Les alimentations électriques présentent divers défis qui complexifient les mesures et, par conséquent, le système de test. Des mesures précises permettent d'optimiser l'alimentation, par exemple pour atteindre le rendement souhaité ou minimiser les pertes à vide. Les oscilloscopes de la série MSO5000 de RIGOL, associés au logiciel UPA (ULTRA-Power-Analysis) piloté par PC, aux sondes différentielles de la série PHA et aux pinces ampèremétriques de la série RP1000C, constituent un système de test complet pour des applications telles que la mesure des alimentations à découpage en phase de développement, y compris certains tests de pré-conformité.
Avant de décrire plus en détail les différentes exigences de test, nous nous concentrerons sur les alimentations. L'alimentation à découpage est la plus courante car elle offre un rendement et une puissance de sortie élevés, tout en étant plus compacte que les alimentations linéaires. Les alimentations à découpage peuvent être utilisées pour la conversion AC/DC ou DC/DC, mais elles présentent l'inconvénient d'introduire du bruit (ondulation de sortie) sur la sortie DC en raison de la fréquence du transformateur.
La figure 1 présente un schéma fonctionnel simplifié d'une alimentation à découpage avec ses principaux composants.
Comme mentionné précédemment, l'entrée d'alimentation est connectée au réseau électrique. Ce signal pouvant contenir des interférences provenant du réseau lui-même, il doit être filtré au sein de l'alimentation. Le signal alternatif est ensuite redressé à l'aide d'un circuit à diodes approprié. Ce redressement porte la tension à environ 350 V CC. Cependant, cette tension présentant des impulsions, elle doit être lissée à l'aide de condensateurs électrolytiques de forte capacité, bien que cela ne soit pas toujours possible. L'ondulation résiduelle, également appelée tension d'ondulation, est généralement réduite par un composant RC ou, en cas de courants élevés, par un composant LC, afin d'éviter une augmentation excessive de la résistance interne du circuit.
L'étape suivante consiste à reconvertir la tension continue en tension alternative en commutant un MOSFET et un circuit de modulation de largeur d'impulsion (MLI) à une fréquence comprise entre 50 kHz et 1 MHz (selon le type de transformateur) pour la transmission via un transformateur à isolation galvanique. Un circuit à diodes adapté est ensuite utilisé pour le redressement, associé à des condensateurs électrolytiques pour lisser la tension et reconvertir la tension alternative en tension continue après le transformateur, lequel est ensuite filtré. Afin de garantir que la tension continue atteigne toujours la valeur souhaitée, une boucle de régulation est utilisée entre la sortie CC et le MOSFET, qui assure son réajustement. D'une part, cette régulation doit garantir une tension de sortie constante même en cas de fluctuations du réseau (régulation de ligne). D'autre part, elle doit également garantir que l'alimentation puisse toujours fournir les courants de charge requis en sortie (régulation de charge). Avec les alimentations à découpage précédentes, une charge minimale en sortie était nécessaire pour éviter l'ondulation de tension, notamment lors de la phase de démarrage. Ceci n'est plus nécessaire et est résolu, par exemple, par un microcontrôleur numérique intégré au contrôleur ou un réseau de décharge intégré au circuit.
Les mesures détaillées d'une alimentation à découpage peuvent être divisées en trois sections. La première consiste à mesurer l'alimentation à son entrée, à laquelle est appliquée la tension secteur de 230 V CA. La deuxième concerne les mesures du transistor de commutation. La troisième consiste à mesurer la tension de sortie CC et sa qualité.
