В статье описываются особенности измерений характеристик импульсных источников питания с помощью осциллографов Tektronix. Обсуждаются вопросы подготовки к измерениям, входного анализа, анализ схемы переключения и выходного анализа. Рассматриваются программные средства осциллографов для измерения и анализа цепей питания. Статья представляет собой перевод [1].
Работа источников питания характеризуется изменением нагрузки в широких диапазонах: от холостого хода до максимально допустимой. Часто происходит внезапный наброс нагрузки (резкий скачок выходного тока). Нагрузка на устройство может меняться кардинально в течение очень короткого времени, и источники питания для аппаратуры широкого применения должны выдерживать пиковые нагрузки, которые намного превышают средний уровень. Инженеры, проектирующие источники питания или системы, в которых они используются, должны ясно представлять себе режимы работы источников питания в самых разных условиях: от состояния покоя до пиковых нагрузок.
В этой статье описываются измерения параметров импульсного источника питания с помощью осциллографа Tektronix серий MSO/DPO4000 или DPO3000. Описываются также опциональные программные средства измерений и анализа цепей питания.
В идеальном случае источник питания должен работать в точности как он был спроектирован и смоделирован. В реальности это не так: компоненты чаще всего не совершенны; нагрузка на систему может изменяться; в сетевом напряжении могут присутствовать искажения; условия окружающей среды влияют на характеристики устройства.
Перед началом работы необходимо корректно подготовить измерительную систему для точного анализа сигналов и выявления неполадок. В связи с этим следует рассмотреть следующие важные вопросы:
– режимы захвата данных осциллографа;
– компенсация сдвига по фазе между пробником измерения напряжения и токовым пробником;
– компенсация смещения пробника;
– размагничивание токового пробника;
– фильтры ограничения полосы пропускания.
Режимы захвата данных осциллографа
Режимы захвата данных определяют способы выборки, обработки и отображения электрических сигналов. Выбор режима захвата данных может влиять на точность измерений. Важно понять, как эти режимы работают и какое влияние они оказывают на измерения сигналов и других характеристик в источниках питания.
В каждом осциллографе предусмотрен самый простой режим захвата — режим выборки. Как показано на рисунке 1, в этом режиме осциллограф формирует точку сигнала через каждый интервал выборки (на рисунке интервалы выборки сигнала обозначены как 1, 2, 3 и 4). Режим выборки рекомендуется для таких измерений как анализ пульсаций и помех, который требует многократного захвата нерегулярных сигналов.
Другим режимом захвата, который предлагается большинством производителей осциллографов, является режим усреднения. В режиме усреднения осциллограф запоминает одну точку выборки в течение каждого интервала сигнала, как и в режиме выборки. Однако в режиме усреднения соответствующие точки последовательных моментов захвата сигнала усредняются, и в результате формируется сигнал, изображенный на рисунке 2. Режим усреднения снижает шум без уменьшения ширины полосы пропускания, но используется только с регулярным сигналом. Режим усреднения особенно полезен при выполнении гармонического анализа или анализа качества электропитания, в частности при измерении активной, реактивной и полной мощности.
Комапния Tektronix предлагает, кроме перечисленных выше режимов, режим высокого разрешения. В этом случае многократные последовательные выборки в пределах одного интервала сигнала усредняются, и формируется одна точка при каждом захвате сигнала, как показано на рисунке 3.
В результате уменьшается ширина полосы пропускания и, следовательно, помехи, и, кроме того, улучшается разрешение по вертикали для медленных сигналов. Режим высокого разрешения особенно полезен при проведении анализа модуляции, когда происходит включение питания и сбор данных при отдельном захвате сигнала. Режим высокого разрешения может улучшить точность при таких измерениях как измерения потерь на переключение, при которых вычисляются значения мгновенной мощности.
