Источники питания представляют собой различные проблемы, которые усложняют измерения и, следовательно, работу тестовой системы. Точные измерения могут быть использованы для оптимизации источника питания, например, для достижения желаемой эффективности или минимизации потерь мощности в режиме холостого хода. Осциллографы серии MSO5000 от RIGOL, а также управляемое с ПК программное обеспечение UPA (ULTRA-Power-Analysis), дифференциальные пробники серии PHA и токовые клещи серии RP1000C, обеспечивают полную тестовую систему для таких задач, как проведение измерений импульсных источников питания на этапе разработки, включая некоторые предварительные испытания на соответствие стандартам.
Прежде чем более подробно описывать различные требования к тестированию, сосредоточим внимание на источниках питания. Импульсные источники питания являются наиболее распространенной конструкцией, поскольку они обеспечивают высокий уровень эффективности и выходной мощности, а также занимают меньше места, чем, например, линейные источники питания. Импульсные источники питания могут использоваться для преобразования переменного тока в постоянный или постоянного тока в постоянный, но их недостатком является наличие шума (пульсаций на выходе) из-за частоты трансформатора.
На рисунке 1 представлена упрощенная блок-схема импульсного источника питания с указанием его основных компонентов.
Как упоминалось ранее, вход источника питания подключается к сетевому напряжению переменного тока. Поскольку этот сигнал может содержать помехи от самой сети, его необходимо фильтровать внутри источника питания. Затем сигнал переменного тока выпрямляется с помощью соответствующей диодной схемы. Это выпрямление повышает напряжение примерно до 350 В постоянного тока. Однако, поскольку это напряжение содержит импульсы, его необходимо сглаживать с помощью электролитических конденсаторов большой емкости, хотя это невозможно сделать полностью. Остаточные пульсации, также называемые пульсационным напряжением, обычно уменьшаются с помощью RC-элемента или, в случае больших токов, с помощью LC-элемента, чтобы избежать чрезмерного увеличения внутреннего сопротивления схемы.
Следующий шаг включает преобразование постоянного напряжения обратно в переменное путем переключения MOSFET и схемы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на частоте от 50 кГц до 1 МГц (в зависимости от типа трансформатора) для передачи с использованием гальванически изолированного трансформатора. Затем для выпрямления используется соответствующая диодная схема, а также электролитические конденсаторы для сглаживания напряжения и преобразования переменного напряжения обратно в постоянное после трансформатора, которое затем фильтруется. Для обеспечения того, чтобы постоянное напряжение всегда достигало желаемого значения, используется контур управления между выходом постоянного напряжения и MOSFET, который отвечает за его корректировку. С одной стороны, эта регулировка должна обеспечивать постоянное выходное напряжение даже при колебаниях напряжения в сети (регулировка по сети). С другой стороны, эта регулировка также должна гарантировать, что источник питания всегда может обеспечивать требуемые токи нагрузки на выходе (регулировка по нагрузке). В предыдущих импульсных источниках питания требовалась минимальная нагрузка на выходе, чтобы избежать пульсаций напряжения, особенно на этапе запуска. Теперь это не требуется, и эта проблема решается, например, с помощью цифрового микроконтроллера, интегрированного в контроллер, или разрядной сети, интегрированной в схему.
Детальные измерения импульсного источника питания можно разделить на три этапа. Первый включает измерение входного напряжения источника питания, к которому подается напряжение сети 230 В переменного тока. Второй этап связан с измерениями коммутирующего транзистора. Третий этап включает измерение постоянного выходного напряжения и качества выходного напряжения.
