Die Methode zur Messung von Schaltnetzteilen mit einem digitalen Oszilloskop
Netzteile gibt es in den unterschiedlichsten Typen und Größen, von herkömmlichen analogen Netzteilen bis hin zu hocheffizienten Schaltnetzteilen. Sie alle müssen sich einem komplexen und dynamischen Arbeitsumfeld stellen. Ausrüstungslasten und -anforderungen können sich augenblicklich dramatisch ändern. Selbst ein „alltägliches“ Schaltnetzteil verträgt kurzzeitige Spitzen, die deutlich über seinem durchschnittlichen Betriebspegel liegen. Ingenieure, die ein Netzteil oder ein Netzteil zur Verwendung in einem System entwerfen, müssen verstehen, wie das Netzteil unter statischen Bedingungen und unter Worst-Case-Bedingungen funktioniert.
In der Vergangenheit bedeutete die Charakterisierung des Verhaltens einer Stromversorgung, Ruhestrom und Spannung mit einem Digitalmultimeter zu messen und mühsame Berechnungen mit einem Taschenrechner oder PC durchzuführen. Heutzutage nutzen die meisten Ingenieure das Oszilloskop 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 sehen, nicht nur Rohdaten.
Probleme beim Netzteildesign und deren Messanforderungen
Im Idealfall sollte sich jedes Netzteil wie das mathematische Modell verhalten, für das es entwickelt wurde. Aber in der realen Welt sind Komponenten defekt, die Last kann variieren, die Stromversorgung kann verzerrt sein und Umgebungsveränderungen können die Leistung beeinträchtigen. Darüber hinaus erschweren sich ändernde Leistungs- und Kostenanforderungen das Netzteildesign. Betrachten Sie diese Fragen:
Wie viele Watt kann das Netzteil über seine Nennleistung hinaus aushalten? Wie lange kann es dauern? Wie viel Wärme gibt das Netzteil ab? Was passiert, wenn es überhitzt? Wie viel Kühlluftstrom wird benötigt? Was passiert, wenn der Laststrom deutlich ansteigt? Kann das Gerät die Nennausgangsspannung halten? Wie geht das Netzteil mit einem Kurzschluss am Ausgang um? 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 Leistungsmessungen
Für diejenigen, die es gewohnt sind, Messungen mit hoher Bandbreite mit einem Oszilloskop durchzuführen, können Netzteilmessungen aufgrund ihrer relativ niedrigen Frequenzen unkompliziert sein. Tatsächlich gibt es bei der Leistungsmessung viele Herausforderungen, denen sich Entwickler von Hochgeschwindigkeitsschaltungen nie stellen müssen.
Die gesamte Schaltanlage darf unter Hochspannung stehen und „erdfrei“, also nicht mit Erde verbunden, sein. Pulsbreite, Periode, Frequenz und Tastverhältnis des Signals können variieren. Wellenformen müssen originalgetreu erfasst und analysiert werden, um Anomalien in der Wellenform zu erkennen. Dies stellt hohe Anforderungen an das Oszilloskop. Mehrere Sonden – Single-Ended-, Differential- und Stromtastköpfe sind gleichzeitig erforderlich. 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 sehr unterschiedlichen Amplituden in einer Erfassung zu erfassen.
Grundlagen der Schaltnetzteilversorgung
Die vorherrschende Gleichstromarchitektur in den meisten modernen Systemen ist das Schaltnetzteil (Schaltnetzteil), das für seine Fähigkeit bekannt ist, wechselnde Lasten effizient zu bewältigen. Der Stromsignalpfad 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 größtenteils (idealerweise) verlustfreie Komponenten: Schalttransistoren, Kondensatoren und Magnete.
Das Schaltnetzteil verfügt außerdem über einen Steuerteil, der einen Pulsweitenmodulationsregler, einen Pulsfrequenzmodulationsregler und eine Rückkopplungsschleife 1 sowie weitere Komponenten umfasst. Der Steuerteil kann über eine eigene Stromversorgung verfügen. Abbildung 1 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Schaltnetzteils, das den Stromumwandlungsabschnitt 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 kurze Schaltzeiten und können unregelmäßige Spannungsspitzen aushalten. Ebenso wichtig ist, dass sie sowohl im eingeschalteten als auch im ausgeschalteten Zustand sehr wenig Strom verbrauchen, einen hohen Wirkungsgrad haben und wenig Wärme erzeugen. Schaltgeräte bestimmen maßgeblich die Gesamtleistung eines Schaltnetzteils. Zu den wichtigsten Messungen an Schaltgeräten gehören: Schaltverlust, durchschnittlicher Leistungsverlust, sicherer Betriebsbereich und andere.
