Метод измерения импульсного источника питания цифровым осциллографом
Источники питания бывают самых разных типов и размеров: от традиционных источников питания аналогового типа до высокоэффективных импульсных источников питания. Всем им приходится сталкиваться со сложной и динамичной рабочей средой. Нагрузка на оборудование и требования к нему могут кардинально измениться в одно мгновение. Даже «повседневный» импульсный источник питания может выдерживать кратковременные пики, значительно превышающие его средний рабочий уровень. Инженеры, проектирующие источник питания или источник питания для использования в системе, 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 осциллограф 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 необходимость их измерения
В идеале каждый источник питания должен вести себя согласно математической модели, для которой он был разработан. Но в реальном мире компоненты неисправны, нагрузки могут меняться, источники питания могут быть искажены, а изменения окружающей среды могут повлиять на производительность. Кроме того, изменяющиеся требования к производительности и стоимости усложняют проектирование источников питания. Рассмотрите эти вопросы:
Сколько ватт 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 нужен? Что произойдет, если ток нагрузки значительно увеличится? Может ли устройство поддерживать номинальное выходное напряжение? Как блок питания справляется с коротким замыканием 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 быть простыми из-за их относительно низких частот. Фактически, при измерении мощности существует множество проблем, с которыми никогда не придется сталкиваться разработчикам высокоскоростных схем.
Все распределительное устройство может быть высоковольтным и «плавающим», то есть не заземленным. Ширина импульса, период, частота и рабочий цикл сигнала могут варьироваться. Формы сигналов необходимо точно захватывать и анализировать, чтобы обнаружить аномалии в форме сигнала. Это требовательно к осциллографу. Несколько пробников. Одновременно требуются несимметричные, дифференциальные и токовые пробники. Прибор должен иметь большую память, чтобы обеспечить место для записи долгосрочных результатов низкочастотного сбора данных. И может потребоваться за один прием захватывать разные сигналы с очень разными амплитудами.
Основы импульсного источника питания
Доминирующей архитектурой питания постоянного тока в большинстве современных систем является импульсный источник питания (импульсный источник питания), который 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) компоненты без потерь: переключающие транзисторы, конденсаторы и магнетики.
Устройство импульсного источника питания также имеет часть управления, включающую в себя регулятор широтно-импульсной модуляции, регулятор частотно-импульсной модуляции и контур обратной связи 1 и другие компоненты. Секция управления может иметь собственный источник питания. На рисунке 1 представлена упрощенная принципиальная схема импульсного источника питания, показывающая секцию преобразования энергии, 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 неустойчивые скачки напряжения. Не менее важно и то, что они потребляют очень мало энергии как во включенном, так и в выключенном состоянии, высокоэффективны и выделяют мало тепла. Коммутационные устройства во многом определяют общую производительность импульсного источника питания. Ключевые измерения коммутационных устройств включают в себя: коммутационные потери, средние потери мощности, безопасную рабочую зону и другие.