Le logiciel UPA (Ultra Power Analyze), associé aux oscilloscopes de la série MSO5000 de RIGOL, offre une solution complète pour les trois domaines de mesure. Certains tests, comme l'analyse de la qualité de l'alimentation à l'entrée, peuvent être réalisés grâce à l'application de gestion de l'alimentation intégrée. Pour connecter l'oscilloscope à l'entrée CA de l'alimentation, on utilise la pince ampèremétrique RP1002C (50 Ω, 70 ACC / bande passante : 1 MHz) pour mesurer le courant et la nouvelle sonde différentielle PHA1150 pour mesurer la tension. Ces deux sondes sont conformes à la norme CAT III et peuvent être utilisées à cette fin. La sonde différentielle PHA1150 possède une bande passante jusqu'à 100 MHz et peut être utilisée pour des tensions jusqu'à 1 500 V CC + courant de crête (avec un gain de 500x). Une bande passante trop large influençant le bruit de mesure, une bande passante trop élevée peut perturber la mesure. C'est pourquoi une limite de bande passante de 5 MHz peut être activée pour la sonde PHA1150 afin de minimiser l'influence du bruit. Le PHA1150 se caractérise également par son impédance d'entrée élevée (10 MΩ) et sa faible capacité d'entrée (< 2 pF). Son taux de réjection en mode commun (CCMRdB) est supérieur à 80 dB en courant continu et à 60 dB à 100 kHz. Cela signifie que le gain en mode commun est très faible comparé au gain en mode différentiel, et que son influence sur le résultat de la mesure est minime. La sonde différentielle est préférable à un transformateur d'isolement, car ce dernier nécessite un transformateur pour l'oscilloscope et un autre pour l'alimentation à découpage. De plus, les capacités et inductances parasites plus élevées pourraient influencer le résultat de la mesure dans cette configuration, et il existe un risque potentiel d'électrocution en cas de contact avec le dispositif de test.
Les sondes utilisées pour mesurer le courant et la tension ne présentent aucun délai inhérent lors de la mesure ; dans le cas contraire, la mesure de puissance sera erronée. Les sondes doivent également être démagnétisées et leur décalage réglé à 0. RIGOL propose la carte RPA246 pour le réglage de la phase des sondes. Avec le logiciel UPA-PC, l'oscilloscope peut être ajusté automatiquement lors de l'utilisation de la carte RPA246. Si la mesure est effectuée directement sur l'oscilloscope avec l'application de puissance, cette différence de phase, visible avec la RPA246, peut être corrigée manuellement via le menu.
Pour mesurer la tension, la sonde différentielle est connectée à l'entrée de l'alimentation. L'entrée positive de la sonde est connectée au conducteur externe L et l'entrée négative au conducteur neutre N. La pince ampèremétrique est connectée au conducteur externe L de l'alimentation (voir figure 2). Un convertisseur flyback synchronisé est représenté ici comme élément de commutation, à titre d'exemple.
Cette configuration permet de mesurer la qualité de l'énergie à l'entrée. Cette mesure peut être effectuée directement sur l'oscilloscope MSO5000 via l'application dédiée ou avec le logiciel PC UPA. Outre les puissances apparente, active et réactive, le facteur de crête et le déphasage sont mesurés et affichés, ainsi que la fréquence de la tension alternative et les valeurs efficaces du courant et de la tension (voir figure 3). La tension alternative est indiquée en jaune et le courant en bleu. La puissance est représentée graphiquement en violet, selon la formule P = U * I.
Le test suivant, utilisant la même structure, consiste à mesurer les harmoniques du courant. Le logiciel UPA-PC propose différentes mesures pour les classes A, B, C et D (la classe D correspondant, par exemple, aux téléviseurs et ordinateurs d'une puissance maximale de 600 W). Ceci permet d'effectuer des mesures conformément à la norme IEC 61000-3-2 afin de déterminer si l'alimentation à découpage respecte les valeurs limites requises par cette norme et les exigences de commercialisation. Cette norme s'applique aux alimentations à découpage avec un courant maximal de 16 A par phase. Le respect de cette norme est nécessaire pour minimiser les interférences électromagnétiques entre l'alimentation et le réseau (effet de retour). Outre la représentation graphique, chaque harmonique est mesurée et une analyse de conformité est réalisée pour les tests de pré-conformité (voir figure 4).
Figure 4 : Mesure harmonique (courant) selon la norme CEI.
Une autre analyse, utilisant la configuration illustrée à la figure 2, consiste à mesurer le courant d'appel qui traverse brièvement le condensateur à l'entrée du circuit (pour le filtrage) après la mise sous tension de l'alimentation à découpage. Ce courant est nettement supérieur au courant en régime permanent. Afin de prévenir tout dommage aux composants du circuit, il est impératif de mesurer ce courant d'appel et de sélectionner des composants appropriés pour les protéger, soit par une mesure adéquate, soit par une mesure minimisant ce courant.
