Проверка импульсного блока питания с помощью осциллографа

Обновлено: 21.11.2024

Два основных типа источников питания, линейный и импульсный (SMPS), работают по совершенно разным принципам и имеют отличительные характеристики. Работа по проектированию и обслуживанию каждого из них требует совершенно разных подходов.

Внутри SMPS.

ИИП в настоящее время широко используются благодаря большей эффективности, меньшей стоимости, лучшему весу и тепловым качествам. Есть некоторые недостатки, которые, тем не менее, можно смягчить путем тщательного планирования на этапе проектирования.

Во-первых, в перспективе мы вернемся к старому линейному блоку питания. Это была знакомая часть аналоговых ЭЛТ-телевизоров, что приводило к значительному весу из-за тяжелого силового трансформатора. Однако это было плюсом, поскольку несколько вторичных отводов позволяли использовать любое количество напряжений, необходимое для смещения, нитей накала, отклонения кинескопа и т. д.

В линейных источниках питания активные устройства работают на линейной части своих кривых отклика. Это отличается от SMPS, где сначала входная мощность преобразуется в прямоугольные волны с переменным рабочим циклом. Активные компоненты работают в нелинейных режимах. Когда компоненты работают на линейных участках своих кривых отклика, они эффективно действуют как переменные резисторы, которые рассеивают мощность (из-за I 2 R). Вот почему значительная часть подводимой мощности рассеивается в виде тепла, и именно так обстоит дело в линейном источнике питания.

Линейный источник питания состоит из ряда каскадов. Линия переменного тока, часто начинающаяся с вилки для подключения к однофазной электросети 120 В, проходит через отверстие в шкафу с прокладкой, где на входе всегда есть предохранитель и выключатель с дополнительным индикатором питания. Он питает первичную обмотку силового трансформатора, который может иметь любое количество вторичных обмоток. Помимо способности обеспечивать несколько напряжений, этот тип трансформатора не имеет электрического соединения между первичной и вторичной обмотками, поэтому он известен как изолирующий трансформатор. (Заземление не проходит через трансформатор, если только это не автотрансформатор, где первичная и вторичная обмотки представляют собой одну обмотку с ответвлениями в разных точках.)

Что хорошо в линейном блоке питания, так это то, что за потоком энергии легко следить. Он поступает на выпрямитель, состоящий из одного или нескольких диодов, на электролитические фильтрующие конденсаторы, включенные параллельно для устранения пульсаций переменного тока, а иногда и на более дорогие последовательно соединенные катушки индуктивности для дополнительной очистки постоянного тока. Затем идет линейный регулятор и окончательный выход постоянного тока. Все это легко проектировать и диагностировать. Наиболее распространенными источниками сбоев являются электролитические конденсаторы, которые можно осмотреть визуально и проверить с помощью мультиметра.

Как упоминалось ранее, полупроводники в линейном источнике питания могут эффективно формировать большое сопротивление, которое рассеивает тепло, а линейные источники питания содержат громоздкие компоненты (например, трансформатор), которые делают источник физически большим. Для небольших бытовых приборов тепло может не быть проблемой, но большие размеры и вес компонентов могут быть проблемой. Сотовые телефоны и ноутбуки, какими мы их знаем, были бы невозможны с линейными блоками питания.

Напротив, импульсный источник питания включает транзистор, который работает как цифровой переключатель. Выключатель либо выключен, практически не пропуская ток, либо полностью включен с небольшим сопротивлением. Единственный момент, когда тепло генерируется и должно рассеиваться, это во время переходов вкл/выкл. Чрезвычайно быстрое время нарастания и спада прямоугольной волны делает эти переходы исчезающе короткими. Этот фактор объясняет большую эффективность SMPS. Кроме того, как мы увидим, изолирующий трансформатор работает на частоте переключения, поэтому он может быть меньше по сравнению с 60-Гц силовым трансформатором, который является неотъемлемой частью линейного источника питания.

