Использование цифрового осциллографа для измерения импульсного источника питания
Источники питания бывают самых разных типов и размеров: от традиционных аналоговых источников питания до высокоэффективных импульсных источников питания. Все они сталкиваются со сложной и динамичной рабочей средой. Нагрузка на оборудование и требования к нему могут существенно измениться в одно мгновение. Даже «повседневные» импульсные источники питания должны выдерживать мгновенные пиковые нагрузки, значительно превышающие их средние рабочие уровни. Инженеры, проектирующие источники питания или системы, в которых будут использоваться источники питания, должны понимать, как источник питания работает в статических условиях, а также в наихудших условиях.
Раньше для определения характеристик поведения источника питания требовалось измерение тока и напряжения покоя с помощью цифрового мультиметра и выполнение кропотливых вычислений с помощью калькулятора или ПК. Сегодня большинство инженеров используют осциллографы как предпочтительную платформу для измерения мощности. Современные осциллографы могут быть оснащены встроенным программным обеспечением для измерения и анализа мощности, что упрощает настройку и упрощает динамические измерения. Пользователи могут настраивать ключевые параметры, автоматизировать расчеты и видеть результаты за считанные секунды, а не только необработанные данные.
Проблемы проектирования источников питания и требования к их измерению
В идеале каждый источник питания должен вести себя согласно математической модели, для которой он был разработан. Но в реальном мире компоненты неисправны, нагрузки могут измениться, источники питания могут искажаться, а изменения окружающей среды могут повлиять на производительность. Более того, меняющиеся требования к производительности и стоимости также усложняют проектирование источников питания. Рассмотрите эти вопросы:
Сколько ватт мощности может выдержать блок питания сверх номинальной мощности? Как долго это может продолжаться? Сколько тепла рассеивает блок питания? Что происходит при перегреве? Какой поток охлаждающего воздуха ему требуется? Что произойдет, если ток нагрузки значительно увеличится? Может ли устройство поддерживать номинальное выходное напряжение? Как блок питания реагирует на полное замыкание на выходе? Что происходит при изменении входного напряжения источника питания?
Разработчикам необходимо разработать источники питания, которые занимают меньше места, уменьшают тепловыделение, снижают производственные затраты и соответствуют более строгим стандартам EMI/EMC. Только строгая система измерений может позволить инженерам достичь этих целей.
Осциллограф и измерения мощности
Для тех, кто привык проводить измерения с помощью осциллографа в широкой полосе пропускания, измерения источников питания могут оказаться простыми из-за их относительно низкой частоты. Фактически, при измерении мощности существует множество проблем, с которыми никогда не придется сталкиваться разработчикам высокоскоростных схем.
Все распределительное устройство может находиться под высоким напряжением и «плавать», то есть не быть заземлено. Ширина импульса, период, частота и рабочий цикл сигнала изменятся. Форма сигнала должна быть записана и тщательно проанализирована, чтобы обнаружить любые аномалии в форме сигнала. Это требовательно к осциллографу. Несколько пробников. Требуются несимметричные пробники, дифференциальные пробники и токовые пробники. Прибор должен иметь большую память, чтобы обеспечить место для записи долгосрочных результатов низкочастотной регистрации. Кроме того, может потребоваться захват различных сигналов с широко варьирующимися амплитудами за один прием.
Основы импульсного источника питания
Доминирующей архитектурой питания постоянного тока в большинстве современных систем является импульсный источник питания (импульсный источник питания), который хорошо известен своей способностью эффективно справляться с изменяющимися нагрузками. Путь силового сигнала типичного импульсного источника питания включает пассивные компоненты, активные компоненты и магнитные компоненты. В импульсных источниках питания используется как можно меньше компонентов с потерями (таких как резисторы и линейные транзисторы) и в основном (в идеале) используются компоненты без потерь: переключающие транзисторы, конденсаторы и магнитные компоненты.
Аппаратура импульсного источника питания также имеет часть управления, включающую в себя регулятор широтно-импульсной модуляции, регулятор частотно-импульсной модуляции, контур обратной связи 1 и другие компоненты. Секция управления может иметь собственный источник питания. На рисунке 1 представлена упрощенная принципиальная схема импульсного источника питания, на которой показана часть преобразования мощности, включая активные устройства, пассивные устройства и магнитные компоненты.
В технологии импульсных источников питания используются силовые полупроводниковые коммутационные устройства, такие как металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Эти устройства имеют короткое время переключения и могут выдерживать нестабильные скачки напряжения. Не менее важно и то, что они потребляют очень мало энергии, высокоэффективны и выделяют мало тепла, как во включенном, так и в выключенном состоянии. Коммутационные устройства во многом определяют общую производительность импульсного источника питания. К основным измерениям коммутационных устройств относятся: коммутационные потери, средние потери мощности, безопасная рабочая зона и другие.
