Ús d'un oscil·loscopi digital per mesurar una font d'alimentació commutada
Les fonts d'alimentació vénen en una gran varietat de tipus i mides, des de fonts d'alimentació analògiques tradicionals fins a fonts d'alimentació de commutació d'alta eficiència. Tots s'enfronten a entorns de treball complexos i dinàmics. Les càrregues i demandes dels equips poden canviar significativament en un instant. Fins i tot les fonts d'alimentació de commutació "quotidianes" han de ser capaços de suportar pics instantanis que superen amb escreix els seus nivells de funcionament mitjans. Els enginyers que dissenyen fonts d'alimentació o sistemes que utilitzaran fonts d'alimentació han d'entendre com funciona la font d'alimentació en condicions estàtiques, així com en les pitjors condicions.
Antigament, caracteritzar el comportament d'una font d'alimentació significava mesurar el corrent i la tensió en repos amb un multímetre digital i realitzar càlculs minuciosos amb una calculadora o un ordinador. Avui, la majoria dels enginyers recorren als oscil·loscopis com a plataforma de mesura de potència preferida. Els oscil·loscopis moderns es poden equipar amb un programari integrat de mesura i anàlisi de potència, simplificant la configuració i facilitant les mesures dinàmiques. Els usuaris poden personalitzar els paràmetres clau, automatitzar els càlculs i veure resultats en segons, no només dades en brut.
Problemes de disseny de fonts d'alimentació i els seus requisits de mesura
Idealment, cada font d'alimentació hauria de comportar-se com el model matemàtic per al qual va ser dissenyada. Però al món real, els components són defectuosos, les càrregues poden canviar, les fonts d'alimentació es poden distorsionar i els canvis ambientals poden alterar el rendiment. A més, els canvis de rendiment i els requisits de cost també fan que el disseny de la font d'alimentació sigui més complex. Considereu aquestes preguntes:
Quants watts de potència pot mantenir la font d'alimentació més enllà de la seva potència nominal? Quant de temps pot durar? Quanta calor dissipa una font d'alimentació? Què passa quan es sobreescalfa? Quant de flux d'aire de refrigeració requereix? Què passa quan el corrent de càrrega augmenta significativament? El dispositiu pot mantenir la tensió de sortida nominal? Com respon la font d'alimentació a un curtcircuit complet a la sortida? Què passa quan canvia la tensió d'entrada de la font d'alimentació?
Els dissenyadors han de desenvolupar fonts d'alimentació que ocupin menys espai, redueixin la calor, redueixin els costos de fabricació i compleixin estàndards EMI/EMC més estrictes. Només un sistema de mesura rigorós pot permetre als enginyers assolir aquests objectius.
Oscil·loscopi i mesures de potència
Per a aquells acostumats a fer mesures d'amplada de banda alta amb un oscil·loscopi, les mesures de la font d'alimentació poden ser senzilles a causa de la seva freqüència relativament baixa. De fet, hi ha molts reptes en la mesura de potència que els dissenyadors de circuits d'alta velocitat mai han d'afrontar.
Tot l'aparell de commutació pot estar a alta tensió i "flotar", és a dir, no connectat a terra. L'amplada del pols, el període, la freqüència i el cicle de treball del senyal canviaran. La forma d'ona s'ha de capturar i analitzar fidelment per trobar qualsevol anomalia en la forma d'ona. Això és exigent per a l'oscil·loscopi. Sondes múltiples: es requereixen sondes d'un sol extrem, sondes diferencials i sondes de corrent. L'instrument ha de tenir una gran memòria per proporcionar espai d'enregistrament per obtenir resultats d'adquisició de baixa freqüència a llarg termini. I pot ser necessari capturar diferents senyals amb amplituds molt diferents en una sola adquisició.
Conceptes bàsics de commutació d'alimentació
L'arquitectura d'alimentació de corrent continu dominant en la majoria dels sistemes moderns és la font d'alimentació de commutació (font d'alimentació de commutació), que és ben coneguda per la seva capacitat per gestionar eficaçment les càrregues canviants. El camí del senyal d'alimentació d'una font d'alimentació de commutació típica inclou components passius, components actius i components magnètics. Les fonts d'alimentació de commutació utilitzen el menor nombre possible de components amb pèrdues (com resistències i transistors lineals) i utilitzen principalment (idealment) components sense pèrdues: transistors de commutació, condensadors i components magnètics.
L'equip d'alimentació de commutació també té una part de control, que inclou un regulador de modulació d'amplada de pols, un regulador de modulació de freqüència de pols i un bucle de retroalimentació 1 i altres components. La secció de control pot tenir la seva pròpia font d'alimentació. La figura 1 és un diagrama esquemàtic simplificat d'una font d'alimentació de commutació, que mostra la part de conversió d'energia, inclosos els dispositius actius, els dispositius passius i els components magnètics.
La tecnologia de commutació d'alimentació utilitza dispositius de commutació de semiconductors de potència, com ara transistors d'efecte de camp d'òxid metàl·lic (MOSFET) i transistors bipolars de porta aïllada (IGBT). Aquests dispositius tenen temps de commutació curts i poden suportar pics de tensió inestables. Igualment important, consumeixen molt poca energia, són altament eficients i generen poca calor, ja sigui en estat encès o apagat. Els dispositius de commutació determinen en gran mesura el rendiment global d'una font d'alimentació commutada. Les mesures principals dels dispositius de commutació inclouen: pèrdua de commutació, pèrdua de potència mitjana, àrea operativa segura i altres.