Небольшой размер компонентов, большая эффективность и более низкая стоимость привели к широкому использованию SMPS почти во всем электронном оборудовании. Последние инновации позволили использовать его в приложениях высокой мощности. Но внедрение SMPS не обошлось без проблем. Одним из них является генерация электронного шума, который, если его не уменьшить, может появиться как на входе, так и на выходе SMPS. Кроме того, электронный шум, создаваемый процессом переключения, может распространяться как излучение устройства. Это связано с тем, что прямоугольная волна с почти мгновенным временем нарастания и спада напоминает высокочастотный источник энергии, богатый разрушительными гармониками.

При включении SMPS проявляет пусковой ток, который может воздействовать на расположенное рядом чувствительное оборудование через систему распределения питания. Другой потенциальной проблемой, вызванной гармониками, является нагрев нейтрального проводника в источнике питания. Решение состоит в том, чтобы увеличить размер этого провода. Вообще говоря, даже там, где требуются уточнения, общие преимущества SMPS значительны независимо от масштабирования.

Регулятор напряжения является неотъемлемой частью SMPS. Он работает, изменяя соотношение между временем включения и временем выключения. Этот метод является решающим шагом вперед по сравнению с линейным источником питания, где выходное напряжение должно рассеиваться в полупроводнике.

Выход SMPS является функцией его входа, но не в соответствии с соотношением первичных и вторичных витков в силовом трансформаторе, как в линейном источнике питания. Напротив, одна из конфигураций, типичная для SMPS, состоит в том, чтобы иметь постоянное напряжение последовательно с катушкой индуктивности и переключателем, управляемым прямоугольной волной. Размах напряжения, измеренный на переключателе, может превышать напряжение постоянного тока, измеренное на входе. Это одна из причин, по которой работа с SMPS не для слабонервных.

Более высокое напряжение возникает из-за того, что индуктор создает индуцированное напряжение в ответ на изменение тока. Это напряжение добавляется к напряжению источника постоянного тока в течение периода времени, когда переключатель разомкнут. Дальнейшее усовершенствование заключается в добавлении к переключателю диода и конденсатора. Пиковое напряжение сохраняется в конденсаторе в виде электрического заряда. В этот момент конденсатор становится источником постоянного тока, и общее выходное напряжение становится больше, чем постоянное напряжение на входе. Это повышающий преобразователь, который работает на постоянном, а не на переменном токе. Это режим переключения, эквивалентный повышающему трансформатору в линейном источнике питания.

Еще один вариант импульсного режима — повышающе-понижающий преобразователь, который изменяет полярность выхода по отношению к входу. Другая реализация представляет собой понижающую схему, которая увеличивает средний выходной ток, платой за которую является более низкое выходное напряжение.

Существует много переменных в настройке SMPS. Выходной ток всегда зависит от входной мощности. Но с многочисленными топологиями схем и различными методами управления переключателем, такими как широтно-импульсная модуляция, существует бесконечное количество комбинаций. Таким образом, кривая обучения гораздо более крутая по сравнению с линейным блоком питания.

Основная трудность при измерениях импульсных источников питания заключается в том, что часто интересующая форма сигнала представляет собой пульсации уровня милливольт, расположенные поверх сигнала в диапазоне 100 В. Точно так же компоненты источника питания могут работать при напряжении около 100 В в одном состоянии и при милливольтах в другом. Такой большой динамический диапазон может создать проблемы для восьмибитных цифровых осциллографов, используемых в лабораториях электроники.

Например, одним из распространенных измерений SMPS является определение потерь при переключении и средних потерь мощности в коммутационном устройстве. Первым шагом является определение напряжения на коммутационном устройстве во время выключения и включения. Напряжение на коммутационном устройстве имеет широкий динамический диапазон. Напряжение на переключающем устройстве во включенном состоянии зависит от типа переключающего устройства. Напряжение в выключенном состоянии зависит от рабочего входного напряжения и топологии питания. При максимальном входном напряжении для ИИП с входом 120 В напряжение на коммутационном аппарате в выключенном состоянии может достигать 750 В. Во включенном состоянии
напряжение на тех же клеммах может составлять от нескольких милливольт примерно до одного вольта.

Для захвата таких сигналов вертикальный диапазон осциллографа должен быть установлен на 100 В/дел. При этой настройке многие осциллографы принимают напряжение до 1 кВ. Проблема с использованием этого параметра заключается в том, что минимальная амплитуда сигнала, которую может разрешить восьмибитный осциллограф, составляет 1000/256, или около 4 В.