Программное обеспечение UPA (Ultra Power Analyze) в сочетании с осциллографами серии MSO5000 от RIGOL предлагает комплексное решение для всех трех областей измерения. Некоторые тесты, такие как анализ качества электроэнергии на входе, могут быть выполнены с помощью встроенного приложения для измерения мощности. Для подключения осциллографа к входному разъему переменного тока источника питания используется токовый зажим RP1002C (50 А, 70 А постоянного тока / полоса пропускания: 1 МГц) для измерения тока, а для измерения напряжения — новый дифференциальный пробник PHA1150. Оба пробника соответствуют стандарту CAT III и могут использоваться для этой цели. Дифференциальный пробник PHA1150 имеет полосу пропускания до 100 МГц и может использоваться для напряжений до 1500 В постоянного тока + пиковый ток (с коэффициентом усиления 500x). Поскольку более широкая полоса пропускания также влияет на шум измерения, высокая полоса пропускания может искажать результаты измерения. Таким образом, для PHA1150 можно активировать ограничение полосы пропускания до 5 МГц, чтобы минимизировать влияние шума. PHA1150 также характеризуется высоким входным импедансом (10 МОм) и низкой входной емкостью (<2 пФ). Коэффициент подавления синфазного сигнала (CCMRdB) составляет >80 дБ для постоянного тока и >60 дБ для частоты 100 кГц. Это означает, что усиление синфазного сигнала очень низкое по сравнению с усилением дифференциального сигнала, и его нежелательное влияние на результат измерения очень мало. Дифференциальный пробник предпочтительнее разделительного трансформатора, поскольку использование такого типа трансформатора требует одного трансформатора для осциллографа и другого для импульсного источника питания. Кроме того, более высокие паразитные емкости и индуктивности могут повлиять на результат измерения в этой конфигурации, и существует потенциальный риск поражения электрическим током при прикосновении к тестовой установке.
Измерительные щупы, используемые для измерения тока и напряжения, не имеют собственных задержек во время измерения; в противном случае измерение мощности будет показывать ошибки. Щупы также необходимо размагнитить, а смещение установить равным 0. Компания RIGOL предлагает плату RPA246 для этой фазовой регулировки щупов. С помощью программного обеспечения UPA-PC осциллограф может быть автоматически настроен при использовании платы RPA246. Если измерение проводится непосредственно на осциллографе с приложением мощности, эта фазовая разница, видимая на плате RPA246, может быть скорректирована вручную через меню.
Для измерения напряжения дифференциальный щуп подключается к входу источника питания. Положительный вход щупа подключается к внешнему проводнику L, а отрицательный вход — к нейтральному проводнику N. Токовые клещи подключаются к внешнему проводнику L на источнике питания (см. рис. 2). В качестве примера здесь показан синхронизированный обратноходовой преобразователь в качестве переключающего элемента.
Данная конфигурация позволяет измерять качество электроэнергии на входе. Это измерение можно выполнить непосредственно на MSO5000 с помощью приложения для измерения мощности или с помощью программного обеспечения UPA для ПК. Помимо полной, активной и реактивной мощности, измеряются и отображаются коэффициент амплитуды и фазовое смещение, а также частота переменного напряжения и среднеквадратичные значения тока и напряжения (см. рис. 3). Переменное напряжение обозначается желтым цветом, а ток — синим. Мощность графически представлена в виде результата P = U * I фиолетовым цветом.
Следующий тест, использующий ту же структуру, — измерение гармоник тока. Программное обеспечение UPA-PC предлагает различные измерения для классов A, B, C и D (класс D относится, например, к телевизорам и компьютерам с максимальной номинальной мощностью 600 Вт). Это позволяет проводить измерения в соответствии с IEC 61000-3-2 для определения того, соответствует ли импульсный источник питания предельным значениям, требуемым этим стандартом, и тому, что необходимо для принятия на рынок. Этот стандарт применяется к импульсным источникам питания с током до 16 А на фазу. Соответствие этому стандарту необходимо для минимизации электромагнитных помех между источником питания и сетью (т. е. обратной связи от сети). В дополнение к графическому представлению измеряется каждая гармоника, и проводится анализ соответствия/несоответствия для предварительной проверки на соответствие (см. рис. 4).
Рисунок 4: Измерение гармоник (тока) в соответствии со стандартом IEC.
Другой анализ с использованием конфигурации, показанной на рисунке 2, включает измерение пускового тока, кратковременно протекающего через конденсатор на входе схемы (для фильтрации) после включения импульсного источника питания. Этот ток значительно выше, чем ток, протекающий в нормальном режиме. Чтобы предотвратить повреждение компонентов схемы, необходимо измерить этот пусковой ток и выбрать соответствующие компоненты для их защиты с помощью соответствующего измерения или путем проведения измерения, минимизирующего пусковой ток.
