DigitaalOscilloscoopMeting vanSchakelende voedingen
Voedingen zijn er in een grote verscheidenheid aan soorten en maten, van traditionele analoge voedingen tot zeer efficiënte schakelende voedingen. Ze hebben allemaal te maken met complexe, dynamische werkomgevingen. De belasting en vereisten van apparatuur kunnen in een mum van tijd dramatisch veranderen. Zelfs 'dagelijkse' schakelende voedingen moeten in staat zijn om momentane pieken te weerstaan die ver boven hun gemiddelde bedrijfsniveau liggen. Ingenieurs die voedingen of systemen ontwerpen die dat wel doengebruik voedingenmoeten begrijpen hoe de stroomvoorziening zich zowel onder statische omstandigheden als onder de slechtste omstandigheden zal gedragen.
In het verleden betekende het karakteriseren van het gedrag van een voeding het meten van ruststromen en -spanningen met een digitaal instrumentMultimeteren het uitvoeren van nauwgezette berekeningen met een rekenmachine of pc. Tegenwoordig wenden de meeste ingenieurs zich tot oscilloscopen als hun favoriete platform voor vermogensmeting. Moderne oscilloscopen kunnen worden uitgerust met geïntegreerde software voor vermogensmeting en -analyse, waardoor de installatie wordt vereenvoudigd en dynamische metingen eenvoudiger worden. Gebruikers kunnen belangrijke parameters aanpassen, berekeningen automatiseren en binnen enkele seconden resultaten bekijken, niet alleen ruwe gegevens.
Ontwerpproblemen met de stroomvoorziening en hun meetbehoeften
Idealiter zou elke voeding moeten werken zoals het wiskundige model waarvoor deze is ontworpen. Maar in de echte wereld,componentenzijn gebrekkig, belastingen veranderen, voedingen kunnen vervormd zijn en veranderingen in de omgeving kunnen de prestaties beïnvloeden. Bovendien compliceren veranderende prestatie- en kostenvereisten het ontwerp van de stroomvoorziening. Overweeg deze problemen:
Hoeveel watt kan de voeding leveren boven het nominale vermogen? Hoe lang duurt het? Hoeveel warmte stoot de voeding uit? Wat gebeurt er als het oververhit raakt? Hoeveel koelluchtstroom is er nodig? Wat gebeurt er als de belastingsstroom dramatisch toeneemt? Kan het apparaat zijn nominale uitgangsspanning behouden? Hoe gaat de voeding om met een volledige kortsluiting aan de uitgang? Wat gebeurt er als de ingangsspanning van de voeding verandert?
Ontwerpers moeten voedingen ontwikkelen die minder ruimte in beslag nemen, de hitte verminderen, de productiekosten verlagen en voldoen aan strengere EMI/EMC-normen. Alleen een rigoureus meetsysteem zal ingenieurs in staat stellen deze doelen te bereiken.
Oscilloscopen en vermogensmeting
Voor degenen die gewend zijn aan metingen met hoge bandbreedte met oscilloscopen, kunnen metingen van de voeding eenvoudig zijn vanwege hun relatief lage frequentie. In werkelijkheid zijn er veel uitdagingen bij vermogensmetingen waar ontwerpers van hogesnelheidscircuits nooit mee te maken krijgen.
De spanning over het schakelapparaat kan hoog en "zwevend" zijn, dat wil zeggen nietgegrond. De pulsbreedte, periode, frequentie en duty-cycle van het signaal kunnen variëren. Golfvormen moeten worden vastgelegd en geanalyseerd om afwijkingen te detecteren. Dit is een veeleisende vereiste voor oscilloscopen. Meerdere sondes - Sondes met één uiteinde, differentiële sondes en stroomsondes zijn ook vereist.Het instrumentmoet een groot geheugen hebben om ruimte te bieden voor het vastleggen van resultaten van lange, laagfrequente acquisities. En het kan nodig zijn om verschillende signalen met sterk variërende amplitudes in één enkele acquisitie op te vangen.
Basisprincipes van schakelende voeding
De dominante gelijkstroomarchitectuur in de meeste moderne systemen is de schakelende voeding (geschakelde voeding), die bekend staat om zijn vermogen om efficiënt om te gaan met variërende belastingen. Het elektrische energiesignaalpad van een typische schakelende voeding omvat passieve apparaten, actieve apparaten en magnetische componenten. Schakelende voedingen gebruiken zo min mogelijk verliesgevende componenten (bijv.weerstandenen lineaire transistors) en maken voornamelijk gebruik van (idealiter) verliesvrije componenten: schakeltransistoren,condensatorenen magnetische componenten.
Schakelende voedingsapparatuur heeft ook een besturingsgedeelte, dat componenten bevat zoals een pulsbreedtemodulatieregelaar, pulsfrequentiemodulatieregelaar en een feedbacklus1. Het besturingsgedeelte kan over een eigen voeding beschikken. AFB. 1 is een vereenvoudigd schema van een schakelende voeding, waarbij het gedeelte voor de conversie van elektrische energie wordt weergegeven, dat zowel actieve en passieve componenten als magnetische componenten omvat.
De technologie voor schakelende voeding maakt gebruik van vermogenshalfgeleiderschakelapparaten zoals metaaloxide veldeffecttransistors (MOSFET's) met bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's). Deze apparaten hebben korte schakeltijden en zijn bestand tegen onstabiele spanningspieken. Even belangrijk is dat ze zowel in de aan- als uit-stand zeer weinig energie verbruiken, wat resulteert in een hoog rendement en een lage warmteontwikkeling. Schakelapparaten bepalen grotendeels de algehele prestaties van een schakelende voeding. Belangrijke metingen van schakelapparaten zijn onder meer: schakelverliezen, gemiddeld vermogensverlies,veiligoperatiegebied en andere.
