Utilizzo di un oscilloscopio digitale per misurare un alimentatore a commutazione
Gli alimentatori sono disponibili in un'ampia varietà di tipi e dimensioni, dai tradizionali alimentatori analogici agli alimentatori switching ad alta efficienza. Tutti affrontano ambienti di lavoro complessi e dinamici. I carichi e le richieste delle apparecchiature possono cambiare in modo significativo in un istante. Anche gli alimentatori switching “quotidiani” devono essere in grado di sopportare picchi istantanei che superano di gran lunga i loro livelli operativi medi. Gli ingegneri che progettano alimentatori o sistemi che utilizzeranno alimentatori devono comprendere come funziona l'alimentatore in condizioni statiche e nelle condizioni peggiori.
In passato, caratterizzare il comportamento di un alimentatore significava misurare la corrente e la tensione di riposo con un multimetro digitale ed eseguire calcoli scrupolosi con una calcolatrice o un PC. Oggi, la maggior parte degli ingegneri sceglie gli oscilloscopi come piattaforma di misurazione della potenza preferita. I moderni oscilloscopi possono essere dotati di software integrato di misurazione e analisi della potenza, semplificando la configurazione e rendendo più facili le misurazioni dinamiche. Gli utenti possono personalizzare i parametri chiave, automatizzare i calcoli e visualizzare i risultati in pochi secondi, non solo i dati grezzi.
Problemi di progettazione degli alimentatori e relativi requisiti di misurazione
Idealmente, ogni alimentatore dovrebbe comportarsi come il modello matematico per il quale è stato progettato. Ma nel mondo reale, i componenti sono difettosi, i carichi possono cambiare, gli alimentatori possono deformarsi e i cambiamenti ambientali possono alterare le prestazioni. Inoltre, il cambiamento dei requisiti in termini di prestazioni e costi rende anche la progettazione degli alimentatori più complessa. Considera queste domande:
Quanti watt di potenza può sostenere l'alimentatore oltre la sua potenza nominale? Quanto può durare? Quanto calore dissipa un alimentatore? Cosa succede quando si surriscalda? Quanto flusso d'aria di raffreddamento richiede? Cosa succede quando la corrente di carico aumenta in modo significativo? Il dispositivo è in grado di mantenere la tensione di uscita nominale? Come reagisce l'alimentatore a un cortocircuito completo in uscita? Cosa succede quando cambia la tensione di ingresso dell'alimentatore?
I progettisti devono sviluppare alimentatori che occupino meno spazio, riducano il calore, riducano i costi di produzione e soddisfino gli standard EMI/EMC più severi. Solo un sistema di misurazione rigoroso può consentire agli ingegneri di raggiungere questi obiettivi.
Oscilloscopio e misure di potenza
Per coloro che sono abituati a effettuare misurazioni con larghezza di banda elevata con un oscilloscopio, le misurazioni dell'alimentazione possono essere semplici a causa della loro frequenza relativamente bassa. In effetti, ci sono molte sfide nella misurazione della potenza che i progettisti di circuiti ad alta velocità non devono mai affrontare.
L'intero quadro può essere ad alta tensione e “flottante”, cioè non collegato a terra. L'ampiezza dell'impulso, il periodo, la frequenza e il ciclo di lavoro del segnale cambieranno. La forma d'onda deve essere catturata e analizzata fedelmente per individuare eventuali anomalie nella forma d'onda. Questo è impegnativo per l'oscilloscopio. Sonde multiple: sono necessarie sonde a terminazione singola, sonde differenziali e sonde di corrente. Lo strumento deve disporre di una memoria di grandi dimensioni per fornire spazio di registrazione per i risultati di acquisizione a bassa frequenza a lungo termine. Inoltre, potrebbe essere necessario acquisire segnali diversi con ampiezze molto variabili in un'unica acquisizione.
Nozioni di base sull'alimentatore switching
L'architettura di alimentazione CC dominante nella maggior parte dei sistemi moderni è l'alimentatore a commutazione (alimentatore a commutazione), ben noto per la sua capacità di gestire efficacemente i carichi variabili. Il percorso del segnale di potenza di un tipico alimentatore a commutazione comprende componenti passivi, componenti attivi e componenti magnetici. Gli alimentatori a commutazione utilizzano il minor numero possibile di componenti con perdite (come resistori e transistor lineari) e utilizzano principalmente (idealmente) componenti senza perdite: transistor di commutazione, condensatori e componenti magnetici.
L'apparecchiatura di alimentazione a commutazione ha anche una parte di controllo, che comprende un regolatore di modulazione dell'ampiezza degli impulsi, un regolatore di modulazione della frequenza degli impulsi e un circuito di feedback 1 e altri componenti. La sezione di controllo può avere una propria alimentazione. La Figura 1 è un diagramma schematico semplificato di un alimentatore a commutazione, che mostra la parte di conversione dell'alimentazione, inclusi dispositivi attivi, dispositivi passivi e componenti magnetici.
La tecnologia degli alimentatori a commutazione utilizza dispositivi di commutazione a semiconduttore di potenza come transistor a effetto di campo a ossido di metallo (MOSFET) e transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Questi dispositivi hanno tempi di commutazione brevi e possono sopportare picchi di tensione instabili. Altrettanto importante, consumano pochissima energia, sono altamente efficienti e generano poco calore, sia nello stato acceso che spento. I dispositivi di commutazione determinano in larga misura le prestazioni complessive di un alimentatore a commutazione. Le principali misurazioni dei dispositivi di commutazione includono: perdita di commutazione, perdita di potenza media, area operativa sicura e altre.