Некоторые современные осциллографы предлагают программное обеспечение для питания, которое решает эту проблему, позволяя пользователю вводить значения R_DSON или V_CEsat для основного полупроводникового переключателя из паспорта устройства, вместо того, чтобы пытаться измерить их напрямую. В качестве альтернативы, если измеренное напряжение находится в пределах чувствительности осциллографа, прикладное программное обеспечение может использовать полученные данные для своих расчетов, а не значения, введенные вручную.

Вот как Tektronix описывает влияние задержки распространения на измерения напряжения и тока импульсных источников питания. Tek является одним из производителей прицелов, которые предоставляют пакеты для устранения перекоса и других подобных проблем, которые решат проблему на его оборудовании.

Еще одна проблема, возникающая при измерениях импульсных источников питания, связана с использованием датчиков напряжения и тока. Необходимо измерить напряжение и ток через переключающее устройство, либо MOSFET, либо биполярный транзистор (обычно IGBT).Для этой задачи требуются два отдельных датчика: дифференциальный датчик высокого напряжения и датчик тока. Каждый из этих зондов имеет разную задержку распространения. Разница в этих двух задержках, известная
как асимметрия, приводит к неточным измерениям времени и искажениям отображаемых сигналов мощности.

Задержки распространения пробника могут повлиять на измерения максимальной пиковой мощности просто потому, что мощность является произведением напряжения и тока. Если две перемножаемые переменные не идеально выровнены по времени, результат будет неправильным.

К счастью, существуют способы исправить перекос показаний пробника, чтобы точность измерений, например потери при переключении, не пострадала. Некоторое программное обеспечение для измерения мощности автоматически устраняет перекос щупов. Здесь программное обеспечение берет на себя управление осциллографом и регулирует задержку между каналами напряжения и тока, используя текущие сигналы тока и напряжения.

Также доступна функция статического устранения перекоса. Эта функция использует тот факт, что определенные пробники напряжения и тока имеют постоянные и повторяемые задержки распространения. Встроенная таблица времени распространения для выбранных пробников позволяет функции статического исправления перекоса автоматически регулировать задержку между выбранными каналами напряжения и тока.

Дифференциальные и токовые датчики могут иметь небольшие смещения, которые следует устранить перед проведением измерений. Некоторые датчики имеют встроенный автоматизированный метод удаления смещения. Другие датчики требуют ручного удаления смещения. Большинство пробников дифференциального напряжения имеют встроенные регуляторы смещения постоянного тока, что делает удаление смещения относительно простым.

Аналогично токовые датчики нуждаются в регулировке перед проведением измерений. Дифференциальные и токовые пробники являются активными устройствами, и всегда будет присутствовать некоторый шум низкого уровня, даже в состоянии покоя. Этот шум может ухудшить результаты измерений, основанных на данных о форме сигналов напряжения и тока. Следовательно, некоторые программы для измерения мощности включают в себя функции преобразования сигнала, которые минимизируют влияние собственного шума пробника.

Наконец, есть вопрос коэффициента мощности, который касается как управляющего предприятием, так и коммунального предприятия. Линейный источник питания обычно имеет низкий коэффициент мощности. SMPS без коррекции коэффициента мощности потребляет большое количество тока, совпадающее с пиками формы сигнала переменного тока. Эту проблему можно решить с помощью хорошо продуманной коррекции коэффициента мощности. Точно так же большой пусковой ток в SMPS можно уменьшить с помощью оборудования плавного пуска.

Подводя итог, можно сказать, что по сравнению с линейным источником питания импульсный источник питания эффективен и недорог. Однако его гораздо большая сложность требует знаний, выходящих за рамки простой электроники.

Позвольте нам с нуля перенести вашу лабораторию в будущее с помощью новейших технологий от NI,
Tektronix, Rohde & Schwarz и других компаний!

Приключения Электроавтоматики в Электрокосмосе, эпизоды 1, 2 и 3

Присоединяйтесь к команде, управляющей двунаправленным источником питания EA PSB, и сразитесь с «мошенническим аккумуляторным блоком», требующим тестирования источника и приемника с рекуперацией энергии.

