Metodo per misurare l'alimentazione elettrica a commutazione con oscilloscopio digitale
Dai tradizionali alimentatori analogici agli efficienti alimentatori a commutazione, i tipi e le dimensioni degli alimentatori variano notevolmente. Tutti affrontano ambienti di lavoro complessi e dinamici. Il carico e la domanda delle apparecchiature possono subire cambiamenti significativi in un istante. Anche un alimentatore switching "quotidiano" deve essere in grado di sopportare picchi istantanei che superano di gran lunga il suo livello operativo medio. Gli ingegneri che progettano alimentatori o sistemi che utilizzano alimentatori devono comprendere le condizioni di funzionamento dell'alimentatore in condizioni statiche e nel caso peggiore.
In passato, descrivere le caratteristiche comportamentali delle fonti di alimentazione significava utilizzare un multimetro digitale per misurare la corrente e la tensione statica ed eseguire calcoli faticosi utilizzando 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 semplice la misurazione dinamica. Gli utenti possono personalizzare i parametri chiave, calcolare automaticamente e visualizzare i risultati in pochi secondi, anziché solo i dati grezzi.
Problemi di progettazione dell'alimentatore e requisiti di misurazione
Idealmente, ogni alimentatore dovrebbe funzionare come il modello matematico progettato per esso. Ma nel mondo reale, i componenti sono difettosi, i carichi possono cambiare, l’alimentazione può essere distorta e i cambiamenti ambientali possono alterare le prestazioni. Inoltre, i requisiti in costante cambiamento in termini di prestazioni e costi rendono la progettazione degli alimentatori più complessa. Considera questi problemi:
Quanti watt di potenza può mantenere l'alimentatore oltre la sua potenza nominale? Quanto può durare? Quanto calore emette l'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 riesce a mantenere la tensione di uscita nominale? Come risponde l'alimentatore a un cortocircuito completo all'estremità di 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 standard EMI/EMC più severi. Solo un rigoroso sistema di misurazione può consentire agli ingegneri di raggiungere questi obiettivi.
Misurazione con oscilloscopio e alimentazione
Per coloro che sono abituati a utilizzare un oscilloscopio per misurazioni con larghezza di banda elevata, la misurazione della potenza può essere semplice perché la sua frequenza è relativamente bassa. In effetti, ci sono anche molte sfide che i progettisti di circuiti ad alta velocità non devono mai affrontare nella misurazione della potenza.
La tensione dell'intero quadro può essere elevata e fluttuante, ovvero non collegata a terra. L'ampiezza dell'impulso, il periodo, la frequenza e il ciclo di lavoro del segnale varieranno. È necessario acquisire e analizzare la forma d'onda in modo veritiero e rilevare eventuali anomalie nella forma d'onda. I requisiti per gli oscilloscopi sono severi. Sonde multiple: richiedono simultaneamente sonde a terminazione singola, sonde differenziali e sonde di corrente. Lo strumento deve disporre di un'ampia memoria per fornire spazio di registrazione per i risultati di acquisizione a bassa frequenza a lungo termine. Inoltre, potrebbe essere necessario acquisire segnali diversi con differenze di ampiezza significative in un'unica acquisizione.
Fondamenti di alimentazione elettrica a commutazione
L'architettura di alimentazione CC tradizionale nella maggior parte dei sistemi moderni è un alimentatore a commutazione (SMPS), noto per la sua capacità di far fronte in modo efficace alle variazioni di carico. Il percorso del segnale elettrico di un tipico alimentatore a commutazione comprende componenti passivi, componenti attivi e componenti magnetici. Gli alimentatori a commutazione dovrebbero ridurre al minimo l'uso di componenti con perdite come resistori e transistor lineari e utilizzare principalmente (idealmente) componenti senza perdite come transistor di commutazione, condensatori e componenti magnetici.
Il dispositivo di alimentazione a commutazione ha anche una parte di controllo, che include componenti come regolatore di modulazione di larghezza di impulso, regolatore di modulazione di frequenza di impulso e circuito di feedback 1. 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 un tempo di commutazione breve e possono sopportare picchi di tensione instabili. Cosa altrettanto importante, consumano pochissima energia sia nello stato aperto che in quello chiuso, con un'elevata efficienza e una bassa generazione di calore. I dispositivi di commutazione determinano in gran parte le prestazioni complessive degli alimentatori a commutazione. Le principali misurazioni dei dispositivi di commutazione includono: perdita di commutazione, perdita di potenza media, area di lavoro sicura e altre.