Компенсация сдвига по фазе между пробником измерения напряжения и токовым пробником
При проведении измерений характеристик источников питания с помощью цифрового осциллографа необходимо измерять напряжение и ток в различных узлах устройства. Для этого требуются два разных пробника: пробник измерения напряжения (иногда используют высоковольтный дифференциальный пробник) и токовый пробник. Каждый из этих пробников имеет собственный показатель задержки распространения сигнала. Разница в задержках токового пробника и пробника для измерений напряжения, известная как сдвиг по фазе, вызывает неточные измерения амплитуды и временных параметров. Важно понять влияние задержки распространения пробников на результаты измерения максимальной пиковой мощности, т.к. мощность зависит от напряжения и тока. Если сигналы напряжения и тока не идеально выровнены по времени между собой, то результат измерений будет некорректным.
Компенсация сдвига по фазе между пробниками в современных осциллографах производится без труда (см. рис. 4). Путем выбора опции deskew (компенсация сдвига по фазе) можно отрегулировать значение сдвига по фазе пробников. Рекомендуемое значение сдвига выбирается на основе номинального значения задержки распространения пробника, которое хранится во встроенной памяти пробника.
Для более точного согласования сигналов по времени служит генератор компенсации сдвига сигналов по фазе и специальная оснастка, показанные на рисунке 5. При подключении пробников к этой оснастке реальное значение сдвига по фазе можно вручную изменить так, чтобы точно выровнять сигналы.
Компенсация смещения пробника
Свойством дифференциальных пробников является наличие в них незначительного смещения по напряжению. Это смещение может влиять на точность измерений и его необходимо устранить до начала процесса измерений. Большинство дифференциальных пробников для измерения напряжения имеет встроенную схему регулировки постоянного смещения, что значительно упрощает компенсацию смещения.
Перед началом измерений может также возникнуть необходимость в регулировке токовых пробников. Компенсация смещения токовых пробников производится путем обнуления значения DC-баланса.
Размагничивание токового пробника
Для токового пробника также должна быть предусмотрена возможность размагничивания. Оно позволяет устранить остаточное магнитное поле в сердечнике трансформатора, которое может быть вызвано большими токами на входе. Остаточное магнитное поле приводит к образованию выходной погрешности смещения, которую следует устранить для улучшения точности измерений.
Фильтры ограничения полосы пропускания
Ограничение полосы пропускания осциллографа снижает шумы или нежелательные высокочастотные компоненты в исследуемом сигнале, что позволяет получить более чистую картину на дисплее.
Традиционно измерения характеристик источников питания разделяют на три категории: входной анализ, анализ переключающих приборов и выходной анализ.
Входной анализ
Реальные сети электропитания никогда не обеспечивают идеальную синусоидальную форму тока, и в линии всегда присутствуют искажения и нежелательные сигналы. Импульсный источник питания представляет собой нелинейную нагрузку для сети. Из-за этого формы сигналов напряжения и тока не идентичны. Потребление тока вызывает генерацию гармоник во входном сигнале тока. Основными характеристиками, которые необходимо проанализировать на входе источника питания являются гармоники и качество электропитания.
Гармоники
Свойством импульсных источников питания является генерация в основном нечетных гармоник, которые попадают в конечном итоге обратно в электросеть. Чем больше импульсных источников питания подключаются к электросети (например, при появлении еще одного компьютера в офисе), тем больше суммарный процент гармонических искажений в сети. Эти искажения необходимо минимизировать, чтобы улучшить гармонический состав напряжения.
Определение эффекта от этих искажений является важной задачей электроэнергетики; и преимущества в использовании осциллографа, а не мультиметра, при таких измерениях весьма значительны. Измерительная система должна быть способной фиксировать гармоники до 50-го порядка. Частота электросети составляет обычно 50 или 60 Гц, хотя в некоторых военных и авиационных системах она может быть и 400 Гц.
