El método de medir la fuente de alimentación conmutada con un osciloscopio digital
Las fuentes de alimentación vienen en una amplia variedad de tipos y tamaños, desde fuentes de alimentación tradicionales de tipo analógico hasta fuentes de alimentación conmutadas de alta eficiencia. Todos ellos tienen que afrontar un entorno de trabajo complejo y dinámico. Las cargas y demandas de los equipos pueden cambiar drásticamente en un instante. Incluso una fuente de alimentación conmutada "cotidiana" puede soportar picos momentáneos muy por encima de su nivel operativo medio. Los ingenieros que diseñan una fuente de alimentación o una fuente de alimentación para usar en un sistema deben comprender cómo funciona la fuente de alimentación en condiciones estáticas y en las peores condiciones.
En el pasado, caracterizar el comportamiento de una fuente de alimentación significaba medir la corriente y el voltaje en reposo con un multímetro digital y realizar cálculos minuciosos con una calculadora o una PC. Hoy en día, la mayoría de los ingenieros recurren al osciloscopio 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 las mediciones dinámicas. Los usuarios pueden personalizar parámetros clave, automatizar cálculos y ver resultados en segundos, no solo datos sin procesar.
Problemas de diseño de fuentes de alimentación y sus necesidades de medición
Idealmente, cada fuente de alimentación debería comportarse como el modelo matemático para el que fue diseñada. Pero en el mundo real, los componentes están defectuosos, las cargas pueden variar, las fuentes de alimentación pueden distorsionarse y los cambios ambientales pueden alterar el rendimiento. Además, los requisitos cambiantes de rendimiento y costos complican el diseño de la fuente de alimentación. Considere estas preguntas:
¿Cuántos vatios puede soportar la fuente de alimentación más allá de su potencia nominal? ¿Cuánto tiempo puede durar? ¿Cuánto calor disipa la fuente de alimentación? ¿Qué pasa cuando se sobrecalienta? ¿Cuánto flujo de aire de refrigeración necesita? ¿Qué sucede cuando la corriente de carga aumenta significativamente? ¿Puede el dispositivo mantener el voltaje de salida nominal? ¿Cómo maneja la fuente de alimentación un cortocircuito en la 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 riguroso puede permitir a los ingenieros alcanzar estos objetivos.
Osciloscopio y medidas de potencia.
Para aquellos acostumbrados a realizar mediciones de gran ancho de banda con un osciloscopio, las mediciones de la fuente de alimentación pueden resultar sencillas debido a sus frecuencias relativamente bajas. De hecho, existen muchos desafíos en la medición de potencia que los diseñadores de circuitos de alta velocidad nunca tienen que enfrentar.
Todo el cuadro puede ser de alto voltaje y "flotante", es decir, no conectado a tierra. El ancho del pulso, el período, la frecuencia y el ciclo de trabajo de la señal pueden variar. Las formas de onda deben capturarse y analizarse fielmente para detectar anomalías en la forma de onda. Esto es exigente para el osciloscopio. Sondas múltiples: se requieren sondas de un solo extremo, diferenciales y de corriente al mismo tiempo. El instrumento debe tener una memoria grande para proporcionar espacio de registro para resultados de adquisición de baja frecuencia a largo plazo. Y puede ser necesario capturar diferentes señales con amplitudes muy diferentes en una sola adquisición.
Conceptos básicos de la fuente de alimentación conmutada
La arquitectura de alimentación de CC dominante en la mayoría de los sistemas modernos es la fuente de alimentación conmutada (fuente de alimentación conmutada), que es conocida por su capacidad para manejar cargas variables de manera eficiente. La ruta de la señal de potencia de una fuente de alimentación conmutada típica incluye componentes pasivos, componentes activos y componentes magnéticos. Las fuentes de alimentación conmutadas utilizan la menor cantidad posible de componentes con pérdidas (como resistencias y transistores lineales) y en su mayoría (idealmente) componentes sin pérdidas: transistores conmutados, condensadores y componentes magnéticos.
El dispositivo de suministro de energía conmutada también tiene una parte de control, que incluye un regulador de modulación de ancho de pulso, un regulador de modulación de frecuencia de pulso y un bucle de retroalimentación 1 y otros componentes. 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 sección 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 tiempos de conmutación cortos y pueden soportar picos de voltaje erráticos. Igualmente importante es que consumen muy poca energía tanto en estado encendido como apagado, son muy eficientes y generan poco calor. Los dispositivos de conmutación determinan en gran medida el rendimiento general de una fuente de alimentación conmutada. Las medidas clave en los dispositivos de conmutación incluyen: pérdida de conmutación, pérdida de energía promedio, área de operación segura y otras.
