روش اندازه گیری منبع تغذیه سوئیچینگ با اسیلوسکوپ دیجیتال
از منابع تغذیه آنالوگ سنتی گرفته تا منابع تغذیه سوئیچینگ کارآمد، انواع و اندازه منابع تغذیه بسیار متفاوت است. همه آنها با محیط های کاری پیچیده و پویا روبرو هستند. بار و تقاضای تجهیزات ممکن است در یک لحظه دستخوش تغییرات قابل توجهی شود. حتی یک منبع تغذیه سوئیچینگ "روزانه" باید بتواند پیک های لحظه ای را تحمل کند که بسیار بیشتر از سطح متوسط عملکرد آن است. مهندسانی که منابع تغذیه یا سیستمهایی را برای استفاده از منابع تغذیه طراحی میکنند، باید شرایط عملکرد منبع تغذیه را در شرایط استاتیک و بدترین شرایط درک کنند.
در گذشته، توصیف ویژگی های رفتاری منابع برق به معنای استفاده از یک مولتی متر دیجیتال برای اندازه گیری جریان و ولتاژ استاتیک و انجام محاسبات سخت با استفاده از ماشین حساب یا کامپیوتر بود. امروزه اکثر مهندسان به اسیلوسکوپ ها به عنوان پلت فرم مورد علاقه خود برای اندازه گیری توان روی می آورند. اسیلوسکوپهای مدرن را میتوان به نرمافزار اندازهگیری و تحلیل توان یکپارچه مجهز کرد که راهاندازی را سادهتر کرده و اندازهگیری دینامیکی را آسانتر میکند. کاربران می توانند به جای داده های خام، پارامترهای کلیدی را سفارشی کنند، به طور خودکار محاسبه کنند و نتایج را در عرض چند ثانیه ببینند.
مسائل طراحی منبع تغذیه و الزامات اندازه گیری
در حالت ایده آل، هر منبع تغذیه باید مانند مدل ریاضی طراحی شده برای آن کار کند. اما در دنیای واقعی، اجزاء دارای نقص هستند، بارها می توانند تغییر کنند، منبع تغذیه ممکن است مخدوش شود و تغییرات محیطی می تواند عملکرد را تغییر دهد. علاوه بر این، تغییر مداوم عملکرد و الزامات هزینه نیز طراحی منبع تغذیه را پیچیده تر می کند. این مسائل را در نظر بگیرید:
منبع تغذیه می تواند چند وات توان بیش از توان نامی خود را حفظ کند؟ چقدر میتونه دوام بیاره؟ منبع تغذیه چقدر گرما ساطع می کند؟ وقتی بیش از حد گرم می شود چه اتفاقی می افتد؟ چه مقدار جریان هوای خنک کننده نیاز دارد؟ وقتی جریان بار به میزان قابل توجهی افزایش می یابد چه اتفاقی می افتد؟ آیا دستگاه می تواند ولتاژ خروجی نامی خود را حفظ کند؟ منبع تغذیه چگونه به اتصال کوتاه کامل در انتهای خروجی پاسخ می دهد؟ وقتی ولتاژ ورودی منبع تغذیه تغییر می کند چه اتفاقی می افتد؟
طراحان باید منابع تغذیه ای تولید کنند که فضای کمتری را اشغال کند، گرما را کاهش دهد، هزینه های تولید را کاهش دهد و استانداردهای سختگیرانه EMI/EMC را رعایت کند. فقط یک سیستم اندازه گیری دقیق می تواند مهندسان را قادر به دستیابی به این اهداف کند.
اسیلوسکوپ و اندازه گیری منبع تغذیه
برای کسانی که عادت به استفاده از اسیلوسکوپ برای اندازه گیری پهنای باند بالا دارند، اندازه گیری توان ممکن است ساده باشد زیرا فرکانس آن نسبتا کم است. در واقع، چالشهای زیادی نیز وجود دارد که طراحان مدارهای پرسرعت هرگز در اندازهگیری توان با آنها مواجه نیستند.
ولتاژ کل تابلو ممکن است بالا و شناور باشد، به این معنی که به زمین متصل نیست. عرض پالس، دوره، فرکانس و چرخه وظیفه سیگنال همگی متفاوت خواهد بود. لازم است شکل موج را به درستی ضبط و تجزیه و تحلیل کرد و هرگونه ناهنجاری در شکل موج را تشخیص داد. الزامات اسیلوسکوپ ها سخت است. پروب های چندگانه - به طور همزمان به پروب های تک سر، پروب های دیفرانسیل و پروب های فعلی نیاز دارند. ابزار باید حافظه بزرگی داشته باشد تا فضای ضبط را برای نتایج طولانی مدت در فرکانس پایین فراهم کند. و ممکن است نیاز به گرفتن سیگنال های مختلف با اختلاف دامنه قابل توجه در یک اکتساب داشته باشد.
مبانی منبع تغذیه سوئیچینگ
جریان اصلی معماری منبع تغذیه DC در اکثر سیستمهای مدرن، منبع تغذیه سوئیچینگ (SMPS) است که به دلیل توانایی آن در مقابله موثر با بارهای متغیر شناخته شده است. مسیر سیگنال الکتریکی یک منبع تغذیه سوئیچینگ معمولی شامل اجزای غیرفعال، اجزای فعال و اجزای مغناطیسی است. منابع تغذیه سوئیچینگ باید استفاده از اجزای دارای تلفات مانند مقاومت ها و ترانزیستورهای خطی را به حداقل برساند و عمدتاً از اجزای بدون تلفات (در حالت ایده آل) مانند ترانزیستورهای سوئیچینگ، خازن ها و اجزای مغناطیسی استفاده می کند.
دستگاه منبع تغذیه سوئیچینگ یک قسمت کنترل نیز دارد که شامل اجزایی مانند تنظیم کننده مدولاسیون عرض پالس، تنظیم کننده مدولاسیون فرکانس پالس و حلقه بازخورد 1 می باشد. قسمت کنترل ممکن است منبع تغذیه خود را داشته باشد. شکل 1 یک نمودار شماتیک ساده شده از منبع تغذیه سوئیچینگ است که بخش تبدیل توان شامل دستگاه های فعال، دستگاه های غیرفعال و اجزای مغناطیسی را نشان می دهد.
فن آوری منبع تغذیه سوئیچینگ از دستگاه های سوئیچینگ نیمه هادی قدرت مانند ترانزیستورهای اثر میدانی اکسید فلز (MOSFET) و ترانزیستورهای دوقطبی گیت عایق (IGBT) استفاده می کند. این دستگاه ها زمان سوئیچینگ کوتاهی دارند و می توانند در برابر نوسانات ولتاژ ناپایدار مقاومت کنند. به همان اندازه مهم، آنها انرژی بسیار کمی را در حالت باز و بسته، با راندمان بالا و تولید حرارت کم مصرف می کنند. دستگاه های سوئیچینگ تا حد زیادی عملکرد کلی منابع تغذیه سوئیچینگ را تعیین می کنند. اندازه گیری های اصلی دستگاه های سوئیچینگ عبارتند از: تلفات سوئیچینگ، میانگین تلفات توان، منطقه کار ایمن و موارد دیگر.
