De methode voor het meten van schakelende voeding met digitale oscilloscoop
Voedingen zijn er in een grote verscheidenheid aan soorten en maten, van traditionele analoge voedingen tot hoogefficiënte schakelende voedingen. Ze hebben allemaal te maken met een complexe en dynamische werkomgeving. De belasting en eisen van apparatuur kunnen in een mum van tijd dramatisch veranderen. Zelfs een "alledaagse" schakelende voeding is bestand tegen kortstondige pieken die ruim boven het gemiddelde bedrijfsniveau liggen. Ingenieurs die een voeding of een voeding voor gebruik in een systeem ontwerpen, moeten begrijpen hoe de voeding functioneert onder statische omstandigheden, maar ook onder de slechtste omstandigheden.
In het verleden betekende het karakteriseren van het gedrag van een voeding het meten van de ruststroom en -spanning met een digitale multimeter en het uitvoeren van nauwgezette berekeningen met een rekenmachine of pc. Tegenwoordig gebruiken de meeste ingenieurs de oscilloscoop 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 voedingen en hun meetbehoeften
Idealiter zou elke voeding zich moeten gedragen zoals het wiskundige model waarvoor deze is ontworpen. Maar in de echte wereld zijn componenten defect, kunnen de belastingen variëren, kunnen de voedingen vervormd zijn en kunnen veranderingen in de omgeving de prestaties beïnvloeden. Bovendien compliceren veranderende prestatie- en kostenvereisten het ontwerp van de voeding. Denk eens na over deze vragen:
Hoeveel watt kan de voeding leveren boven het nominale vermogen? Hoe lang kan het duren? Hoeveel warmte geeft de voeding af? Wat gebeurt er als het oververhit raakt? Hoeveel koelluchtstroom heeft het nodig? Wat gebeurt er als de belastingsstroom aanzienlijk toeneemt? Kan het apparaat de nominale uitgangsspanning behouden? Hoe gaat de voeding om met een kortsluiting op 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 kan ingenieurs in staat stellen deze doelen te bereiken.
Oscilloscoop en vermogensmetingen
Voor degenen die gewend zijn aan het uitvoeren van metingen met een hoge bandbreedte met een oscilloscoop, kunnen metingen van de voeding eenvoudig zijn vanwege hun relatief lage frequenties. In feite zijn er veel uitdagingen bij vermogensmeting waar ontwerpers van hogesnelheidscircuits nooit mee te maken krijgen.
Het gehele schakelapparaat kan onder hoge spanning staan en "zwevend" zijn, dat wil zeggen niet verbonden met aarde. De pulsbreedte, periode, frequentie en duty-cycle van het signaal kunnen variëren. Golfvormen moeten getrouw worden vastgelegd en geanalyseerd om afwijkingen in de golfvorm te detecteren. Dit vergt veel van de oscilloscoop. Meerdere sondes: Er zijn tegelijkertijd enkelzijdige, differentiële en stroomsondes vereist. 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 sterk verschillende amplitudes op te vangen.
Basisprincipes van schakelende voeding
De dominante gelijkstroomarchitectuur in de meeste moderne systemen is de schakelende voeding (schakelende voeding), die bekend staat om zijn vermogen om verschillende belastingen efficiënt aan te kunnen. Het vermogenssignaalpad van een typische schakelende voeding omvat passieve componenten, actieve componenten en magnetische componenten. Schakelvoedingen gebruiken zo min mogelijk verliesgevende componenten (zoals weerstanden en lineaire transistors) en meestal (idealiter) verliesloze componenten: schakeltransistoren, condensatoren en magnetisme.
Het schakelende voedingsapparaat heeft ook een besturingsgedeelte, dat een pulsbreedtemodulatieregelaar, een pulsfrequentiemodulatieregelaar en een feedbacklus 1 en andere componenten omvat. Het besturingsgedeelte kan over een eigen voeding beschikken. Figuur 1 is een vereenvoudigd schematisch diagram van een schakelende voeding, waarin het gedeelte 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 korte schakeltijden en zijn bestand tegen grillige spanningspieken. Even belangrijk is dat ze zowel in de aan- als uit-stand zeer weinig stroom verbruiken, zeer efficiënt zijn en weinig warmte genereren. Schakelapparaten bepalen grotendeels de algehele prestaties van een schakelende voeding. Belangrijke metingen aan schakelapparaten zijn onder meer: schakelverlies, gemiddeld stroomverlies, veilig werkgebied en andere.