Rohde & Schwarz: портативный цифровой осциллограф

Благодаря восьми приборам R&S®️ScopeRider обеспечивает возможности и гибкость, необходимые для отладки всех видов электронных систем в лаборатории и в полевых условиях.

Вызовы Spirit и возможности перехода на 400G

Узнайте о важности тестирования и о том, как помочь OEM-производителям, интеграторам, гипермасштабируемым центрам обработки данных, поставщикам облачных услуг и операторам центров обработки данных ускорить разработку и предоставить надежные, высокопроизводительные системы 400GbE, загрузив «Проблемы и возможности перехода на 400G».< /p>

Основы осциллографа

Это руководство дает представление о наиболее важных характеристиках, которые следует учитывать при использовании осциллографа, помимо технических характеристик баннера. Загрузите свою копию сегодня!

Руководство по измерению наземной подвижной радиосвязи

Руководство по профессиональным измерениям мобильных радиостанций

Академия Testforce развивает людей.

Академия Testforce предоставляет вам множество надежных технических ресурсов, таких как веб-семинары в режиме реального времени и по запросу, обучающие видеоролики, заметки о приложениях, руководства по измерению, официальные документы и многое другое! Все от ведущих брендов отрасли, которые вы знаете и которым доверяете.

Узнайте о важности тестирования и о том, как помочь OEM-производителям, интеграторам, гипермасштабируемым центрам обработки данных и т. д.

Это руководство по проектированию IoT призвано помочь разработчикам устройств IoT в выборе, интеграции и оптимизации.

В этом веб-семинаре представлено общее техническое введение в генераторы сигналов и некоторые из них.

Это пособие дает представление о наиболее важных характеристиках, которые необходимо учитывать при использовании осциллографа.

Вот семь причин, по которым CompactDAQ должен стать одной из таких технологий. .

Используйте это руководство, когда ваша команда планирует новый автоматизированный испытательный стенд для проверки конструкции и производительности.

Назначить встречу

Встретьтесь с одним из наших технических менеджеров по работе с клиентами, чтобы получить рекомендации о том, что вам нужно для любого проекта, над которым вы работаете.

Связаться с нами

Воспользуйтесь функцией живого чата или запишитесь на встречу с техническим менеджером аккаунта, чтобы получить дополнительную информацию о продуктах или узнать цену.

Демонстрация

Если вы хотите увидеть продукт перед покупкой, сообщите нам об этом, и мы организуем демонстрацию в реальном времени.

Хотите быть в курсе последних новостей, акций и предложений от Testforce?

Подпишитесь на нас в социальных сетях:

Testforce заработала свою репутацию, будучи экспертом во всем, что касается тестирования. Как самый надежный технический дистрибьютор, наша миссия состоит в том, чтобы изменить подход к решению проблем в индустрии испытаний и измерений. Мы предоставляем надежное и личное техническое руководство, доступное нашим клиентам на протяжении всего поиска правильного решения для их приложения.

Рис. 1. Блоки питания постоянного тока

Цифровой мультиметр — это основной инструмент для устранения неполадок в электрооборудовании и инструмент, к которому большинство из нас обращается в первую очередь. В статье Beyond the Multimeter мы рассмотрим пять примеров того, как использование осциллографа может ускорить, упростить и повысить эффективность устранения неполадок.

В части 5 описывается использование цифрового мультиметра и осциллографа для поиска и устранения неполадок в блоке питания (см. рис. 1) при периодических сбоях.

Блок питания постоянного тока (PSU) является одним из наиболее важных компонентов любой системы автоматизации или технологического процесса. Если в блоке питания произошел «жесткий сбой», вы просто замените его и продолжите работу. Но что, если проблема носит периодический характер? Или что, если проблема вернется вскоре после замены блока питания?

Рисунок 2. Цифровой мультиметр, отображающий входное напряжение сети переменного тока, соответствующее спецификации

Без подходящего инструмента поиск основной причины проблемы может оказаться долгим и утомительным процессом.

В этом примере загорелся индикатор "Ошибка" на блоке питания постоянного тока. Ваша задача по устранению неполадок состоит в том, чтобы определить, связана ли проблема с источником питания, входным напряжением питания или изменением нагрузки на стороне потребления.

