Метод измерения импульсного источника питания с помощью цифрового осциллографа
Типы и размеры блоков питания сильно различаются: от традиционных аналоговых источников питания до эффективных импульсных источников питания. Все они сталкиваются со сложной и динамичной рабочей средой. Загрузка оборудования и спрос могут в одно мгновение претерпеть значительные изменения. Даже «ежедневный» импульсный источник питания должен выдерживать мгновенные пиковые нагрузки, значительно превышающие его средний рабочий уровень. Инженеры, проектирующие источники питания или системы, использующие источники питания, должны понимать условия работы источника питания в статических и наихудших условиях.
Раньше описание поведенческих характеристик источников питания означало использование цифрового мультиметра для измерения статического тока и напряжения и выполнение сложных 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, автоматически рассчитывать и видеть результаты за считанные секунды, а не просто необработанные данные.
Проблемы проектирования источников питания и требования к измерениям
В идеале каждый источник питания должен работать так, как разработанная для него математическая модель. Но в реальном мире компоненты имеют дефекты, нагрузки могут меняться, электропитание может быть искажено, а изменения окружающей среды могут повлиять на производительность. Более того, постоянно меняющиеся требования к производительности и стоимости также усложняют проектирование источников питания. Рассмотрите следующие вопросы:
Сколько ватт мощности может поддерживать блок питания сверх номинальной мощности? Как долго это может продолжаться? Сколько тепла выделяет 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 короткое 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.
Измерение осциллографом и источником питания
Для тех, кто привык использовать осциллограф для измерений с широкой полосой пропускания, измерение мощности может быть простым, поскольку его частота относительно низкая. На самом деле, существует также множество проблем, с которыми разработчикам высокоскоростных схем никогда не придется сталкиваться при измерении мощности.
Напряжение всего распределительного устройства может быть высоким и плавающим, то есть оно не заземлено. Ширина импульса, период, частота и рабочий цикл сигнала будут различаться. Необходимо достоверно захватить и проанализировать форму сигнала и обнаружить любые отклонения в форме сигнала. Требования к осциллографам высоки. Несколько пробников – одновременно требуются несимметричные пробники, дифференциальные пробники и токовые пробники. Прибор должен иметь большую память, чтобы обеспечить место для записи долгосрочных результатов низкочастотной регистрации. И это может потребовать захвата разных сигналов со значительными различиями в амплитуде за один прием.
Основы импульсного источника питания
Основная архитектура источников питания постоянного тока в большинстве современных систем представляет собой импульсный источник питания (SMPS), который хорошо известен своей способностью эффективно справляться с изменяющимися нагрузками. Путь электрического сигнала типичного импульсного источника питания включает пассивные компоненты, активные компоненты и магнитные компоненты. Импульсные источники питания должны свести к минимуму использование компонентов с потерями, таких как резисторы и линейные транзисторы, и в основном использовать (в идеале) компоненты без потерь, такие как переключающие транзисторы, конденсаторы и магнитные компоненты.
Устройство импульсного источника питания также имеет часть управления, в состав которой входят такие компоненты, как регулятор широтно-импульсной модуляции, регулятор частотно-импульсной модуляции и контур обратной связи 1. 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 переключающие устройства, такие как металлооксидные полевые транзисторы (MOSFET) и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Эти устройства имеют короткое время переключения и выдерживают нестабильные скачки напряжения. Не менее важно и то, что они потребляют очень мало энергии как в открытом, так и в закрытом состояниях, при этом имеют высокий КПД и низкое тепловыделение. Коммутационные устройства во многом определяют общую производительность импульсных источников питания. К основным измерениям коммутационных устройств относятся: коммутационные потери, средние потери мощности, безопасная рабочая зона и другие.
