El mètode de mesura de la font d'alimentació de commutació amb oscil·loscopi digital
Les fonts d'alimentació vénen en una gran varietat de tipus i mides, des de fonts d'alimentació de tipus analògic tradicionals fins a fonts d'alimentació de commutació d'alta eficiència. Tots han d'afrontar un entorn de treball complex i dinàmic. Les càrregues i demandes dels equips poden canviar dràsticament en un instant. Fins i tot una font d'alimentació de commutació "quotidiana" pot suportar pics momentàniament molt superiors al seu nivell de funcionament mitjà. Els enginyers que dissenyen una font d'alimentació o una font d'alimentació per utilitzar-la en un sistema han d'entendre com funciona la font d'alimentació en condicions estàtiques i 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 a l'oscil·loscopi 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 les seves necessitats de mesura
Idealment, cada font d'alimentació hauria de comportar-se com el model matemàtic per al qual va ser dissenyat. Però en el món real, els components són defectuosos, les càrregues poden variar, 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 compliquen el disseny de la font d'alimentació. Considereu aquestes preguntes:
Quants watts pot mantenir la font d'alimentació més enllà de la seva potència nominal? Quant de temps pot durar? Quanta calor dissipa la font d'alimentació? Què passa quan es sobreescalfa? Quant de flux d'aire de refrigeració necessita? Què passa quan el corrent de càrrega augmenta significativament? El dispositiu pot mantenir la tensió de sortida nominal? Com tracta la font d'alimentació amb un curtcircuit mort 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 les seves freqüències relativament baixes. 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 ser d'alta tensió i "flotant", és a dir, no connectat a terra. L'amplada del pols, el període, la freqüència i el cicle de treball del senyal poden variar. Les formes d'ona s'han de capturar i analitzar fidelment per detectar anomalies en la forma d'ona. Això és exigent per a l'oscil·loscopi. Sondes múltiples: calen sondes d'un sol extrem, diferencials i de corrent al mateix temps. 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 la font de commutació
L'arquitectura d'alimentació de CC dominant en la majoria dels sistemes moderns és la font d'alimentació de commutació (font d'alimentació de commutació), que és coneguda per la seva capacitat per manejar càrregues variables de manera eficient. 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 majoritàriament (idealment) components sense pèrdues: transistors de commutació, condensadors i magnètics.
El dispositiu 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 commutada, que mostra la secció 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 irregulars. Igualment important, consumeixen molt poca energia tant en els estats d'encesa com d'apagats, són altament eficients i generen poca calor. Els dispositius de commutació determinen en gran mesura el rendiment global d'una font d'alimentació commutada. Les mesures clau dels dispositius de commutació inclouen: pèrdua de commutació, pèrdua de potència mitjana, àrea operativa segura i altres.
