Come misurare la perdita di potenza dell'alimentatore switching con l'oscilloscopio digitale
La nuova architettura di SMPS:Switch Mode PowerSupply) deve fornire corrente elevata e bassa tensione ai processori con velocità dati elevata e classe GHz, il che aggiunge una nuova pressione invisibile ai progettisti di dispositivi di alimentazione in termini di efficienza, densità di potenza, affidabilità e costi. Per tenere conto di questi requisiti nella progettazione, i progettisti hanno adottato nuove architetture come la tecnologia di rettifica sincrona, la correzione del filtro di potenza attiva e l'aumento della frequenza di commutazione. Queste tecnologie comportano anche alcune sfide più impegnative, come elevata perdita di potenza, dissipazione del calore ed eccessiva EMI/EMC sui dispositivi di commutazione.
Durante la transizione dallo stato "off" (on) a "on" (off), il dispositivo di alimentazione avrà un consumo energetico elevato. (Tuttavia, la perdita di potenza dei dispositivi di commutazione nello stato "acceso" o "spento" è inferiore, poiché la corrente che attraversa il dispositivo o la tensione sul dispositivo è molto piccola). Induttori e trasformatori possono isolare la tensione di uscita e livellare la corrente di carico. Induttori e trasformatori sono inoltre sensibili alla frequenza di commutazione, con conseguente dissipazione di potenza e guasti occasionali dovuti alla saturazione.
Poiché la potenza dissipata nel dispositivo di alimentazione a commutazione determina l'efficienza complessiva dell'effetto termico dell'alimentatore, è molto importante misurare la perdita di potenza del dispositivo di commutazione e dell'induttore/trasformatore. Questa misurazione può determinare l'efficienza energetica e la dissipazione del calore.
Misurazione e analisi della perdita di potenza
1. Dispositivo di prova necessario per la misurazione della perdita di potenza
Circuito semplificato di trasformazione dell'interruttore. Il transistor di potenza ad effetto di campo MOSFET controlla la corrente sotto l'eccitazione del clock a 40kHz. Il MOSFET non è collegato alla terra dell'alimentatore CA o alla terra dell'uscita del circuito, ovvero è isolato da terra. Pertanto è impossibile misurare semplicemente la tensione di riferimento di terra con un oscilloscopio, perché se il filo di terra della sonda è collegato a un terminale qualsiasi del MOSFET, il punto verrà cortocircuitato con la terra attraverso l'oscilloscopio.
In questo caso, la misurazione differenziale è un buon modo per misurare la forma d'onda della tensione di M0SFET. Mediante la misurazione differenziale è possibile misurare il VDS, ovvero la tensione sul terminale di drain e sul terminale di source del MOSFET. Il VDS può fluttuare al di sopra della tensione e l'intervallo di tensione può variare da decine di volt a centinaia di volt, a seconda dell'intervallo di tensione del dispositivo di alimentazione. Puoi misurare il VDS in diversi modi:
Filo di terra del telaio dell'oscilloscopio a sospensione. Si consiglia di non utilizzarlo perché estremamente dannoso per l'utente, il dispositivo in prova e l'oscilloscopio.
Due sonde passive single-ended convenzionali vengono utilizzate per collegare insieme i fili di terra, quindi per misurare viene utilizzata la funzione di calcolo del canale dell'oscilloscopio. Questo metodo di misurazione è chiamato misurazione quasi differenziale. Tuttavia, sebbene la sonda passiva possa essere utilizzata in combinazione con l'amplificatore di un oscilloscopio, manca della funzione di "rapporto di reiezione di modo comune" (CMRR) che può bloccare adeguatamente qualsiasi tensione di modo comune. Questa impostazione non può misurare con precisione la tensione, ma è possibile utilizzare la sonda esistente.
Utilizzare l'isolatore della sonda disponibile in negozio per isolare il telaio dell'oscilloscopio da terra. Il filo di terra della sonda non sarà più il potenziale di terra principale e la sonda potrà essere collegata direttamente a un punto di prova. L'isolatore della sonda è una soluzione efficace, ma è costoso e il suo costo è da due a cinque volte superiore a quello della sonda differenziale.
Utilizzando una sonda differenziale reale su un oscilloscopio a banda larga. Puoi misurare il VDS con una sonda differenziale, che è anche un buon metodo.
Quando si misura la corrente tramite MOSFET, prima bloccare la sonda di corrente, quindi ottimizzare il sistema di misurazione. Molte sonde differenziali sono dotate di condensatori di trimming DC integrati. Spegnere l'apparecchiatura testata e, dopo che l'oscilloscopio e la sonda si sono completamente riscaldati, è possibile impostare il valore medio delle forme d'onda di tensione e corrente misurate dall'oscilloscopio. L'impostazione della sensibilità dovrebbe utilizzare i valori utilizzati nella misurazione effettiva. In assenza di segnale, regolare il condensatore di regolazione per regolare la media zero di ciascuna forma d'onda su 0 V. Questo passaggio può ridurre notevolmente l'errore di misurazione causato dalla tensione e dalla corrente statiche nel sistema di misurazione.
