Messen eines Schaltnetzteils mit einem digitalen Oszilloskop
Netzteile gibt es in vielen verschiedenen Typen und Größen, von herkömmlichen analogen Netzteilen bis hin zu hocheffizienten Schaltnetzteilen. Sie alle sind komplexen und dynamischen Arbeitsumgebungen ausgesetzt. Die Belastungen und Anforderungen der Geräte können sich in Sekundenschnelle erheblich ändern. Selbst „alltägliche“ Schaltnetzteile müssen in der Lage sein, plötzliche Spitzen zu verkraften, die weit über ihren durchschnittlichen Betriebspegel liegen. Ingenieure, die Netzteile oder Systeme entwickeln, die Netzteile verwenden, müssen verstehen, wie das Netzteil unter statischen Bedingungen sowie unter Worst-Case-Bedingungen funktioniert.
Um das Verhalten einer Stromversorgung zu charakterisieren, musste man früher Ruhestrom und -spannung mit einem Digitalmultimeter messen und mühsame Berechnungen mit einem Taschenrechner oder PC durchführen. Heute verwenden die meisten Ingenieure bevorzugt Oszilloskope als Leistungsmessplattform. Moderne Oszilloskope können mit integrierter Software zur Leistungsmessung und -analyse ausgestattet werden, was die Einrichtung vereinfacht und dynamische Messungen erleichtert. Benutzer können wichtige Parameter anpassen, Berechnungen automatisieren und in Sekundenschnelle Ergebnisse und nicht nur Rohdaten sehen.
Probleme beim Entwurf von Stromversorgungen und ihre Messanforderungen
Im Idealfall sollte sich jedes Netzteil wie das mathematische Modell verhalten, für das es entwickelt wurde. In der realen Welt sind jedoch Komponenten defekt, Lasten können sich ändern, Netzteile können verzerrt werden und Umgebungsänderungen können die Leistung beeinträchtigen. Darüber hinaus machen sich ändernde Leistungs- und Kostenanforderungen auch die Netzteilkonstruktion komplexer. Bedenken Sie diese Fragen:
Wie viel Watt Leistung kann das Netzteil über seine Nennleistung hinaus vertragen? Wie lange hält es? Wie viel Wärme gibt ein Netzteil ab? Was passiert, wenn es überhitzt? Wie viel Kühlluftstrom benötigt es? Was passiert, wenn der Laststrom deutlich ansteigt? Kann das Gerät die Nennausgangsspannung aufrechterhalten? Wie reagiert das Netzteil auf einen vollständigen Kurzschluss am Ausgang? Was passiert, wenn sich die Eingangsspannung des Netzteils ändert?
Designer müssen Netzteile entwickeln, die weniger Platz beanspruchen, weniger Wärme erzeugen, die Herstellungskosten senken und strengere EMI/EMV-Standards erfüllen. Nur ein strenges Messsystem kann es Ingenieuren ermöglichen, diese Ziele zu erreichen.
Oszilloskop- und Leistungsmessungen
Für diejenigen, die es gewohnt sind, mit einem Oszilloskop Messungen mit hoher Bandbreite durchzuführen, können Messungen von Stromversorgungen aufgrund ihrer relativ niedrigen Frequenz einfach sein. Tatsächlich gibt es bei der Leistungsmessung viele Herausforderungen, mit denen Entwickler von Hochgeschwindigkeitsschaltungen nie konfrontiert werden.
Die gesamte Schaltanlage kann unter Hochspannung stehen und „schwebend“ sein, d. h. nicht mit der Erde verbunden. Die Impulsbreite, Periode, Frequenz und das Tastverhältnis des Signals ändern sich. Die Wellenform muss genau erfasst und analysiert werden, um Anomalien in der Wellenform zu finden. Dies stellt hohe Anforderungen an das Oszilloskop. Mehrere Sonden – unsymmetrische Sonden, Differenzsonden und Stromsonden sind alle erforderlich. Das Gerät muss über einen großen Speicher verfügen, um Aufzeichnungsplatz für die Erfassung von Niederfrequenzergebnissen über einen langen Zeitraum bereitzustellen. Außerdem kann es erforderlich sein, verschiedene Signale mit stark unterschiedlichen Amplituden in einer einzigen Erfassung zu erfassen.
Grundlagen der Schaltnetzteil
Die vorherrschende Gleichstromarchitektur in den meisten modernen Systemen ist das Schaltnetzteil (Schaltnetzteil), das für seine Fähigkeit bekannt ist, wechselnde Lasten effektiv zu handhaben. Der Leistungssignalpfad eines typischen Schaltnetzteils umfasst passive Komponenten, aktive Komponenten und magnetische Komponenten. Schaltnetzteile verwenden so wenig verlustbehaftete Komponenten wie möglich (wie Widerstände und lineare Transistoren) und verwenden hauptsächlich (idealerweise) verlustfreie Komponenten: Schalttransistoren, Kondensatoren und magnetische Komponenten.
Das Schaltnetzteil verfügt außerdem über einen Steuerteil, der einen Pulsweitenmodulationsregler, einen Pulsfrequenzmodulationsregler, eine Rückkopplungsschleife 1 und andere Komponenten umfasst. Der Steuerteil kann über eine eigene Stromversorgung verfügen. Abbildung 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Schaltnetzteils, das den Leistungsumwandlungsteil einschließlich aktiver Geräte, passiver Geräte und magnetischer Komponenten zeigt.
Bei der Schaltnetzteiltechnologie kommen Leistungshalbleiter-Schaltgeräte wie Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isolierter Gateelektrode (IGBTs) zum Einsatz. Diese Geräte haben kurze Schaltzeiten und können instabilen Spannungsspitzen standhalten. Ebenso wichtig ist, dass sie sehr wenig Energie verbrauchen, hocheffizient sind und wenig Wärme erzeugen, egal ob im ein- oder ausgeschalteten Zustand. Schaltgeräte bestimmen in hohem Maße die Gesamtleistung eines Schaltnetzteils. Die wichtigsten Messungen von Schaltgeräten umfassen: Schaltverlust, durchschnittlicher Leistungsverlust, sicherer Betriebsbereich und andere.
