Methode voor het meten van schakelende voeding met digitale oscilloscoop
Van traditionele analoge voedingen tot efficiënte schakelende voedingen, de soorten en maten voedingen variëren enorm. Ze hebben allemaal te maken met complexe en dynamische werkomgevingen. De belasting en vraag van de apparatuur kunnen in een mum van tijd aanzienlijke veranderingen ondergaan. Zelfs een "dagelijks" schakelende voeding moet bestand zijn tegen momentane pieken die het gemiddelde bedrijfsniveau ver overschrijden. Ingenieurs die voedingen of systemen ontwerpen om voedingen te gebruiken, moeten de werkomstandigheden van de voeding onder statische en ongunstigste omstandigheden begrijpen.
In het verleden betekende het beschrijven van de gedragskenmerken van stroombronnen het gebruik van een digitale multimeter om statische stroom en spanning te meten, en het uitvoeren van lastige berekeningen met behulp van 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, automatisch berekenen en binnen enkele seconden resultaten bekijken, in plaats van alleen maar ruwe gegevens.
Ontwerpproblemen met de voeding en meetvereisten
Idealiter zou elke voeding moeten werken zoals het wiskundige model dat ervoor is ontworpen. Maar in de echte wereld zijn componenten gebrekkig, kunnen belastingen veranderen, kan de stroomvoorziening vervormd zijn en kunnen veranderingen in de omgeving de prestaties beïnvloeden. Bovendien maken de voortdurend veranderende prestatie- en kostenvereisten het ontwerp van de stroomvoorziening ook complexer. Overweeg deze problemen:
Hoeveel Watt aan vermogen kan de voeding behouden boven het nominale vermogen? Hoe lang kan het duren? Hoeveel warmte stoot de voeding uit? Wat gebeurt er als het oververhit raakt? Hoeveel koelluchtstroom is er nodig? Wat gebeurt er als de belastingsstroom aanzienlijk toeneemt? Kan het apparaat zijn nominale uitgangsspanning behouden? Hoe reageert de voeding op een volledige kortsluiting aan de uitgangszijde? 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 strikt meetsysteem kan ingenieurs in staat stellen deze doelen te bereiken.
Oscilloscoop- en voedingmeting
Voor degenen die gewend zijn aan het gebruik van een oscilloscoop voor metingen met hoge bandbreedte, kan vermogensmeting eenvoudig zijn omdat de frequentie relatief laag is. In feite zijn er ook veel uitdagingen waarmee ontwerpers van hogesnelheidscircuits nooit te maken krijgen bij vermogensmeting.
De spanning van de gehele schakelinstallatie kan hoog en zwevend zijn, wat betekent dat deze niet geaard is. De pulsbreedte, periode, frequentie en duty-cycle van het signaal zullen allemaal variëren. Het is noodzakelijk om de golfvorm naar waarheid vast te leggen en te analyseren en eventuele afwijkingen in de golfvorm te detecteren. De eisen aan oscilloscopen zijn hoog. Meerdere sondes - waarbij tegelijkertijd sondes met één uiteinde, differentiële sondes en stroomsondes nodig zijn. Het instrument moet een groot geheugen hebben om opnameruimte te bieden voor langdurige laagfrequente acquisitieresultaten. En het kan nodig zijn om in één acquisitie verschillende signalen met aanzienlijke amplitudeverschillen vast te leggen.
Grondbeginselen van schakelende voeding
De reguliere DC-voedingsarchitectuur in de meeste moderne systemen is een schakelende voeding (SMPS), die bekend staat om zijn vermogen om effectief om te gaan met veranderende belastingen. Het elektrische signaalpad van een typische schakelende voeding omvat passieve componenten, actieve componenten en magnetische componenten. Schakelende voedingen moeten het gebruik van verliesgevende componenten zoals weerstanden en lineaire transistors minimaliseren, en voornamelijk (idealiter) verliesvrije componenten gebruiken, zoals schakeltransistoren, condensatoren en magnetische componenten.
Het schakelende voedingsapparaat heeft ook een besturingsgedeelte, dat componenten omvat zoals een pulsbreedtemodulatieregelaar, pulsfrequentiemodulatieregelaar en feedbacklus 1. Het besturingsgedeelte kan zijn eigen voeding hebben. Figuur 1 is een vereenvoudigd schematisch diagram van een schakelende voeding, waarin het onderdeel voor stroomconversie wordt weergegeven, inclusief actieve apparaten, passieve apparaten en magnetische componenten.
De technologie voor schakelende voeding maakt gebruik van vermogenshalfgeleiderschakelapparaten zoals metaaloxide veldeffecttransistors (MOSFET's) en bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's). Deze apparaten hebben een korte schakeltijd en zijn bestand tegen onstabiele spanningspieken. Even belangrijk is dat ze zeer weinig energie verbruiken in zowel open als gesloten toestand, met een hoog rendement en een lage warmteontwikkeling. Schakelapparaten bepalen grotendeels de algehele prestaties van schakelende voedingen. De belangrijkste metingen van schakelapparaten zijn onder meer: schakelverlies, gemiddeld stroomverlies, veilige werkomgeving en andere.