Для следующего теста щупы подключаются к MOSFET. Этот тест используется для измерения процесса переключения. Дифференциальный щуп подключается к MOSFET таким образом, что положительный вывод подключается к стоку, а отрицательный — к истоку. Затем токовый зажим подключается к источнику питания. MOSFET включается и проводит ток в течение импульса с помощью ШИМ-управляющего напряжения (широтно-импульсной модуляции), а в остальное время выключен. Схема ШИМ подключается к затвору. Когда MOSFET находится в проводящем состоянии, измеренное напряжение между стоком и истоком практически равно 0 В. Это означает, что ток, измеренный клещевым амперметром, постепенно увеличивается и заряжает первичную обмотку трансформатора. В то же время ток через вторичную обмотку не протекает, поскольку выпрямительный диод блокирует ток. Когда MOSFET блокируется, между стоком и истоком возникает очень высокое напряжение, которое также измеряется дифференциальным пробником, и ток прекращается. Полярность напряжения в трансформаторе меняется на обратную, и ток протекает через диод во вторичной обмотке. Программное обеспечение UPA-PC измеряет частоту переключения, а также потери мощности и сопротивление сток-исток в процессе переключения. Отображаются ток и напряжение, а время включения/выключения измеряется с помощью напряжения (см. рисунок 5).
Рисунок 5: Измерение процесса переключения с помощью программного обеспечения UPA-PC.
Ещё один тест можно выполнить с помощью программного обеспечения UPA PC и тех же подключений щупов. Безопасная рабочая область MOSFET (SOAR) может быть интегрирована с простой таблицей для проверки того, работает ли MOSFET в цепи в пределах этой безопасной области, гарантируя, что он не будет поврежден или разрушен во время работы. Для этого отображается XY-диаграмма канала 1 (напряжение) и канала 2 (ток) осциллографа, которая сохраняется с каждой созданной маской SOAR. Если это требование не выполняется, области отмечаются красным цветом на XY- и XY-диаграммах.
Для следующего теста между стоком и затвором MOSFET подключен только положительный вывод дифференциального пробника. Этот тест измеряет анализ модуляции ШИМ-сигнала относительно шума во время фазы включения/выключения ШИМ. Точные значения ширины положительного и отрицательного импульсов, а также времени включения/выключения выражаются в процентах. Также отображаются преобразование частоты и периода ШИМ-сигнала. Осциллограф
MSO5000 также предлагает возможность использования функции построения диаграммы Боде до
25 МГц с выходами встроенного генератора произвольных сигналов. Диаграмма Боде позволяет отправлять тестовый сигнал с проверяемой полосой пропускания на трансформатор для более точного анализа передаваемого частотного диапазона. Для этой цели сигнал моделирования подключается к каналу 1 осциллографа, а также к трансформатору. Выходной сигнал трансформатора измеряется на канале 2 осциллографа. С помощью этих двух кривых можно измерить и визуализировать коэффициент усиления и фазовую характеристику во всем частотном диапазоне (см. рисунок 6).
Заключительный этап тестирования включает измерение выходного постоянного напряжения импульсного источника питания. Как уже упоминалось, напряжение дополнительно выпрямляется после трансформатора с помощью диодной схемы и сглаживается электролитическими конденсаторами. Остаточные пульсации можно измерить стандартным вольтметром на выходе постоянного тока с коэффициентом заполнения 10:1. Характер пульсаций и частоту выходного сигнала можно измерить непосредственно на осциллографе MSO5000 с помощью приложения для измерения мощности или с помощью программного обеспечения UPA для ПК.
Компания RIGOL предлагает одно из лучших соотношений цены и качества, а также превосходное качество, являющееся результатом более чем 20-летнего опыта в области тестирования и измерений. Осциллографы серий MSO5000, DS-MSO7000 и MSO8000, а также программное обеспечение UPA для ПК и широкий ассортимент аксессуаров RIGOL (например, щупы) представляют собой идеальное решение для разработки и оптимизации импульсных источников питания, например. RIGOL также предлагает серию DL3000, включающую электронную нагрузку для оптимального тестирования импульсных источников питания с высокой степенью точности.
Автор: Борис Адлунг, RIGOL Technologies Europe
RIGOL Technologies Europe GmbH
Карл-Бенц-стрит, 4
D-82205 Гильчинг
Тел.: +49 (0)8105-27292-16
Контактное лицо: Борис Адлунг
Электронная почта:
www.rigol.eu