Устранение неполадок с помощью цифрового мультиметра

С помощью цифрового мультиметра вы измеряете входное напряжение сети и видите, что оно в норме (см. рис. 2).

Затем вы проверяете выходное напряжение постоянного тока, и снова все выглядит хорошо (см. рис. 3).

Вы решаете заменить блок питания на заведомо исправный и надеетесь на лучшее. Однако, когда вы вернетесь через два часа, вы увидите, что светодиодный индикатор неисправности снова горит.Что теперь делать? Именно здесь осциллограф может проявить себя.

Устранение неполадок с помощью осциллографа

Проверьте вход и выход блока питания

Во-первых, вы подключаете осциллограф к входным клеммам линии переменного тока источника питания и визуально проверяете форму входного сигнала на наличие колебаний, искажений или пропусков. Вы видите, что сетевое напряжение переменного тока представляет собой идеальную синусоиду (см. рис. 4).

Установив, что напряжение питания переменного тока в порядке, вы затем проверяете выходное напряжение постоянного тока и видите, что оно также выглядит хорошо.

Примечание. Для некоторых осциллографов может потребоваться разделительный трансформатор или дифференциальный пробник для одновременного измерения линейного входного напряжения и постоянного выходного напряжения.

Проверьте ввод и вывод блока питания с течением времени

Рисунок 5. Осциллограф, отображающий входное напряжение сети переменного тока с помощью TrendPlot™

Поскольку проблем сразу не видно, вы затем отслеживаете входное и выходное напряжение источника питания с течением времени, используя TrendPlot™ на приборе Fluke ScopeMeter®. При возникновении возмущения TrendPlot™ фиксирует и отображает его, как самописец на бумаге, сообщая вам время и масштаб проблемы.

С помощью TrendPlot вы определили, что входное напряжение линии упало до 71 В через 14 часов, 23 минуты и 15 секунд, что привело к включению индикатора "Ошибка" (см. рис. 5). Неисправность в источнике переменного тока, а не в блоке питания.

Другой сценарий…

Что, если вместо этого график трендов покажет, что входное напряжение сети переменного тока в норме в течение значительного периода времени? Следующим шагом будет использование TrendPlot для проверки выходного постоянного напряжения блока питания.

Чтобы измерить выходной постоянный ток и напряжение блока питания с помощью TrendPlot:

Поместите токоизмерительные клещи вокруг одного из проводников источника постоянного тока (см. рис. 6) и подключите клещи к каналу A измерительного прибора ScopeMeter.
Подключите канал B к выходному напряжению постоянного тока источника питания.
Запустите TrendPlot.

Теперь вы можете отображать зависимость выходного тока и напряжения блока питания от времени.

TrendPlot показывает, что через 16 часов 33 минуты и 59 секунд ток нагрузки превышает максимальный номинал блока питания, что приводит к его отключению (см. рис. 7). Настало время поискать источник питания, который потребляет слишком много тока, или пришло время для более мощного источника питания!

Итог

Рис. 7. ScopeMeter с TrendPlot™, показывающий превышение постоянного тока нагрузки источника питания (верхняя кривая) с падением выходного постоянного напряжения (нижняя кривая)

Цифровой мультиметр может обеспечить точные измерения в режиме реального времени, а Fluke ScopeMeter позволяет увидеть фактические формы сигналов напряжения и тока.

TrendPlot работает как безбумажный самописец, автоматически фиксируя возмущения, колебания и другие аномалии в течение шестнадцати дней.

Если вы работаете с импульсными источниками питания, вы, вероятно, пытаетесь повысить эффективность, увеличить удельную мощность и надежность, обеспечить соблюдение правил электромагнитной совместимости, улучшить целостность шины питания и снизить температуру. Об этом нужно много думать, и вся эта оптимизация дизайна может увеличить время тестирования. В этом блоге я расскажу, как легко протестировать импульсные блоки питания с помощью осциллографа и сэкономить время в лаборатории. В этом блоге пошагово рассказывается, как выполнять тесты ввода, переключения фаз и вывода.

