Как измерить потери мощности импульсного источника питания цифровым осциллографом
Новая архитектура SMPS (Switch Mode PowerSupply) должна обеспечивать высокий ток и низкое напряжение для процессоров с высокой скоростью передачи данных и классом ГГц, что создает невидимое новое давление на разработчиков устройств питания с точки зрения эффективности, плотности мощности, надежности и стоимости. Чтобы учесть эти требования при проектировании, конструкторы внедрили новые архитектуры, такие как технология синхронного выпрямления, коррекция фильтра активной мощности и повышение частоты переключения. Эти технологии также создают некоторые более серьезные проблемы, такие как высокие потери мощности, рассеивание тепла и чрезмерные электромагнитные помехи/ЭМС на коммутационных устройствах.
Во время перехода из состояния «выключено» (включено) во «включено» (выключено) устройство электропитания будет иметь повышенное энергопотребление. (Однако потери мощности коммутационных устройств во «включенном» или «выключенном» состоянии меньше, поскольку ток через устройство или напряжение на устройстве очень мало). Индукторы и трансформаторы могут изолировать выходное напряжение и сглаживать ток нагрузки. Индукторы и трансформаторы также чувствительны к частоте переключения, что приводит к рассеиванию мощности и случайным сбоям из-за насыщения.
Поскольку мощность, рассеиваемая в переключающем устройстве источника питания, определяет общий КПД теплового эффекта источника питания, очень важно измерить потери мощности переключающего устройства и индуктора/трансформатора. Это измерение может определить энергоэффективность и тепловыделение.
Измерение и анализ потерь мощности
1. Тестовое устройство, необходимое для измерения потерь мощности.
Упрощенная схема трансформации переключателя. Полевой силовой транзистор MOSFET управляет током при возбуждении тактовой частоты 40 кГц. МОП-транзистор не подключен к земле фидера переменного тока или земле выхода схемы, то есть он изолирован от земли. Поэтому просто измерить опорное напряжение заземления осциллографом невозможно, так как если заземляющий провод щупа подключить к какому-либо выводу МОП-транзистора, то через осциллограф точка будет закорочена с землей.
В этом случае дифференциальное измерение является хорошим способом измерения формы сигнала напряжения M0SFET. Дифференциальным измерением можно измерить VDS, то есть напряжение на выводе стока и выводе истока MOSFET. VDS может плавать выше напряжения, а диапазон напряжения может составлять от десятков до сотен вольт, в зависимости от диапазона напряжения устройства электропитания. Измерить VDS можно несколькими способами:
Заземляющий провод подвесного осциллографа. Его рекомендуется не использовать, поскольку он крайне вреден для пользователя, тестируемого устройства и осциллографа.
Два обычных несимметричных пассивных пробника используются для соединения их заземляющих проводов вместе, а затем для измерения используется функция расчета канала осциллографа. Этот метод измерения называется квазидифференциальным измерением. Однако, хотя пассивный пробник можно использовать в сочетании с усилителем осциллографа, в нем отсутствует функция «коэффициента подавления синфазного сигнала» (CMRR), которая может должным образом блокировать любое синфазное напряжение. Эта настройка не позволяет точно измерить напряжение, но можно использовать существующий датчик.
Используйте изолятор пробника, доступный в магазине, чтобы изолировать корпус осциллографа от земли. Заземляющий провод зонда больше не будет основным потенциалом заземления, и зонд можно напрямую подключить к контрольной точке. Изолятор пробника — эффективное решение, но оно дорогое, а его стоимость в два-пять раз превышает стоимость дифференциального пробника.
Использование реального дифференциального пробника на широкополосном осциллографе. Вы можете измерить VDS дифференциальным датчиком, что также является хорошим методом.
При измерении тока через МОП-транзистор сначала зажмите датчик тока, а затем выполните точную настройку измерительной системы. Многие дифференциальные пробники оснащены встроенными подстроечными конденсаторами смещения постоянного тока. Выключите проверяемое оборудование и после полного прогрева осциллографа и щупа можно будет установить среднее значение измеряемых осциллографом осциллограмм напряжения и тока. При настройке чувствительности следует использовать значения, используемые при фактических измерениях. При отсутствии сигнала отрегулируйте подстроечный конденсатор, чтобы отрегулировать нулевое среднее каждого сигнала до 0 В. Этот шаг может значительно уменьшить ошибку измерения, вызванную статическим напряжением и током в измерительной системе.
