Cómo medir la pérdida de potencia de una fuente de alimentación conmutada con un osciloscopio digital
La nueva arquitectura de SMPS (Switch Mode PowerSupply) necesita proporcionar alta corriente y bajo voltaje a los procesadores con alta velocidad de datos y clase GHz, lo que agrega una nueva presión invisible a los diseñadores de dispositivos en términos de eficiencia, densidad de potencia, confiabilidad y costo. Para tener en cuenta estos requisitos en el diseño, los diseñadores han adoptado nuevas arquitecturas, como la tecnología de rectificación síncrona, la corrección del filtro de potencia activa y el aumento de la frecuencia de conmutación. Estas tecnologías también plantean algunos desafíos mayores, como una alta pérdida de energía, disipación de calor y EMI/EMC excesiva en los dispositivos de conmutación.
Durante la transición del estado "apagado" (encendido) al estado "encendido" (apagado), el dispositivo de suministro de energía tendrá un alto consumo de energía. (Sin embargo, la pérdida de energía de los dispositivos de conmutación en el estado "encendido" o "apagado" es menor, porque la corriente a través del dispositivo o el voltaje en el dispositivo es muy pequeño). Los inductores y transformadores pueden aislar el voltaje de salida y suavizar la corriente de carga. Los inductores y transformadores también son susceptibles a la frecuencia de conmutación, lo que resulta en disipación de energía y fallas ocasionales debido a saturación.
Debido a que la potencia disipada en el dispositivo de fuente de alimentación conmutada determina la eficiencia general del efecto térmico de la fuente de alimentación, es muy importante medir la pérdida de potencia del dispositivo de conmutación y del inductor/transformador. Esta medida puede determinar la eficiencia energética y la disipación de calor.
Medición y análisis de pérdidas de potencia.
1. Dispositivo de prueba requerido para medir la pérdida de energía.
Circuito simplificado de transformación de interruptor. El transistor de potencia de efecto de campo MOSFET controla la corriente bajo la excitación de un reloj de 40 kHz. El MOSFET no está conectado a tierra del alimentador de CA ni a tierra de salida del circuito, es decir, está aislado de tierra. Por lo tanto, es imposible simplemente medir el voltaje de referencia de tierra con un osciloscopio, porque si el cable de tierra de la sonda se conecta a cualquier terminal del MOSFET, el punto entrará en cortocircuito con tierra a través del osciloscopio.
En este caso, la medición diferencial es una buena forma de medir la forma de onda de voltaje de M0SFET. Mediante medición diferencial, puede medir VDS, es decir, el voltaje en el terminal de drenaje y el terminal de fuente del MOSFET. VDS puede flotar por encima del voltaje y el rango de voltaje puede ser de decenas a cientos de voltios, dependiendo del rango de voltaje del dispositivo de suministro de energía. Puede medir VDS de varias maneras:
Cable de tierra del chasis del osciloscopio de suspensión. Se recomienda no utilizarlo, ya que es extremadamente perjudicial para el usuario, el dispositivo bajo prueba y el osciloscopio.
Se utilizan dos sondas pasivas convencionales de un solo extremo para conectar sus cables de tierra y luego se utiliza la función de cálculo de canal del osciloscopio para medir. Este método de medición se llama medición cuasi diferencial. Sin embargo, aunque la sonda pasiva se puede utilizar en combinación con el amplificador de un osciloscopio, carece de la función de "relación de rechazo de modo común" (CMRR) que puede bloquear adecuadamente cualquier voltaje de modo común. Esta configuración no puede medir con precisión el voltaje, pero se puede utilizar la sonda existente.
Utilice el aislador de sonda disponible en la tienda para aislar el chasis del osciloscopio del suelo. El cable de tierra de la sonda ya no será el potencial de tierra principal y la sonda se podrá conectar directamente a un punto de prueba. El aislador de sonda es una solución eficaz, pero es caro y su coste es de dos a cinco veces mayor que el de la sonda diferencial.
Usando sonda diferencial real en osciloscopio de banda ancha. Puede medir VDS mediante sonda diferencial, que también es un buen método.
Al medir corriente a través de MOSFET, primero fije la sonda de corriente y luego ajuste el sistema de medición. Muchas sondas diferenciales están equipadas con condensadores de ajuste de compensación de CC incorporados. Apague el equipo probado y después de que el osciloscopio y la sonda se hayan calentado por completo, podrá configurar el valor promedio de las formas de onda de voltaje y corriente medidas por el osciloscopio. La configuración de sensibilidad debe utilizar los valores utilizados en la medición real. En ausencia de señal, ajuste el condensador de recorte para ajustar el promedio cero de cada forma de onda a 0 V. Este paso puede reducir en gran medida el error de medición causado por el voltaje estático y la corriente en el sistema de medición.
