Metoda za merjenje preklopnega napajanja z digitalnim osciloskopom
Od tradicionalnih analognih napajalnikov do učinkovitih stikalnih napajalnikov se vrste in velikosti napajalnikov zelo razlikujejo. Vsi se soočajo s kompleksnim in dinamičnim delovnim okoljem. Obremenitev opreme in povpraševanje se lahko v trenutku bistveno spremenita. Tudi "dnevni" stikalni napajalnik mora biti sposoben prenesti trenutne konice, ki daleč presegajo njegovo povprečno raven delovanja. Inženirji, ki načrtujejo napajalnike ali sisteme za uporabo napajalnikov, morajo razumeti delovne pogoje napajalnika v statičnih in najslabših pogojih.
V preteklosti je opisovanje vedenjskih značilnosti virov energije pomenilo uporabo digitalnega multimetra za merjenje statičnega toka in napetosti ter izvajanje zahtevnih izračunov z uporabo kalkulatorja ali osebnega računalnika. Danes se večina inženirjev obrne na osciloskope kot svojo prednostno platformo za merjenje moči. Sodobni osciloskopi so lahko opremljeni z vgrajeno programsko opremo za merjenje in analizo moči, kar poenostavi nastavitev in olajša dinamično merjenje. Uporabniki lahko prilagodijo ključne parametre, samodejno izračunajo in vidijo rezultate v nekaj sekundah, namesto le neobdelanih podatkov.
Težave z zasnovo napajalnika in merilne zahteve
V idealnem primeru bi moral vsak napajalnik delovati kot matematični model, ki je zasnovan zanj. Toda v resničnem svetu so komponente pomanjkljive, obremenitve se lahko spremenijo, napajanje je lahko popačeno in okoljske spremembe lahko spremenijo delovanje. Poleg tega nenehno spreminjajoče se zahteve glede zmogljivosti in stroškov prav tako naredijo zasnovo napajalnika bolj zapleteno. Razmislite o teh vprašanjih:
Koliko vatov moči lahko vzdržuje napajalnik nad svojo nazivno močjo? Kako dolgo lahko traja? Koliko toplote oddaja napajalnik? Kaj se zgodi, ko se pregreje? Kolikšen pretok hladilnega zraka potrebuje? Kaj se zgodi, ko se bremenski tok znatno poveča? Ali lahko naprava ohrani nazivno izhodno napetost? Kako se napajalnik odzove na popoln kratek stik na izhodnem koncu? Kaj se zgodi, ko se vhodna napetost napajalnika spremeni?
Oblikovalci morajo razviti napajalnike, ki zavzamejo manj prostora, zmanjšajo toploto, zmanjšajo proizvodne stroške in izpolnjujejo strožje standarde EMI/EMC. Le strog merilni sistem lahko inženirjem omogoči doseganje teh ciljev.
Merjenje z osciloskopom in napajanjem
Za tiste, ki so navajeni uporabljati osciloskop za meritve z visoko pasovno širino, je lahko merjenje moči preprosto, ker je njegova frekvenca relativno nizka. Pravzaprav obstaja veliko izzivov, s katerimi se načrtovalcem hitrih vezij pri merjenju moči nikoli ne bo treba soočiti.
Napetost celotne stikalne naprave je lahko visoka in lebdi, kar pomeni, da ni ozemljena. Širina impulza, obdobje, frekvenca in delovni cikel signala se bodo razlikovali. Potrebno je resnično zajeti in analizirati valovno obliko ter odkriti morebitne nepravilnosti v valovni obliki. Zahteve za osciloskope so zahtevne. Več sond – hkrati so potrebne sonde z enim koncem, diferencialne sonde in tokovne sonde. Instrument mora imeti velik pomnilnik, da zagotovi prostor za snemanje dolgoročnih rezultatov nizkofrekvenčnega zajema. Poleg tega bo morda treba zajeti različne signale z znatnimi razlikami v amplitudi v enem zajemu.
Osnove stikalnega napajanja
Glavna arhitektura napajalnika z enosmernim tokom v večini sodobnih sistemov je stikalni napajalnik (SMPS), ki je znan po svoji zmožnosti učinkovitega obvladovanja spreminjajočih se obremenitev. Pot električnega signala tipičnega stikalnega napajalnika vključuje pasivne komponente, aktivne komponente in magnetne komponente. Stikalni napajalniki morajo zmanjšati uporabo komponent z izgubami, kot so upori in linearni tranzistorji, in uporabljati predvsem (idealno) komponente brez izgub, kot so stikalni tranzistorji, kondenzatorji in magnetne komponente.
Stikalna napajalna naprava ima tudi krmilni del, ki vključuje komponente, kot so regulator impulzne širinske modulacije, regulator impulzne frekvenčne modulacije in povratna zanka 1. Krmilni del ima lahko lastno napajanje. Slika 1 je poenostavljen shematski diagram stikalnega napajalnika, ki prikazuje del za pretvorbo moči, vključno z aktivnimi napravami, pasivnimi napravami in magnetnimi komponentami.
Tehnologija preklopnega napajanja uporablja močnostne polprevodniške preklopne naprave, kot so tranzistorji s kovinskim oksidom (MOSFET) in bipolarni tranzistorji z izoliranimi vrati (IGBT). Te naprave imajo kratek preklopni čas in lahko prenesejo nestabilne konice napetosti. Enako pomembno je, da porabijo zelo malo energije tako v odprtem kot v zaprtem stanju, z visoko učinkovitostjo in nizko proizvodnjo toplote. Stikalne naprave v veliki meri določajo celotno zmogljivost stikalnih napajalnikov. Glavne meritve stikalnih naprav vključujejo: preklopne izgube, povprečne izgube moči, varno delovno območje in druge.
