Metoda merjenja preklopnega napajanja z digitalnim osciloskopom
Napajalniki so na voljo v številnih vrstah in velikostih, od tradicionalnih analognih napajalnikov do visokoučinkovitih stikalnih napajalnikov. Vsi se morajo soočiti s kompleksnim in dinamičnim delovnim okoljem. Obremenitve in zahteve opreme se lahko dramatično spremenijo v trenutku. Tudi "vsakdanji" stikalni napajalnik lahko prenese trenutne konice, ki precej presegajo povprečno delovno raven. Inženirji, ki oblikujejo napajalnik ali napajalnik za uporabo v sistemu, morajo razumeti, kako napajalnik deluje v statičnih pogojih in tudi v najslabših pogojih.
V preteklosti je opredelitev obnašanja napajalnika pomenila merjenje mirujočega toka in napetosti z digitalnim multimetrom ter izvajanje mukotrpnih izračunov s kalkulatorjem ali osebnim računalnikom. Danes večina inženirjev uporablja osciloskop 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 dinamične meritve. Uporabniki lahko prilagodijo ključne parametre, avtomatizirajo izračune in vidijo rezultate v nekaj sekundah, ne le neobdelanih podatkov.
Težave z zasnovo napajalnika in njihove potrebe po merjenju
V idealnem primeru bi se moral vsak napajalnik obnašati kot matematični model, za katerega je bil zasnovan. Toda v resničnem svetu so komponente okvarjene, obremenitve se lahko spreminjajo, napajalniki so lahko popačeni in okoljske spremembe lahko spremenijo delovanje. Poleg tega spreminjajoče se zahteve glede zmogljivosti in stroškov zapletejo načrtovanje napajalnika. Razmislite o teh vprašanjih:
Koliko vatov lahko vzdrži napajalnik nad nazivno močjo? Kako dolgo lahko traja? Koliko toplote odvaja napajalnik? Kaj se zgodi, ko se pregreje? Koliko hladilnega zraka potrebuje? Kaj se zgodi, ko se bremenski tok znatno poveča? Ali lahko naprava vzdržuje nazivno izhodno napetost? Kako se napajalnik spopade s kratkim stikom na izhodu? 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.
Osciloskop in meritve moči
Za tiste, ki so navajeni izvajati meritve z visoko pasovno širino z osciloskopom, so lahko meritve napajanja enostavne zaradi relativno nizkih frekvenc. Pravzaprav obstaja veliko izzivov pri merjenju moči, s katerimi se načrtovalcem visokohitrostnih vezij nikoli ni treba soočiti.
Celotna stikalna naprava je lahko visokonapetostna in "lebdeča", torej ni povezana z zemljo. Širina impulza, obdobje, frekvenca in delovni cikel signala se lahko razlikujejo. Valovne oblike je treba natančno zajeti in analizirati, da se odkrijejo anomalije v valovni obliki. To je zahtevno za osciloskop. Več sond – istočasno so potrebne enostranske, diferencialne in tokovne sonde. Instrument mora imeti velik pomnilnik, da zagotovi prostor za snemanje dolgoročnih rezultatov nizkofrekvenčnega zajema. Morda bo treba v enem zajemu zajeti različne signale z zelo različnimi amplitudami.
Osnove stikalnega napajanja
Prevladujoča arhitektura enosmernega napajanja v večini sodobnih sistemov je stikalni napajalnik (stikalni napajalnik), ki je znan po svoji sposobnosti učinkovitega obvladovanja različnih obremenitev. Pot močnostnega signala tipičnega stikalnega napajalnika vključuje pasivne komponente, aktivne komponente in magnetne komponente. Stikalni napajalniki uporabljajo čim manj komponent z izgubami (kot so upori in linearni tranzistorji) in večinoma (idealno) komponente brez izgub: stikalne tranzistorje, kondenzatorje in magnete.
Stikalna napajalna naprava ima tudi krmilni del, ki vključuje regulator impulzne širinske modulacije, regulator impulzne frekvenčne modulacije in povratno zanko 1 ter druge komponente. Krmilni del ima lahko lastno napajanje. Slika 1 je poenostavljen shematski diagram stikalnega napajalnika, ki prikazuje odsek 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 kratke preklopne čase in lahko prenesejo nestalne napetostne skoke. Enako pomembno je, da porabijo zelo malo energije tako v vklopljenem kot izklopljenem stanju, so zelo učinkoviti in proizvajajo nizko toploto. Stikalne naprave v veliki meri določajo celotno zmogljivost stikalnega napajanja. Ključne meritve na stikalnih napravah vključujejo: stikalne izgube, povprečne izgube moči, varno delovno območje in drugo.
