Método para medir la fuente de alimentación conmutada con osciloscopio digital
Desde fuentes de alimentación analógicas tradicionales hasta fuentes de alimentación conmutadas eficientes, los tipos y tamaños de fuentes de alimentación varían mucho. Todos se enfrentan a entornos laborales complejos y dinámicos. La carga y demanda del equipo puede sufrir cambios significativos en un instante. Incluso una fuente de alimentación conmutada "diaria" debe poder soportar picos instantáneos que superan con creces su nivel operativo medio. Los ingenieros que diseñan fuentes de alimentación o sistemas para utilizar fuentes de alimentación deben comprender las condiciones operativas de la fuente de alimentación en condiciones estáticas y en el peor de los casos.
En el pasado, describir las características de comportamiento de las fuentes de energía significaba usar un multímetro digital para medir la corriente y el voltaje estáticos y realizar arduos cálculos usando una calculadora o una PC. Hoy en día, la mayoría de los ingenieros recurren a los osciloscopios como su plataforma preferida de medición de potencia. Los osciloscopios modernos pueden equiparse con software integrado de análisis y medición de potencia, lo que simplifica la configuración y facilita la medición dinámica. Los usuarios pueden personalizar parámetros clave, calcular automáticamente y ver resultados en segundos, en lugar de solo datos sin procesar.
Problemas de diseño de fuentes de alimentación y requisitos de medición.
Lo ideal es que cada fuente de alimentación funcione como el modelo matemático diseñado para ella. Pero en el mundo real, los componentes tienen fallas, las cargas pueden cambiar, el suministro de energía puede distorsionarse y los cambios ambientales pueden alterar el rendimiento. Además, los requisitos de rendimiento y costos en constante cambio también hacen que el diseño de la fuente de alimentación sea más complejo. Considere estas cuestiones:
¿Cuántos vatios de potencia puede mantener la fuente de alimentación más allá de su potencia nominal? ¿Cuánto tiempo puede durar? ¿Cuánto calor emite la fuente de alimentación? ¿Qué pasa cuando se sobrecalienta? ¿Cuánto flujo de aire de refrigeración requiere? ¿Qué sucede cuando la corriente de carga aumenta significativamente? ¿Puede el dispositivo mantener su voltaje de salida nominal? ¿Cómo responde la fuente de alimentación a un cortocircuito completo en el extremo de salida? ¿Qué sucede cuando cambia el voltaje de entrada de la fuente de alimentación?
Los diseñadores necesitan desarrollar fuentes de alimentación que ocupen menos espacio, reduzcan el calor, reduzcan los costos de fabricación y cumplan con estándares EMI/EMC más estrictos. Sólo un sistema de medición estricto puede permitir a los ingenieros alcanzar estos objetivos.
Medición de osciloscopio y fuente de alimentación.
Para quienes están acostumbrados a utilizar un osciloscopio para mediciones de gran ancho de banda, la medición de potencia puede resultar sencilla porque su frecuencia es relativamente baja. De hecho, también existen muchos desafíos que los diseñadores de circuitos de alta velocidad nunca tienen que enfrentar en la medición de potencia.
La tensión de todo el cuadro puede ser alta y flotante, lo que significa que no está conectada a tierra. El ancho del pulso, el período, la frecuencia y el ciclo de trabajo de la señal variarán. Es necesario capturar y analizar la forma de onda con sinceridad y detectar cualquier anomalía en la forma de onda. Los requisitos para los osciloscopios son exigentes. Múltiples sondas: requieren simultáneamente sondas de un solo extremo, sondas diferenciales y sondas de corriente. El instrumento debe tener una memoria grande para proporcionar espacio de registro para resultados de adquisición de baja frecuencia a largo plazo. Y puede requerir capturar diferentes señales con diferencias de amplitud significativas en una sola adquisición.
Fundamentos de la fuente de alimentación conmutada
La arquitectura de fuente de alimentación de CC principal en la mayoría de los sistemas modernos es una fuente de alimentación conmutada (SMPS), que es bien conocida por su capacidad para hacer frente de manera efectiva a cargas cambiantes. La ruta de la señal eléctrica de una fuente de alimentación conmutada típica incluye componentes pasivos, componentes activos y componentes magnéticos. Las fuentes de alimentación conmutadas deben minimizar el uso de componentes con pérdidas, como resistencias y transistores lineales, y utilizar principalmente (idealmente) componentes sin pérdidas, como transistores conmutados, condensadores y componentes magnéticos.
El dispositivo de suministro de energía conmutada también tiene una parte de control, que incluye componentes tales como un regulador de modulación de ancho de pulso, un regulador de modulación de frecuencia de pulso y un circuito de retroalimentación 1. La sección de control puede tener su propia fuente de alimentación. La Figura 1 es un diagrama esquemático simplificado de una fuente de alimentación conmutada, que muestra la parte de conversión de energía, incluidos dispositivos activos, dispositivos pasivos y componentes magnéticos.
La tecnología de fuente de alimentación conmutada utiliza dispositivos de conmutación de semiconductores de potencia, como transistores de efecto de campo de óxido metálico (MOSFET) y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT). Estos dispositivos tienen un tiempo de conmutación corto y pueden soportar picos de voltaje inestables. Igualmente importante es que consumen muy poca energía tanto en estado abierto como cerrado, con alta eficiencia y baja generación de calor. Los dispositivos de conmutación determinan en gran medida el rendimiento general de las fuentes de alimentación conmutadas. Las principales medidas de los dispositivos de conmutación incluyen: pérdida de conmutación, pérdida de potencia promedio, área de trabajo segura y otras.
