Använda ett digitalt oscilloskop för att mäta en switchande strömförsörjning
Strömförsörjningsaggregat finns i en mängd olika typer och storlekar, från traditionella analoga strömförsörjningar till högeffektiva strömförsörjningsaggregat. De möter alla komplexa och dynamiska arbetsmiljöer. Utrustningsbelastningar och krav kan förändras avsevärt på ett ögonblick. Även "vardagliga" växlande strömförsörjningar måste klara av momentana toppar som vida överstiger deras genomsnittliga driftsnivåer. Ingenjörer som designar nätaggregat eller system som använder strömförsörjning måste förstå hur strömförsörjningen fungerar under statiska förhållanden såväl som under värsta tänkbara förhållanden.
Tidigare innebar att karakterisera ett nätaggregats beteende att mäta viloström och spänning med en digital multimeter och utföra noggranna beräkningar med en miniräknare eller PC. Idag vänder sig de flesta ingenjörer till oscilloskop som sin föredragna effektmätningsplattform. Moderna oscilloskop kan utrustas med integrerad mjukvara för effektmätning och analys, vilket förenklar installationen och gör dynamiska mätningar enklare. Användare kan anpassa nyckelparametrar, automatisera beräkningar och se resultat på några sekunder, inte bara rådata.
Strömförsörjningsdesignfrågor och deras mätkrav
Helst bör varje strömförsörjning bete sig som den matematiska modell som den designades för. Men i den verkliga världen är komponenter defekta, belastningar kan förändras, strömförsörjning kan förvrängas och miljöförändringar kan förändra prestandan. Ändrade prestanda- och kostnadskrav gör dessutom strömförsörjningsdesignen mer komplex. Tänk på dessa frågor:
Hur många watt effekt kan strömförsörjningen hålla utöver dess märkeffekt? Hur länge kan det pågå? Hur mycket värme avleder en strömkälla? Vad händer när den överhettas? Hur mycket kylluftsflöde kräver det? Vad händer när belastningsströmmen ökar markant? Kan enheten bibehålla nominell utspänning? Hur reagerar nätaggregatet på en fullständig kortslutning vid utgången? Vad händer när strömförsörjningens inspänning ändras?
Designers måste utveckla nätaggregat som tar mindre plats, minskar värmen, minskar tillverkningskostnaderna och uppfyller strängare EMI/EMC-standarder. Endast ett rigoröst mätsystem kan göra det möjligt för ingenjörer att uppnå dessa mål.
Oscilloskop och effektmätningar
För dem som är vana vid att göra mätningar med hög bandbredd med ett oscilloskop kan mätningar av strömförsörjningen vara enkla på grund av deras relativt låga frekvens. Faktum är att det finns många utmaningar inom effektmätning som höghastighetskretsdesigners aldrig behöver möta.
Hela ställverket kan stå på högspänning och "flytande", det vill säga inte anslutet till jord. Signalens pulsbredd, period, frekvens och arbetscykel kommer alla att ändras. Vågformen måste fångas och analyseras troget för att hitta eventuella anomalier i vågformen. Detta är krävande för oscilloskopet. Flera sonder – Enkeländade prober, differentialsonder och strömsonder krävs alla. Instrumentet måste ha ett stort minne för att ge inspelningsutrymme för långsiktiga lågfrekventa insamlingsresultat. Och det kan krävas att fånga olika signaler med mycket varierande amplituder i en enda insamling.
Grunderna för att byta strömförsörjning
Den dominerande likströmsarkitekturen i de flesta moderna system är switching power supply (switching power supply), som är välkänt för sin förmåga att effektivt hantera växlande belastningar. Effektsignalvägen för en typisk strömförsörjning inkluderar passiva komponenter, aktiva komponenter och magnetiska komponenter. Switchande nätaggregat använder så få förlustbringande komponenter som möjligt (som motstånd och linjära transistorer) och använder huvudsakligen (helst) förlustfria komponenter: switchande transistorer, kondensatorer och magnetiska komponenter.
Omkopplingsströmförsörjningsutrustningen har också en styrdel, som inkluderar en pulsbreddsmoduleringsregulator, en pulsfrekvensmoduleringsregulator och en återkopplingsslinga 1 och andra komponenter. Styrsektionen kan ha en egen strömförsörjning. Figur 1 är ett förenklat schematiskt diagram av en omkopplande strömförsörjning, som visar effektomvandlingsdelen, inklusive aktiva enheter, passiva enheter och magnetiska komponenter.
Switchande strömförsörjningsteknik använder krafthalvledaromkopplingsenheter såsom metalloxidfälteffekttransistorer (MOSFET) och bipolära transistorer med isolerad grind (IGBT). Dessa enheter har korta kopplingstider och tål instabila spänningsspikar. Lika viktigt är att de förbrukar väldigt lite energi, är mycket effektiva och genererar låg värme, oavsett om de är på eller av. Omkopplingsanordningar bestämmer i stor utsträckning den totala prestandan hos en strömförsörjning. Huvudmätningarna av kopplingsanordningar inkluderar: kopplingsförlust, genomsnittlig strömförlust, säkert driftområde och andra.
