Como medir a perda de potência da fonte chaveada com osciloscópio digital
A nova arquitetura do SMPS (Switch Mode PowerSupply) precisa fornecer alta corrente e baixa tensão para processadores com alta velocidade de dados e classe GHz, o que adiciona uma nova pressão invisível aos projetistas de dispositivos de energia em termos de eficiência, densidade de energia, confiabilidade e custo. Para levar esses requisitos em consideração no projeto, os projetistas adotaram novas arquiteturas, como tecnologia de retificação síncrona, correção de filtro de potência ativa e aumento da frequência de comutação. Essas tecnologias também trazem alguns desafios maiores, como alta perda de potência, dissipação de calor e EMI/EMC excessiva em dispositivos de comutação.
Durante a transição do estado "desligado" (ligado) para "ligado" (desligado), o dispositivo de fonte de alimentação terá alto consumo de energia. (No entanto, a perda de energia dos dispositivos de comutação no estado "ligado" ou "desligado" é menor, porque a corrente através do dispositivo ou a tensão no dispositivo é muito pequena). Indutores e transformadores podem isolar a tensão de saída e suavizar a corrente de carga. Indutores e transformadores também são suscetíveis à frequência de comutação, resultando em dissipação de energia e falhas ocasionais devido à saturação.
Como a potência dissipada no dispositivo de comutação da fonte de alimentação determina a eficiência geral do efeito térmico da fonte de alimentação, é muito importante medir a perda de potência do dispositivo de comutação e do indutor/transformador. Esta medição pode determinar a eficiência energética e a dissipação de calor.
Medição e análise de perda de potência
1. Dispositivo de teste necessário para medição de perda de energia
Circuito simplificado de transformação de switch. O transistor de potência de efeito de campo MOSFET controla a corrente sob a excitação do clock de 40kHz. O MOSFET não está conectado ao aterramento do alimentador CA ou ao aterramento de saída do circuito, ou seja, está isolado do aterramento. Portanto, é impossível simplesmente medir a tensão de referência de aterramento com um osciloscópio, pois se o fio terra da ponta de prova estiver conectado a qualquer terminal do MOSFET, o ponto entrará em curto-circuito com o terra através do osciloscópio.
Neste caso, a medição diferencial é uma boa maneira de medir a forma de onda de tensão de M0SFET. Por medição diferencial, você pode medir VDS, ou seja, a tensão no terminal de dreno e no terminal de fonte do MOSFET. O VDS pode flutuar acima da tensão, e a faixa de tensão pode ser de dezenas a centenas de volts, dependendo da faixa de tensão do dispositivo de alimentação. Você pode medir o VDS de várias maneiras:
Fio terra do chassi do osciloscópio de suspensão. Recomenda-se não utilizá-lo, pois é extremamente prejudicial ao usuário, ao dispositivo em teste e ao osciloscópio.
Duas pontas de prova passivas convencionais de extremidade única são usadas para conectar seus fios de aterramento e, em seguida, a função de cálculo de canal do osciloscópio é usada para medir. Este método de medição é chamado de medição quase diferencial. No entanto, embora a ponta de prova passiva possa ser usada em combinação com o amplificador de um osciloscópio, ela não possui a função de "taxa de rejeição de modo comum" (CMRR), que pode bloquear adequadamente qualquer tensão de modo comum. Esta configuração não pode medir com precisão a tensão, mas a ponta de prova existente pode ser usada.
Use o isolador de ponta de prova disponível no comércio para isolar o chassi do osciloscópio do terra. O fio terra da sonda não será mais o potencial de aterramento principal e a sonda poderá ser conectada diretamente a um ponto de teste. O isolador de sonda é uma solução eficaz, mas é caro e seu custo é duas a cinco vezes maior que o da sonda diferencial.
Usando sonda diferencial real em osciloscópio de banda larga. Você pode medir o VDS por sonda diferencial, o que também é um bom método.
Ao medir a corrente através do MOSFET, primeiro fixe a ponta de prova de corrente e depois ajuste o sistema de medição. Muitas pontas de prova diferenciais são equipadas com capacitores de compensação de deslocamento CC integrados. Desligue o equipamento testado e, depois que o osciloscópio e a ponta de prova estiverem totalmente aquecidos, você poderá definir o valor médio das formas de onda de tensão e corrente medidas pelo osciloscópio. A configuração de sensibilidade deve usar os valores usados na medição real. Na ausência de sinal, ajuste o capacitor de corte para ajustar a média zero de cada forma de onda para 0 V. Esta etapa pode reduzir bastante o erro de medição causado pela tensão e corrente estática no sistema de medição.
