, ker je tok skozi napravo oz. napetost na napravi zelo majhna). Induktorji in transformatorji lahko izolirajo izhodno napetost in izravnajo bremenski tok. Induktorji in transformatorji so prav tako dovzetni za preklopno frekvenco, kar povzroči disipacijo moči in občasne okvare zaradi nasičenosti.
Ker razpršena moč v stikalni napajalni napravi določa celotno učinkovitost toplotnega učinka napajalnika, je zelo pomembno izmeriti izgubo moči stikalne naprave in induktorja/transformatorja. S to meritvijo lahko določite učinkovitost energije in odvajanje toplote.
Merjenje in analiza izgube moči
1. Testna naprava, potrebna za merjenje izgube moči
Poenostavljeno vezje transformacije stikala. Močnostni tranzistor MOSFET z efektom polja nadzoruje tok pod vzbujanjem 40kHz takta. MOSFET ni povezan z ozemljitvijo napajalnika izmeničnega toka ali izhodno ozemljitvijo vezja, kar pomeni, da je izoliran od ozemljitve. Zato je nemogoče preprosto izmeriti ozemljitveno referenčno napetost z osciloskopom, kajti če je ozemljitvena žica sonde priključena na kateri koli priključek MOSFET-a, bo točka skozi osciloskop v kratkem stiku z zemljo.
V tem primeru je diferencialno merjenje dober način za merjenje valovne oblike napetosti M0SFET. Z diferencialnim merjenjem lahko izmerite VDS, to je napetost na odtočnem in izvornem priključku MOSFET-a. VDS lahko lebdi nad napetostjo, razpon napetosti pa je lahko od desetin do sto voltov, odvisno od razpona napetosti napajalne naprave. VDS lahko merite na več načinov:
Ozemljitvena žica šasije vzmetnega osciloskopa. Priporočljivo je, da ga ne uporabljate, ker je izjemno škodljiv za uporabnika, testirano napravo in osciloskop.
Dve običajni enostranski pasivni sondi se uporabljata za povezavo njunih ozemljitvenih žic skupaj, nato pa se za merjenje uporabi funkcija izračuna kanala osciloskopa. Ta merilna metoda se imenuje kvazidiferencialna meritev. Čeprav se pasivna sonda lahko uporablja v kombinaciji z ojačevalnikom osciloskopa, nima funkcije "zavrnitvenega razmerja skupnega načina" (CMRR), ki lahko pravilno blokira kakršno koli napetost običajnega načina. Ta nastavitev ne more natančno izmeriti napetosti, vendar je mogoče uporabiti obstoječo sondo.
Za izolacijo ohišja osciloskopa od tal uporabite izolator sonde, ki je na voljo v trgovini. Ozemljitvena žica sonde ne bo več glavni ozemljitveni potencial in sondo je mogoče neposredno povezati s preskusno točko. Izolator sonde je učinkovita rešitev, vendar je draga in je dva- do petkrat višja od cene diferencialne sonde.
Uporaba prave diferencialne sonde na širokopasovnem osciloskopu. VDS lahko merite z diferencialno sondo, kar je tudi dobra metoda.
Pri merjenju toka prek MOSFET-a najprej vpnete tokovno sondo in nato natančno nastavite merilni sistem. Veliko diferencialnih sond je opremljenih z vgrajenimi kondenzatorji za izravnavo enosmernega toka. Izklopite testirano opremo in po tem, ko se osciloskop in sonda popolnoma segrejeta, lahko nastavite povprečno vrednost valovnih oblik napetosti in toka, ki jih meri osciloskop. Nastavitev občutljivosti mora uporabljati vrednosti, uporabljene pri dejanski meritvi. Če signala ni, prilagodite kondenzator za prirezovanje, da prilagodite ničelno povprečje vsake valovne oblike na 0 V. Ta korak lahko močno zmanjša merilno napako, ki jo povzročata statična napetost in tok v merilnem sistemu.
