Methode zur Messung von Schaltnetzteilen mit einem digitalen Oszilloskop
Von herkömmlichen analogen Netzteilen bis hin zu effizienten Schaltnetzteilen variieren die Arten und Größen der Netzteile stark. Sie alle sind mit komplexen und dynamischen Arbeitsumgebungen konfrontiert. Die Ausrüstungslast und -nachfrage kann sich augenblicklich erheblich ändern. Selbst ein „tägliches“ Schaltnetzteil muss in der Lage sein, momentane Spitzenwerte zu verkraften, die weit über seinem durchschnittlichen Betriebsniveau liegen. Ingenieure, die Netzteile oder Systeme zur Verwendung von Netzteilen entwerfen, müssen die Betriebsbedingungen des Netzteils unter statischen und ungünstigsten Bedingungen verstehen.
In der Vergangenheit bedeutete die Beschreibung der Verhaltensmerkmale von Stromquellen, statische Ströme und Spannungen mit einem Digitalmultimeter zu messen und mühsame Berechnungen mit einem Taschenrechner oder PC durchzuführen. Heutzutage 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, automatisch berechnen und Ergebnisse innerhalb von Sekunden anzeigen, anstatt nur Rohdaten.
Probleme beim Netzteildesign und Messanforderungen
Im Idealfall sollte jedes Netzteil wie das für es entwickelte mathematische Modell funktionieren. Aber in der realen Welt sind Komponenten fehlerhaft, Lasten können sich ändern, die Stromversorgung kann verzerrt sein und Umgebungsveränderungen können die Leistung beeinträchtigen. Darüber hinaus machen sich ständig ändernde Leistungs- und Kostenanforderungen auch die Stromversorgungskonstruktion komplexer. Bedenken Sie diese Probleme:
Wie viele Watt Leistung kann das Netzteil über seine Nennleistung hinaus aufrechterhalten? Wie lange kann es dauern? Wie viel Wärme gibt das Netzteil ab? Was passiert, wenn es überhitzt? Wie viel Kühlluftstrom ist erforderlich? Was passiert, wenn der Laststrom deutlich ansteigt? Kann das Gerät seine Nennausgangsspannung halten? Wie reagiert das Netzteil auf einen kompletten Kurzschluss auf der Ausgangsseite? Was passiert, wenn sich die Eingangsspannung des Netzteils ändert?
Entwickler müssen Netzteile entwickeln, die weniger Platz beanspruchen, die Wärmeentwicklung reduzieren, die Herstellungskosten senken und strengere EMI/EMV-Standards erfüllen. Nur ein strenges Messsystem kann es Ingenieuren ermöglichen, diese Ziele zu erreichen.
Oszilloskop- und Stromversorgungsmessung
Für diejenigen, die es gewohnt sind, ein Oszilloskop für Messungen mit hoher Bandbreite zu verwenden, kann die Leistungsmessung einfach sein, da die Frequenz relativ niedrig ist. Tatsächlich gibt es auch viele Herausforderungen, denen sich Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesigner bei der Leistungsmessung nie stellen müssen.
Die Spannung der gesamten Schaltanlage kann hoch und erdfrei sein, d. h. sie ist nicht geerdet. Die Impulsbreite, die Periode, die Frequenz und das Tastverhältnis des Signals variieren. Es ist notwendig, die Wellenform wahrheitsgetreu zu erfassen und zu analysieren und etwaige Anomalien in der Wellenform zu erkennen. Die Anforderungen an Oszilloskope sind hoch. Mehrere Tastköpfe – gleichzeitiger Bedarf an Single-Ended-Tastköpfen, Differenztastköpfen und Stromtastköpfen. Das Instrument muss über einen großen Speicher verfügen, um Platz für die Aufzeichnung langfristiger Niederfrequenz-Erfassungsergebnisse zu bieten. Und es kann erforderlich sein, verschiedene Signale mit erheblichen Amplitudenunterschieden in einer einzigen Erfassung zu erfassen.
Grundlagen der Schaltnetzteilversorgung
Die gängige DC-Stromversorgungsarchitektur in den meisten modernen Systemen ist ein Schaltnetzteil (SMPS), das für seine Fähigkeit bekannt ist, wechselnde Lasten effektiv zu bewältigen. Der elektrische Signalpfad eines typischen Schaltnetzteils umfasst passive Komponenten, aktive Komponenten und magnetische Komponenten. Schaltnetzteile sollten den Einsatz verlustbehafteter Komponenten wie Widerstände und linearer Transistoren minimieren und hauptsächlich (idealerweise) verlustfreie Komponenten wie Schalttransistoren, Kondensatoren und magnetische Komponenten verwenden.
Das Schaltnetzteil verfügt außerdem über einen Steuerteil, der Komponenten wie einen Pulsweitenmodulationsregler, einen Pulsfrequenzmodulationsregler und eine Rückkopplungsschleife 1 umfasst. Der Steuerteil kann über eine eigene Stromversorgung verfügen. Abbildung 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Schaltnetzteils, das den Stromumwandlungsteil einschließlich aktiver Geräte, passiver Geräte und magnetischer Komponenten zeigt.
Bei der Schaltnetzteiltechnologie werden Leistungshalbleiterschaltgeräte wie Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs) verwendet. Diese Geräte haben eine kurze Schaltzeit und können instabile Spannungsspitzen aushalten. Ebenso wichtig ist, dass sie sowohl im geöffneten als auch im geschlossenen Zustand sehr wenig Energie verbrauchen, bei hoher Effizienz und geringer Wärmeentwicklung. Schaltgeräte bestimmen maßgeblich die Gesamtleistung von Schaltnetzteilen. Zu den Hauptmessungen von Schaltgeräten gehören: Schaltverlust, durchschnittlicher Leistungsverlust, sicherer Arbeitsbereich und andere.