Выполнить гармонический анализ так же просто, как и измерения обычного сигнала. Поскольку в этом случае сигнал является регулярным и периодическим, то не составит труда осуществить его синхронизацию и отобразить на дисплее. Чтобы получить хорошее разрешение по частоте, необходимо отобразить, по крайней мере, пять периодов сигнала; масштаб вертикальной шкалы должен быть установлен таким образом, чтобы сигнал занимал как можно больше вертикальных делений на экране и оптимизировать динамический диапазон осциллографа.
На рисунке 6 показаны результаты гармонического анализа тока источника питания. В меню дисплея осциллографа можно выбрать измерение определенной гармоники. В данном примере выбрана пятая гармоника.
Качество электропитания
Качество электропитания не зависит лишь от производителя электроэнергии. Оно также зависит от источника питания и конечной пользовательской нагрузки. Показатель качества электропитания описывает «здоровье» источника питания и определяет влияние искажений, вызванных нелинейными нагрузками. Как показано на рисунке 7, программное средство осциллографа для измерения систем электропитания представляет результаты автоматического измерения в виде таблицы со следующими параметрами: VRMS и IRMS, амплитудные коэффициенты напряжения и тока, активная мощность, реактивная мощность, полная мощность и коэффициент мощности.
Анализ переключающих приборов
Импульсные источники питания с архитектурой SMPS (Switched Mode Power Supplies) превалируют сегодня на рынке. В них в качестве переключающих транзисторов используются MOSFET или IGBT. Эти транзисторы обладают малым временем переключения и способны выдерживать высоковольтные выбросы напряжения. В большинстве случаев переключающий транзистор определяет общие характеристики импульсного источника питания. Основными измеряемыми характеристиками для ключей являются: потери на переключение, область безопасной работы и скорость нарастания выходного сигнала.
Потери на переключение
Схемы переключения обычно потребляют основную часть мощности во времы переходного процесса из-за того, что паразитные элементы схемы не позволяют транзистору переключиться мгновенно. Затраты энергии в таких приборах, как MOSFET или IGBT, когда они переходят из выключенного состояния во включенное определяются как потери при включении. Аналогично, потери при выключении — это затраты энергии, когда переключающий транзистор переходит из включенного состояния в выключенное. Транзисторные схемы тратят энергию во время переключения из-за потерь в паразитных емкостях и индуктивностях, а также заряда, накопленного в диоде. Надлежащий анализ этих потерь является необходимым при измерениях характеристик источника питания и оценки его эффективности.
Измерения потерь на переключение осуществляются путем проведения нескольких законченных циклов (см. рис. 8).
Основной проблемой при измерениях потерь при включении и выключении транзисторов является то, что потери происходят за весьма короткий промежуток времени. Это требует очень точного согласования по времени сигналов напряжения и тока, минимизации смещений в измерительной системе и обеспечения динамического диапазона, достаточного для точного измерения напряжений и токов во включенном и выключенном состоянии. Смещения пробника должны быть обнулены, токовый пробник должен быть размагничен для исключения остаточного магнитного поля в трансформаторе, а сдвиг по фазе между каналами должен быть минимизирован.
Другой задачей является обеспечение широкого динамического диапазона, необходимого для корректных измерений потерь на переключение. При переключении из выключенного во включенное состояние напряжение на транзисторе изменяется весьма существенно, что затрудняет измерения этих состояний с достаточной точностью при однократном захвате данных. Есть три общепринятых способа определения более точных значений параметров.
– Измерение падения напряжения на переключающем транзисторе во время протекания тока через ключ. Поскольку это напряжение обычно очень мало по сравнению с падением напряжения на транзисторе в непроводящем состоянии, то обычно невозможно точно измерить оба напряжения при одинаковой вертикальной шкале осциллографа.
– Установление величины RDS(on) (для MOSFET) на основе спецификации на прибор. Эта величина представляет собой расчетное значение сопротивления канала между истоком и стоком транзистора в проводящем состоянии.
– Установление величины VCE(sat) (для BJT и IGBT) на основе спецификации на прибор. Эта величина представляет собой расчетное значение напряжения насыщения между коллектором и эмиттером транзистора в режиме насыщения.
