Lülitustoite mõõtmise meetod digitaalse ostsilloskoobiga
Alates traditsioonilistest analoogtoiteallikatest kuni tõhusate lülitustoiteallikateni on toiteallikate tüübid ja suurused väga erinevad. Nad kõik seisavad silmitsi keeruka ja dünaamilise töökeskkonnaga. Seadmete koormus ja nõudlus võivad hetkega oluliselt muutuda. Isegi "igapäevane" lülitustoiteallikas peab vastu pidama hetkelistele piike, mis ületavad tunduvalt selle keskmist töötaset. Insenerid, kes projekteerivad toiteallikaid või süsteeme toiteallikate kasutamiseks, peavad mõistma toiteallika töötingimusi staatilistes ja halvimatel tingimustel.
Varem tähendas toiteallikate käitumisomaduste kirjeldamine digitaalse multimeetri kasutamist staatilise voolu ja pinge mõõtmiseks ning raskete arvutuste tegemist kalkulaatori või arvuti abil. Tänapäeval kasutavad enamik insenere ostsilloskoobid kui eelistatud võimsuse mõõtmise platvormi. Kaasaegsed ostsilloskoobid saab varustada integreeritud võimsuse mõõtmise ja analüüsi tarkvaraga, mis lihtsustab seadistamist ja muudab dünaamilise mõõtmise lihtsamaks. Kasutajad saavad kohandada põhiparameetreid, automaatselt arvutada ja näha tulemusi mõne sekundi jooksul, mitte ainult töötlemata andmetena.
Toiteallika projekteerimise küsimused ja mõõtmisnõuded
Ideaalis peaks iga toiteallikas töötama nagu selle jaoks loodud matemaatiline mudel. Kuid tegelikus maailmas on komponendid vigased, koormused võivad muutuda, toiteallikas võib olla moonutatud ja keskkonnamuutused võivad jõudlust muuta. Lisaks muudavad pidevalt muutuvad jõudlus- ja kulunõuded ka toiteallika disaini keerukamaks. Kaaluge neid probleeme:
Mitu vatti võimsust suudab toiteallikas hoida üle nimivõimsuse? Kui kaua see kesta võib? Kui palju soojust toiteplokk eraldab? Mis juhtub, kui see üle kuumeneb? Kui palju jahutusõhuvoolu see nõuab? Mis juhtub, kui koormusvool oluliselt suureneb? Kas seade suudab säilitada oma nimiväljundpinget? Kuidas reageerib toiteallikas täielikule lühisele väljundis? Mis juhtub, kui toiteallika sisendpinge muutub?
Disainerid peavad välja töötama toiteallikad, mis võtavad vähem ruumi, vähendavad soojust, vähendavad tootmiskulusid ja vastavad rangematele EMI/EMC standarditele. Ainult range mõõtmissüsteem võimaldab inseneridel neid eesmärke saavutada.
Ostsilloskoobi ja toiteallika mõõtmine
Neile, kes on harjunud suure ribalaiusega mõõtmiseks kasutama ostsilloskoopi, võib võimsuse mõõtmine olla lihtne, kuna selle sagedus on suhteliselt madal. Tegelikult on ka palju väljakutseid, millega kiired vooluringide projekteerijad ei pea kunagi võimsuse mõõtmisel silmitsi seisma.
Kogu jaotusseadme pinge võib olla kõrge ja ujuv, mis tähendab, et see pole maandatud. Signaali impulsi laius, periood, sagedus ja töötsükkel on kõik erinevad. On vaja lainekuju jäädvustada ja analüüsida tõepäraselt ning tuvastada kõik lainekuju kõrvalekalded. Ostsilloskoopidele esitatavad nõuded on nõudlikud. Mitu sondi – üheaegselt vajavad ühe otsaga sonde, diferentsiaalsonde ja voolusonde. Instrumendil peab olema suur mälu, et pakkuda salvestusruumi pikaajaliste madala sagedusega salvestustulemuste jaoks. Ja see võib nõuda erinevate signaalide hõivamist oluliste amplituudierinevustega ühe võte käigus.
Lülitustoiteallika alused
Enamiku kaasaegsete süsteemide põhivoolu alalisvoolu toiteploki arhitektuur on lülitustoiteallikas (SMPS), mis on tuntud oma võime poolest tõhusalt toime tulla muutuvate koormustega. Tüüpilise lülitustoiteallika elektriline signaalitee sisaldab passiivseid komponente, aktiivseid komponente ja magnetkomponente. Lülitustoiteallikad peaksid minimeerima kadudega komponentide, nagu takistid ja lineaartransistorid, kasutamist ning kasutama peamiselt (ideaaljuhul) kadudeta komponente, nagu lülitustransistorid, kondensaatorid ja magnetkomponendid.
Lülitustoiteseadmel on ka juhtosa, mis sisaldab selliseid komponente nagu impulsi laiuse modulatsiooni regulaator, impulsi sagedusmodulatsiooni regulaator ja tagasisideahel 1. Juhtsektsioonil võib olla oma toiteallikas. Joonis 1 on lülitustoiteallika lihtsustatud skemaatiline diagramm, mis näitab võimsuse muundamise osa, sealhulgas aktiivseid seadmeid, passiivseid seadmeid ja magnetkomponente.
Lülitustoiteallika tehnoloogia kasutab toitepooljuhtlülitusseadmeid, nagu metalloksiidväljatransistorid (MOSFET) ja isoleeritud paisuga bipolaartransistorid (IGBT). Nendel seadmetel on lühike lülitusaeg ja need taluvad ebastabiilseid pinge hüppeid. Sama oluline on see, et need tarbivad väga vähe energiat nii avatud kui ka suletud olekus, suure kasuteguriga ja vähese soojuse tootmisega. Lülitusseadmed määravad suuresti lülitustoiteallikate üldise jõudluse. Lülitusseadmete peamised mõõtmised hõlmavad järgmist: lülituskadu, keskmine võimsuskadu, ohutu tööpiirkond ja muud.
