Metoda měření spínaného napájení digitálním osciloskopem
Napájecí zdroje se dodávají v široké škále typů a velikostí, od tradičních napájecích zdrojů analogového typu až po vysoce účinné spínané napájecí zdroje. Všichni musí čelit složitému a dynamickému pracovnímu prostředí. Zatížení zařízení a požadavky se mohou dramaticky změnit během okamžiku. Dokonce i „každodenní“ spínaný zdroj může odolat momentálním špičkám značně převyšujícím jeho průměrnou provozní úroveň. Inženýři, kteří navrhují napájecí zdroj nebo napájecí zdroj pro použití v systému, musí rozumět tomu, jak napájecí zdroj funguje za statických podmínek i za podmínek nejhoršího případu.
Charakterizovat chování napájecího zdroje v minulosti znamenalo měřit klidový proud a napětí digitálním multimetrem a provádět pečlivé výpočty pomocí kalkulačky nebo PC. Dnes se většina inženýrů obrací k osciloskopu jako k preferované platformě pro měření výkonu. Moderní osciloskopy mohou být vybaveny integrovaným softwarem pro měření a analýzu výkonu, který zjednodušuje nastavení a usnadňuje dynamická měření. Uživatelé si mohou přizpůsobit klíčové parametry, automatizovat výpočty a vidět výsledky během několika sekund, nejen nezpracovaná data.
Problémy návrhu napájecích zdrojů a jejich potřeby měření
V ideálním případě by se každý napájecí zdroj měl chovat jako matematický model, pro který byl navržen. Ale v reálném světě jsou komponenty vadné, zátěže se mohou lišit, napájecí zdroje mohou být zkreslené a změny prostředí mohou změnit výkon. Také měnící se požadavky na výkon a náklady komplikují návrh napájecího zdroje. Zvažte tyto otázky:
Kolik wattů dokáže napájecí zdroj unést nad svůj jmenovitý výkon? Jak dlouho to může trvat? Kolik tepla odvádí zdroj energie? Co se stane, když se přehřeje? Kolik chladicího vzduchu potřebuje? Co se stane, když se zátěžový proud výrazně zvýší? Dokáže zařízení udržet jmenovité výstupní napětí? Jak se napájecí zdroj vypořádá s mrtvým zkratem na výstupu? 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 přesný systém měření může inženýrům umožnit dosáhnout těchto cílů.
Osciloskop a měření výkonu
Pro ty, kteří jsou zvyklí provádět měření s velkou šířkou pásma pomocí osciloskopu, mohou být měření napájecích zdrojů jednoduchá, protože mají relativně nízké frekvence. Ve skutečnosti existuje mnoho výzev při měření výkonu, kterým konstruktéři vysokorychlostních obvodů nikdy nemusí čelit.
Celý rozváděč může být vysokonapěťový a "plovoucí", to znamená, že není připojen k zemi. Šířka impulsu, perioda, frekvence a pracovní cyklus signálu se mohou lišit. Průběhy musí být zachyceny a analyzovány věrně, aby bylo možné detekovat anomálie ve tvaru vlny. To je náročné na osciloskop. Více sond – jsou vyžadovány jednokoncové, diferenciální a proudové sondy současně. Přístroj musí mít velkou paměť, aby poskytoval záznamový prostor pro dlouhodobé výsledky nízkofrekvenčního získávání. A může být vyžadováno zachytit různé signály s velmi rozdílnými amplitudami v jednom snímání.
Základy spínaných zdrojů
Dominantní architekturou stejnosměrného napájení ve většině moderních systémů je spínaný zdroj napájení (spínaný zdroj napájení), který je známý svou schopností efektivně zvládat různé zátěže. Cesta napájecího signálu typického spínaného zdroje zahrnuje pasivní součástky, aktivní součástky a magnetické součástky. Spínané zdroje využívají co nejméně ztrátových součástek (jako jsou odpory a lineární tranzistory) a většinou (ideálně) bezztrátové součástky: spínací tranzistory, kondenzátory a magnety.
Spínané napájecí zařízení má také ovládací část, která obsahuje regulátor pulzně šířkové modulace, regulátor pulzní frekvenční modulace a zpětnovazební smyčku 1 a další komponenty. Řídicí sekce může mít vlastní napájecí zdroj. Obrázek 1 je zjednodušený schematický diagram spínaného napájecího zdroje, zobrazující sekci přeměny energie, včetně aktivních zařízení, pasivních zařízení a magnetických komponent.
Technologie spínaných zdrojů využívá výkonová polovodičová spínací zařízení, jako jsou tranzistory s oxidovým polem (MOSFET) a bipolární tranzistory s izolovaným hradlem (IGBT). Tato zařízení mají krátké spínací časy a snesou nepravidelné napěťové špičky. Neméně důležité je, že spotřebovávají velmi málo energie v zapnutém i vypnutém stavu, jsou vysoce účinné a generují nízké teplo. Spínací zařízení do značné míry určují celkový výkon spínaného zdroje. Klíčová měření na spínacích zařízeních zahrnují: ztrátu spínání, průměrnou ztrátu výkonu, bezpečnou provozní oblast a další.
