Metoda měření spínaného napájení digitálním osciloskopem
Od tradičních analogových napájecích zdrojů po efektivní spínané napájecí zdroje se typy a velikosti napájecích zdrojů velmi liší. Všichni čelí složitému a dynamickému pracovnímu prostředí. Zatížení zařízení a poptávka se mohou během okamžiku výrazně změnit. I „denní“ spínaný zdroj musí být schopen odolat okamžitým špičkám, které daleko převyšují jeho průměrnou provozní úroveň. Inženýři, kteří navrhují napájecí zdroje nebo systémy pro použití napájecích zdrojů, musí rozumět pracovním podmínkám napájecího zdroje ve statických podmínkách a v nejhorších případech.
V minulosti popisování charakteristik chování zdrojů energie znamenalo použití digitálního multimetru k měření statického proudu a napětí a provádění náročných výpočtů pomocí kalkulačky nebo PC. Dnes se většina inženýrů obrací na osciloskopy jako na preferovanou platformu pro měření výkonu. Moderní osciloskopy mohou být vybaveny integrovaným softwarem pro měření a analýzu výkonu, což zjednodušuje nastavení a usnadňuje dynamické měření. Uživatelé si mohou přizpůsobit klíčové parametry, automaticky vypočítat a vidět výsledky během několika sekund, nikoli jen nezpracovaná data.
Problémy návrhu napájecího zdroje a požadavky na měření
V ideálním případě by každý napájecí zdroj měl fungovat jako matematický model pro něj určený. Ale v reálném světě jsou komponenty vadné, zátěž se může změnit, napájení může být zkreslené a změny prostředí mohou změnit výkon. Navíc neustále se měnící požadavky na výkon a náklady také činí návrh napájecího zdroje složitějším. Zvažte tyto problémy:
Kolik wattů výkonu může napájecí zdroj udržet nad jeho jmenovitým výkonem? Jak dlouho to může trvat? Kolik tepla vydává zdroj? Co se stane, když se přehřeje? Jak velký průtok chladicího vzduchu vyžaduje? Co se stane, když se zátěžový proud výrazně zvýší? Dokáže si zařízení udržet své jmenovité výstupní napětí? Jak reaguje napájecí zdroj na úplný zkrat na výstupním konci? Co se stane, když se změní vstupní napětí napájecího zdroje?
Návrháři potřebují vyvinout napájecí zdroje, které zaberou méně místa, sníží teplo, sníží výrobní náklady a budou splňovat přísnější normy EMI/EMC. Pouze přísný systém měření může inženýrům umožnit dosáhnout těchto cílů.
Osciloskop a měření napájení
Pro ty, kteří jsou zvyklí používat osciloskop pro měření s velkou šířkou pásma, může být měření výkonu jednoduché, protože jeho frekvence je relativně nízká. Ve skutečnosti existuje také mnoho výzev, kterým konstruktéři vysokorychlostních obvodů při měření výkonu nikdy nemusí čelit.
Napětí celého rozváděče může být vysoké a plovoucí, což znamená, že není uzemněno. Šířka impulsu, perioda, frekvence a pracovní cyklus signálu se budou lišit. Je nutné pravdivě zachytit a analyzovat průběh a detekovat jakékoli abnormality ve tvaru vlny. Požadavky na osciloskopy jsou náročné. Více sond – současně vyžadující sondy s jedním koncem, diferenciální sondy a proudové sondy. Přístroj musí mít velkou paměť, aby poskytoval záznamový prostor pro dlouhodobé výsledky nízkofrekvenčního získávání. A to může vyžadovat zachycení různých signálů s významnými rozdíly amplitudy v jedné akvizici.
Základy spínaného napájení
Hlavní architekturou stejnosměrného napájení ve většině moderních systémů je spínaný napájecí zdroj (SMPS), který je dobře známý svou schopností efektivně se vypořádat s měnícími se zátěžemi. Cesta elektrického signálu typického spínaného zdroje zahrnuje pasivní součástky, aktivní součástky a magnetické součástky. Spínané zdroje by měly minimalizovat použití ztrátových součástek, jako jsou rezistory a lineární tranzistory, a hlavně používat (ideálně) bezztrátové součástky, jako jsou spínací tranzistory, kondenzátory a magnetické součástky.
Spínané napájecí zařízení má také ovládací část, která obsahuje komponenty jako regulátor pulzně šířkové modulace, regulátor pulzní frekvenční modulace a zpětnovazební smyčku 1. Řídící sekce může mít vlastní napájecí zdroj. Obrázek 1 je zjednodušený schematický diagram spínaného zdroje, který ukazuje část pro přeměnu energie, včetně aktivních zařízení, pasivních zařízení a magnetických komponent.
Technologie spínaných zdrojů využívá výkonová polovodičová spínací zařízení, jako jsou tranzistory s řízeným polem (MOSFET) a bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT). Tato zařízení mají krátkou spínací dobu a snesou nestabilní napěťové špičky. Neméně důležité je, že spotřebovávají velmi málo energie v otevřeném i uzavřeném stavu, s vysokou účinností a nízkou tvorbou tepla. Spínací zařízení do značné míry určují celkový výkon spínaných zdrojů. Mezi hlavní měření spínacích zařízení patří: spínací ztráta, průměrná ztráta výkonu, bezpečná pracovní plocha a další.
