DigitalOszilloskopMessung vonSchaltnetzteile
Netzteile gibt es in vielen verschiedenen Typen und Größen, von herkömmlichen analogen Netzteilen bis hin zu hocheffizienten Schaltnetzteilen. Sie alle sind komplexen, dynamischen Betriebsumgebungen ausgesetzt. Die Belastungen und Anforderungen der Geräte können sich in einem Augenblick dramatisch ändern. Selbst „alltägliche“ Schaltnetzteile müssen in der Lage sein, plötzliche Spitzen weit über ihrem durchschnittlichen Betriebsniveau zu überstehen. Ingenieure, die Netzteile oder Systeme entwickeln, dieNetzteile verwendenSie müssen verstehen, wie sich die Stromversorgung unter statischen und unter Worst-Case-Bedingungen verhält.
Um das Verhalten einer Stromversorgung zu charakterisieren, musste man früher Ruheströme und -spannungen mit einem digitalenMultimeterund die Durchführung mühsamer Berechnungen mit einem Taschenrechner oder PC. Heute verwenden die meisten Ingenieure Oszilloskope als bevorzugte Leistungsmessplattform. Moderne Oszilloskope können mit integrierter Leistungsmess- und Analysesoftware 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 der damit verbundene Messbedarf
Im Idealfall sollte jedes Netzteil wie das mathematische Modell funktionieren, für das es entwickelt wurde. Aber in der realen WeltKomponentensind fehlerhaft, Lasten ändern sich, Stromversorgungen können verzerrt werden und Umgebungsänderungen können die Leistung beeinträchtigen. Außerdem erschweren sich ändernde Leistungs- und Kostenanforderungen das Design von Stromversorgungen. Bedenken Sie diese Probleme:
Wie viele Watt kann das Netzteil über seine Nennleistung hinaus aushalten? Wie lange hält es? Wie viel Wärme gibt das Netzteil ab? Was passiert, wenn es überhitzt? Wie viel Kühlluftstrom benötigt es? Was passiert, wenn der Laststrom drastisch ansteigt? Kann das Gerät seine Nennausgangsspannung aufrechterhalten? Wie verträgt das Netzteil 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 mit einem strengen Messsystem können Ingenieure diese Ziele erreichen.
Oszilloskope und Leistungsmessung
Für diejenigen, die an Messungen mit hoher Bandbreite mit Oszilloskopen gewöhnt sind, können Messungen von Stromversorgungen aufgrund ihrer relativ niedrigen Frequenz einfach sein. In Wirklichkeit gibt es bei Leistungsmessungen viele Herausforderungen, mit denen Entwickler von Hochgeschwindigkeitsschaltungen nie konfrontiert werden.
Die Spannung über dem Schaltgerät kann hoch und "schwebend" sein, d. h. nichtgeerdet. Die Impulsbreite, Periode, Frequenz und das Tastverhältnis des Signals können variieren. Wellenformen müssen erfasst und analysiert werden, um Anomalien zu erkennen. Dies ist eine anspruchsvolle Anforderung an Oszilloskope. Mehrere Sonden – Single-Ended-Sonden, Differenzialsonden und Stromsonden sind ebenfalls erforderlich.Das Instrumentmuss über einen großen Speicher verfügen, um Platz für die Aufzeichnung von Ergebnissen aus langen, niederfrequenten Erfassungen zu haben. Außerdem kann es erforderlich sein, in einer einzigen Erfassung unterschiedliche Signale mit stark unterschiedlichen Amplituden zu erfassen.
Grundlagen zu Schaltnetzteilen
Die vorherrschende Gleichstromarchitektur in den meisten modernen Systemen ist das Schaltnetzteil (Schaltnetzteil), das für seine Fähigkeit bekannt ist, mit unterschiedlichen Lasten effizient umzugehen. Der elektrische Energiesignalpfad eines typischen Schaltnetzteils umfasst passive Geräte, aktive Geräte und magnetische Komponenten. Schaltnetzteile verwenden so wenig verlustbehaftete Komponenten wie möglich (z. B.Widerständeund lineare Transistoren) und verwenden hauptsächlich (idealerweise) verlustfreie Komponenten: Schalttransistoren,Kondensatorenund magnetische Komponenten.
Schaltnetzteile verfügen außerdem über einen Steuerabschnitt, der Komponenten wie einen Pulsweitenmodulationsregler, einen Pulsfrequenzmodulationsregler und eine Rückkopplungsschleife1 umfasst. Der Steuerabschnitt kann über eine eigene Stromversorgung verfügen. FIG. 1 ist ein vereinfachtes Schema eines Schaltnetzteils, das den Abschnitt zur Umwandlung elektrischer Energie zeigt, der aktive und passive Komponenten sowie magnetische Komponenten umfasst.
Bei der Schaltnetzteiltechnologie werden Leistungshalbleiter-Schaltgeräte wie Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) mit IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) verwendet. Diese Geräte haben kurze Schaltzeiten und können instabilen Spannungsspitzen standhalten. Ebenso wichtig ist, dass sie sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand sehr wenig Energie verbrauchen, was zu einer hohen Effizienz und geringer Wärmeentwicklung führt. Schaltgeräte bestimmen weitgehend die Gesamtleistung eines Schaltnetzteils. Zu den wichtigsten Messungen von Schaltgeräten gehören: Schaltverluste, durchschnittlicher Leistungsverlust,sicherEinsatzgebiet und Sonstiges.
