O método de medição de fonte de alimentação chaveada com osciloscópio digital
As fontes de alimentação vêm em uma ampla variedade de tipos e tamanhos, desde fontes de alimentação tradicionais do tipo analógico até fontes de alimentação chaveadas de alta eficiência. Todos eles têm que enfrentar um ambiente de trabalho complexo e dinâmico. As cargas e demandas dos equipamentos podem mudar drasticamente em um instante. Mesmo uma fonte de alimentação chaveada “cotidiana” pode suportar picos momentâneos bem acima do seu nível operacional médio. Os engenheiros que projetam uma fonte de alimentação ou uma fonte de alimentação para ser usada em um sistema precisam entender como a fonte de alimentação opera sob condições estáticas, bem como nas piores condições.
No passado, caracterizar o comportamento de uma fonte de alimentação significava medir a corrente e a tensão quiescentes com um multímetro digital e realizar cálculos meticulosos com uma calculadora ou PC. Hoje, a maioria dos engenheiros recorre ao osciloscópio como sua plataforma preferida de medição de potência. Os osciloscópios modernos podem ser equipados com software integrado de medição e análise de potência, simplificando a configuração e facilitando as medições dinâmicas. Os usuários podem personalizar parâmetros-chave, automatizar cálculos e ver resultados em segundos, não apenas dados brutos.
Problemas de projeto de fontes de alimentação e suas necessidades de medição
Idealmente, toda fonte de alimentação deveria se comportar como o modelo matemático para o qual foi projetada. Mas no mundo real, os componentes apresentam defeito, as cargas podem variar, as fontes de alimentação podem ser distorcidas e as mudanças ambientais podem alterar o desempenho. Além disso, as mudanças nos requisitos de desempenho e custo complicam o projeto da fonte de alimentação. Considere estas questões:
Quantos watts a fonte de alimentação pode sustentar além de sua potência nominal? Quanto tempo pode durar? Quanto calor a fonte de alimentação dissipa? O que acontece quando superaquece? Quanto fluxo de ar de resfriamento ele precisa? O que acontece quando a corrente de carga aumenta significativamente? O dispositivo pode manter a tensão nominal de saída? Como a fonte de alimentação lida com um curto-circuito na saída? O que acontece quando a tensão de entrada da fonte de alimentação muda?
Os projetistas precisam desenvolver fontes de alimentação que ocupem menos espaço, reduzam o calor, reduzam os custos de fabricação e atendam aos padrões EMI/EMC mais rígidos. Somente um sistema de medição rigoroso pode permitir que os engenheiros atinjam esses objetivos.
Osciloscópio e medições de potência
Para aqueles acostumados a fazer medições de alta largura de banda com um osciloscópio, as medições da fonte de alimentação podem ser simples devido às suas frequências relativamente baixas. Na verdade, existem muitos desafios na medição de potência que os projetistas de circuitos de alta velocidade nunca terão que enfrentar.
Todo o quadro pode ser de alta tensão e “flutuante”, ou seja, não conectado ao terra. A largura do pulso, o período, a frequência e o ciclo de trabalho do sinal podem variar. As formas de onda devem ser capturadas e analisadas fielmente para detectar anomalias na forma de onda. Isso é exigente para o osciloscópio. Várias sondas — São necessárias sondas de terminação única, diferenciais e de corrente ao mesmo tempo. O instrumento deve ter uma memória grande para fornecer espaço de gravação para resultados de aquisição de baixa frequência de longo prazo. E pode ser necessário capturar sinais diferentes com amplitudes muito diferentes em uma aquisição.
Noções básicas de comutação da fonte de alimentação
A arquitetura de energia CC dominante na maioria dos sistemas modernos é a fonte de alimentação chaveada (switching power supply), que é conhecida por sua capacidade de lidar com cargas variadas com eficiência. O caminho do sinal de energia de uma fonte de alimentação chaveada típica inclui componentes passivos, componentes ativos e componentes magnéticos. As fontes de alimentação chaveadas usam o mínimo possível de componentes com perdas (como resistores e transistores lineares) e principalmente (idealmente) componentes sem perdas: transistores chaveadores, capacitores e elementos magnéticos.
O dispositivo de alimentação de comutação também possui uma parte de controle, que inclui um regulador de modulação de largura de pulso, um regulador de modulação de frequência de pulso e um circuito de feedback 1 e outros componentes. A seção de controle pode ter sua própria fonte de alimentação. A Figura 1 é um diagrama esquemático simplificado de uma fonte de alimentação chaveada, mostrando a seção de conversão de energia, incluindo dispositivos ativos, dispositivos passivos e componentes magnéticos.
A tecnologia de fonte de alimentação chaveada usa dispositivos de comutação de semicondutores de potência, como transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFETs) e transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). Esses dispositivos têm tempos de comutação curtos e podem suportar picos de tensão erráticos. Igualmente importante, consomem muito pouca energia tanto no estado ligado como desligado, são altamente eficientes e geram pouco calor. Os dispositivos de comutação determinam em grande parte o desempenho geral de uma fonte de alimentação comutada. As principais medições em dispositivos de comutação incluem: perda de comutação, perda média de potência, área operacional segura e outras.