Область безопасной работы
Область безопасной работы транзистора определяет условия, при которых прибор может работать без повреждений, в частности, предельное значение тока через транзистор при данном напряжении. При превышении этих предельных значений транзистор может выйти из строя. Определение области безопасной работы является графическим методом, который учитывает предельные параметры транзистора, такие как максимальное напряжение, максимальный ток и максимальная мощность, и гарантирует, что транзистор работает в специфицированных условиях.
В спецификациях производителей переключающих транзисторов приводятся предельные значения параметров. Целью измерений является подтверждение того, что прибор работает в допустимых условиях эксплуатации у конечного пользователя. Тестовые показатели области устойчивой работы могут включать различные условия нагрузки, значения рабочей температуры, высокое и низкое входное линейное напряжение и др.
Как показано на рисунке 9, при измерениях на осциллографе может быть создана определяемая пользователем маска, которая гарантирует, что напряжение, ток и мощность транзистора находятся в пределах допустимых значений. Нарушения этих предельных величин фиксируются программой как сбои в работе.
Скорость нарастания выходного сигнала
Для того чтобы убедиться, что переключающий прибор работает с максимальной эффективностью, необходимо измерить скорость нарастания выходного напряжения и тока для проверки соответствия специфицированным значениям. При определении скорости нарастания сигналов с помощью осциллографа можно использовать курсоры для удобства измерений и возможность выбора между вычислениями dv/dt и di/dt (см. рис. 10).
Выходной анализ
В идеальном случае выходное напряжение источника питания постоянного тока не должно содержать гармоники или другие шумовые компоненты. В реальности это невозможно. Для определения влияния помех во входном напряжении или нагрузки на выходное напряжение необходим выходной анализ. Такие измерения включают анализ модуляции и пульсаций.
Анализ модуляции
Измерения модуляционных эффектов с помощью осциллографа не составляет труда. На рисунке 11 изображен модулированный сигнал замкнутой токовой цепи источника питания. Модуляция имеет важное значение для управления замкнутой цепью в системах с обратной связью. Однако при определенных значениях модуляции замкнутая цепь может стать нестабильной.
Красная линия на рисунке 11 соответствует математически вычисленному сигналу, показывающему тенденцию изменения ширины импульса сигнала управления затвором IGBT при запуске генератора источника питания. Поскольку вычисленный сигнал представляет собой значения измеренной ширины импульса (в единицах времени), то отклонения ширины импульса могут быть определены с помощью курсора. Вычисленные значения отражают тенденцию изменения модуляции захваченного сигнала. В данном случае эти значения отражают характеристику сигнала замкнутой цепи управления генератора в процессе его запуска. Такой анализ модуляции может быть также использован для исследования отклика сигнала замкнутой цепи управления источника питания на изменение входного напряжения («линейная стабилизация») или изменение нагрузки («стабилизация нагрузки»).
Пульсации — это переменное напряжение, наложенное на выходное постоянное напряжение источника питания. Они выражаются в процентах от номинального выходного напряжения или в В (напряжение полного размаха). В линейных источниках питания обычно наблюдаются пульсации, частота которых близка к удвоенной сетевой частоте (около 100 Гц), в то время как в импульсных источниках можно увидеть пульсации на частоте, близкой к рабочей частоте переключения — несколько сот килогерц.
Источник питания — неотъемлемая часть практически любого электронного устройства, питающегося как от электросети, так и от батарей, причем импульсный тип источника питания (SMPS) стал доминирующим во многих приложениях. Особенности функционирования одного импульсного источника питания или его отказ могут оказать влияние на работу целой сложной и дорогой системы.
Для того чтобы гарантировать надежность, стабильность, высокие характеристики, а также соответствие новым стандартам импульсных источников питания, разработчики должны выполнить комплекс измерений. Осциллографы со встроенным программным обеспечением для анализа систем питания существенно упрощают этот процесс.