Краткий обзор блоков питания

Основной задачей блока питания является эффективное производство хорошо стабилизированного питания постоянного тока с низким уровнем шума от входной шины питания.

Раньше линейные блоки питания были стандартом. Преимущества линейных источников питания заключаются в том, что они малошумные и не требуют большой фильтрации. Однако недостатком является то, что они могут использоваться только для понижения мощности. Они неэффективны и затратны. Они также могут быть большими, громоздкими и выделять много тепла.

Тенденции в отрасли, связанные с меньшими форм-факторами, расширением функциональности наших устройств, попытками снизить температуру и снизить затраты, подтолкнули рынок к использованию импульсных источников питания.Импульсные источники питания более эффективны, чем линейные. Вы можете получить больше мощности в меньших упаковках. Они также более универсальны, поскольку могут понижать или повышать мощность и использоваться для преобразования переменного тока в постоянный и постоянного тока в постоянный. Недостатком является то, что они имеют относительно высокий уровень шума или пульсаций на выходе.

В зависимости от того, над какой частью проекта вы работаете, вы можете рассматривать импульсный источник питания в целом или рассматривать только одну часть источника питания — вход, коммутацию или выход.< /p>

Входная сторона преобразует и фильтрует входное напряжение (обычно это напряжение сети переменного тока 110 В в США или 220 В в других регионах). Если вас в первую очередь интересует входная сторона вашего источника питания, вы, вероятно, будете сосредоточены на качестве электроэнергии, гармониках тока и пусковом токе. На рис. 1 показан пример подключения осциллографа и пробников при тестировании входной стороны источника питания.

Рисунок 1. Как проверить входную сторону вашего SMPS для проверки качества электроэнергии

После входа ваш сигнал поступает в основную часть источника питания, которая представляет собой переключающий транзистор. Это регулирует напряжение с рабочим циклом или количеством времени, в течение которого оно включено или выключено. Если это та часть источника питания, на которой вы сосредоточены, вас будут волновать потери мощности, анализ модуляции, скорость нарастания и безопасная рабочая область. На рис. 2 показан пример подключения осциллографа и пробников при тестировании переключающей части источника питания.

Рисунок 2. Как проверить переключающий транзистор вашего SMPS для анализа потерь при переключении и скорости нарастания

После переключения транзистора сигнал снова фильтруется и выпрямляется, поэтому вы получаете ступенчатый выход постоянного тока, который затем используется для подачи питания на остальную часть вашего устройства. Если вы сосредоточены на выходной стороне источника питания, вам нужно сосредоточиться на пульсациях на выходе, времени включения и выключения, переходной характеристике, коэффициенте отклонения источника питания и эффективности. На рис. 3 показан пример подключения осциллографа и пробников, если вы тестируете выходной сигнал источника питания.

Рисунок 3. Как проверить выход вашего SMPS для теста выходной пульсации

Осциллограф является наиболее распространенным инструментом для измерения параметров электропитания, поскольку для расчета мощности можно подключить как пробник напряжения, так и пробник тока.

Еще одна причина, по которой осциллографы являются отличным инструментом для определения характеристик источников питания, – это приложения для анализа, которые могут работать на них, что значительно повышает эффективность тестирования.

Пошаговые измерения входной мощности — анализ качества электроэнергии

Выполните следующие действия, чтобы проанализировать качество электроэнергии на входе вашего SMPS:

Всегда рекомендуется удалить все существующие настройки из предыдущих тестов, выбрав «Настройка по умолчанию».
Нажмите «Анализ» и выберите приложение Power. Теперь вы можете увидеть полный список мощных приложений, поддерживаемых пакетом приложений Power InfiniiVision. Выберите качество электроэнергии.
Подключите датчики
1. Подключите датчик дифференциального напряжения и датчик тока к входной стороне источника питания. См. рис. 1.
2. Выберите меню «Сигналы». Поскольку осциллограф будет рассчитывать мощность на основе ваших измерений тока и напряжения, еще раз проверьте, чтобы каналы были назначены на осциллографе в соответствии с тем, как вы подключили пробники.
3. На этом этапе вы также можете выбрать, сколько циклов вы хотите просмотреть. Обычно я выбираю от 5 до 20, в зависимости от того, что мне нужно проанализировать