Pour le test suivant, les sondes sont connectées au MOSFET. Ce test permet de mesurer le processus de commutation. La sonde différentielle est connectée au MOSFET, sa borne positive étant reliée au drain et sa borne négative à la source. La pince ampèremétrique est ensuite connectée à l'alimentation. Le MOSFET s'active et conduit pendant la durée d'impulsion grâce à une tension de commande PWM (modulation de largeur d'impulsion), et reste bloqué en dehors de cette durée. Le circuit PWM est connecté à la grille. Lorsque le MOSFET conduit, la tension mesurée entre le drain et la source est proche de 0 V. Cela signifie que le courant, mesuré à l'aide de la pince ampèremétrique, augmente progressivement et charge l'enroulement primaire du transformateur. Simultanément, aucun courant ne circule dans l'enroulement secondaire, car une diode de redressement le bloque. Lorsque le MOSFET est bloqué, une tension très élevée apparaît entre le drain et la source (également mesurée à l'aide de la sonde différentielle), et le courant cesse de circuler. La polarité de la tension est inversée dans le transformateur, et le courant circule alors à travers la diode de l'enroulement secondaire. Le logiciel UPA-PC mesure la fréquence de commutation, ainsi que les pertes de puissance et la résistance drain-source pendant le processus de commutation. Le courant et la tension sont affichés, et les temps de commutation (marche/arrêt) sont mesurés à partir de la tension (voir figure 5).
Figure 5 : Mesure du processus de commutation avec le logiciel UPA-PC.
Un autre test peut être réalisé à l'aide du logiciel UPA PC et des mêmes connexions de sonde. La zone de fonctionnement sécuritaire (SOAR) du MOSFET peut être intégrée à un tableau simple permettant de vérifier si le MOSFET du circuit fonctionne dans cette zone, garantissant ainsi qu'il n'est pas endommagé ou détruit pendant son fonctionnement. À cette fin, un diagramme XY des voies 1 (tension) et 2 (courant) de l'oscilloscope est affiché et enregistré avec chaque masque SOAR créé. Si cette condition n'est pas remplie, les zones concernées sont marquées en rouge sur les diagrammes Xt et XY.
Pour le test suivant, seule la borne positive de la sonde différentielle est connectée entre le drain et la grille du MOSFET. Ce test mesure la modulation du signal PWM par rapport au bruit pendant les phases d'activation et de désactivation. Les largeurs d'impulsion positives et négatives exactes, ainsi que les temps de commutation, sont exprimés en pourcentages. La fréquence et la période du signal PWM sont également affichées.
L'oscilloscope MSO5000 offre également la possibilité d'utiliser la fonction de diagramme de Bode jusqu'à
25 MHz avec les sorties du générateur de formes d'onde arbitraires intégré. Le diagramme de Bode permet d'envoyer un signal de test dont la bande passante est à vérifier au transformateur pour une analyse plus précise de la plage de fréquences transmise. À cette fin, le signal de simulation est connecté à la voie 1 de l'oscilloscope, ainsi qu'au transformateur. Le signal de sortie du transformateur est mesuré sur la voie 2 de l'oscilloscope. Grâce à ces deux courbes, la réponse en gain et en phase peut être mesurée et visualisée sur toute la plage de fréquences (voir figure 6).
Le test final consiste à mesurer la tension de sortie continue de l'alimentation à découpage. Comme indiqué précédemment, la tension est redressée après le transformateur à l'aide d'un circuit à diodes, puis lissée par des condensateurs électrolytiques. L'ondulation résiduelle peut être mesurée avec une sonde de tension standard à la sortie continue, avec un rapport cyclique de 10:1. Le profil et la fréquence de l'ondulation du signal de sortie peuvent être mesurés directement sur l'oscilloscope MSO5000 via l'application dédiée ou via le logiciel PC UPA.
RIGOL offre un rapport qualité-prix exceptionnel, fruit de plus de 20 ans d'expérience dans le domaine des tests et mesures. Les oscilloscopes des séries MSO5000, DS-MSO7000 et MSO8000, associés au logiciel PC UPA et à une large gamme d'accessoires RIGOL (sondes, par exemple), constituent une solution idéale pour le développement et l'optimisation des alimentations à découpage. La série DL3000 de RIGOL propose également une charge électronique permettant de tester avec une grande précision les alimentations à découpage.
Auteur : Boris Adlung, RIGOL Technologies Europe
RIGOL Technologies Europe GmbH
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