Método para medir fontes de alimentação chaveadas com osciloscópio digital
Desde fontes de alimentação analógicas tradicionais até fontes de alimentação comutadas eficientes, os tipos e tamanhos das fontes de alimentação variam muito. Todos eles enfrentam ambientes de trabalho complexos e dinâmicos. A carga e a demanda do equipamento podem sofrer alterações significativas em um instante. Mesmo uma fonte de alimentação chaveada “diária” deve ser capaz de suportar picos instantâneos que excedem em muito seu nível operacional médio. Os engenheiros que projetam fontes de alimentação ou sistemas para usar fontes de alimentação precisam compreender as condições de funcionamento da fonte de alimentação sob condições estáticas e de pior caso.
No passado, descrever as características comportamentais das fontes de energia significava usar um multímetro digital para medir corrente e tensão estáticas e realizar cálculos árduos usando uma calculadora ou um PC. Hoje, a maioria dos engenheiros recorre aos osciloscópios 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 a medição dinâmica. Os usuários podem personalizar parâmetros-chave, calcular automaticamente e ver os resultados em segundos, em vez de apenas dados brutos.
Problemas de design da fonte de alimentação e requisitos de medição
Idealmente, cada fonte de alimentação deve funcionar como o modelo matemático projetado para ela. Mas no mundo real, os componentes apresentam falhas, as cargas podem mudar, a fonte de alimentação pode ser distorcida e as mudanças ambientais podem alterar o desempenho. Além disso, as constantes mudanças nos requisitos de desempenho e custo também tornam o projeto da fonte de alimentação mais complexo. Considere estas questões:
Quantos watts de potência a fonte de alimentação pode manter além de sua potência nominal? Quanto tempo pode durar? Quanto calor a fonte de alimentação emite? O que acontece quando superaquece? Quanto fluxo de ar de resfriamento é necessário? O que acontece quando a corrente de carga aumenta significativamente? O dispositivo pode manter sua tensão nominal de saída? Como a fonte de alimentação responde a um curto-circuito completo na extremidade de 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.
Medição de osciloscópio e fonte de alimentação
Para aqueles acostumados a usar um osciloscópio para medições de alta largura de banda, a medição de potência pode ser simples porque sua frequência é relativamente baixa. Na verdade, também existem muitos desafios que os projetistas de circuitos de alta velocidade nunca terão que enfrentar na medição de potência.
A tensão de todo o quadro pode ser alta e flutuante, o que significa que não está aterrado. A largura do pulso, o período, a frequência e o ciclo de trabalho do sinal irão variar. É necessário capturar e analisar a forma de onda com veracidade e detectar quaisquer anormalidades na forma de onda. Os requisitos para osciloscópios são exigentes. Múltiplas sondas - exigindo simultaneamente sondas de terminação única, sondas diferenciais e sondas de corrente. O instrumento deve ter uma memória grande para fornecer espaço de gravação para resultados de aquisição de baixa frequência de longo prazo. E pode exigir a captura de sinais diferentes com diferenças significativas de amplitude em uma aquisição.
Fundamentos da fonte de alimentação chaveada
A arquitetura principal da fonte de alimentação CC na maioria dos sistemas modernos é uma fonte de alimentação chaveada (SMPS), que é bem conhecida por sua capacidade de lidar efetivamente com mudanças de carga. O caminho do sinal elétrico de uma fonte de alimentação chaveada típica inclui componentes passivos, componentes ativos e componentes magnéticos. As fontes de alimentação chaveadas devem minimizar o uso de componentes com perdas, como resistores e transistores lineares, e usar principalmente (idealmente) componentes sem perdas, como transistores chaveadores, capacitores e componentes magnéticos.
O dispositivo de fonte de alimentação comutada também possui uma parte de controle, que inclui componentes como regulador de modulação de largura de pulso, regulador de modulação de frequência de pulso e circuito de feedback 1. 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, que mostra a parte 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 um tempo de comutação curto e podem suportar picos de tensão instáveis. Igualmente importante, consomem muito pouca energia tanto no estado aberto como fechado, com elevada eficiência e baixa geração de calor. Os dispositivos de comutação determinam em grande parte o desempenho geral das fontes de alimentação comutadas. As principais medições de dispositivos de comutação incluem: perda de comutação, perda média de potência, área de trabalho segura, entre outras.
