Mètode per mesurar l'alimentació de commutació amb oscil·loscopi digital
Des de fonts d'alimentació analògiques tradicionals fins a fonts d'alimentació de commutació eficients, els tipus i mides de les fonts d'alimentació varien molt. Tots s'enfronten a entorns de treball complexos i dinàmics. La càrrega i la demanda de l'equip poden experimentar canvis significatius en un instant. Fins i tot una font d'alimentació de commutació "diària" ha de ser capaç de suportar pics instantanis que superen amb escreix el seu nivell mitjà de funcionament. Els enginyers que dissenyen fonts d'alimentació o sistemes per utilitzar fonts d'alimentació han d'entendre les condicions de funcionament de la font d'alimentació en condicions estàtiques i en el pitjor dels casos.
En el passat, descriure les característiques de comportament de les fonts d'energia significava utilitzar un multímetre digital per mesurar el corrent i la tensió estàtica, i realitzar càlculs ardus mitjançant 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 programari integrat de mesura i anàlisi de potència, simplificant la configuració i facilitant la mesura dinàmica. Els usuaris poden personalitzar els paràmetres clau, calcular automàticament i veure els resultats en qüestió de segons, en lloc de només dades en brut.
Problemes de disseny de fonts d'alimentació i requisits de mesura
Idealment, cada font d'alimentació hauria de funcionar com el model matemàtic dissenyat per a això. Però al món real, els components són defectuosos, les càrregues poden canviar, la font d'alimentació es pot distorsionar i els canvis ambientals poden alterar el rendiment. A més, els requisits de rendiment i costos que canvien constantment també fan que el disseny de la font d'alimentació sigui més complex. Considereu aquests problemes:
Quants watts de potència pot mantenir la font d'alimentació més enllà de la seva potència nominal? Quant de temps pot durar? Quanta calor emet la 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 seva tensió de sortida nominal? Com respon la font d'alimentació a un curtcircuit complet a l'extrem de 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 estricte pot permetre als enginyers assolir aquests objectius.
Oscil·loscopi i mesura de la font d'alimentació
Per a aquells acostumats a utilitzar un oscil·loscopi per a mesures d'amplada de banda alta, la mesura de potència pot ser senzilla perquè la seva freqüència és relativament baixa. De fet, també hi ha molts reptes que els dissenyadors de circuits d'alta velocitat mai han d'enfrontar-se en la mesura de potència.
La tensió de tot l'aparell de commutació pot ser alta i flotant, és a dir, no està connectada a terra. L'amplada del pols, el període, la freqüència i el cicle de treball del senyal variaran. Cal capturar i analitzar la forma d'ona amb veracitat i detectar qualsevol anomalia en la forma d'ona. Els requisits dels oscil·loscopis són exigents. Sondes múltiples: requereixen simultàniament 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 requerir la captura de diferents senyals amb diferències d'amplitud importants en una adquisició.
Fonaments de la font d'alimentació commutada
L'arquitectura de la font d'alimentació de corrent continu en la majoria dels sistemes moderns és una font d'alimentació commutada (SMPS), que és coneguda per la seva capacitat per fer front amb eficàcia a les càrregues canviants. El camí del senyal elèctric d'una font d'alimentació de commutació típica inclou components passius, components actius i components magnètics. Les fonts d'alimentació de commutació han de minimitzar l'ús de components amb pèrdues, com ara resistències i transistors lineals, i utilitzar principalment (idealment) components sense pèrdues, com ara transistors de commutació, condensadors i components magnètics.
El dispositiu d'alimentació de commutació també té una part de control, que inclou components com ara el regulador de modulació d'amplada de pols, el regulador de modulació de freqüència de pols i el bucle de retroalimentació 1. 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 commutada, que mostra la part de conversió d'energia, inclosos els dispositius actius, els dispositius passius i els components magnètics.
La tecnologia d'alimentació de commutació 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 un temps de commutació curt i poden suportar pics de tensió inestables. Igualment important, consumeixen molt poca energia tant en estat obert com tancat, amb alta eficiència i baixa generació de calor. Els dispositius de commutació determinen en gran mesura el rendiment global de les fonts d'alimentació de commutació. Les mesures principals dels dispositius de commutació inclouen: pèrdua de commutació, pèrdua de potència mitjana, àrea de treball segura i altres.
