AC/DC aneb na vlně zdrojů napájení. Výkon analyzujte s osciloskopy MSO5000

Návrh zdroje napájení patří ve vývoji k jedné z nejvíce strhujících, ale také nejnáročnějších aktivit. Každé elektronické zařízení vyžaduje elektrickou energii a síťové napětí 230 VAC (50 Hz), třeba jako u nás, zde pro napájecí zdroj bývá skoro vždy k dispozici. Elektrická zařízení však pracují se stejnosměrným proudem (DC) a síťové napětí je proto nutné převést na DC napětí. A k tomu právě slouží zdroje napájení. Ty pak obsahují různé části, na kterých však bývá náročné měřit, což dále klade zvýšené nároky i na testovací systém. Precizní měření se uplatňuje při optimalizaci, třeba za účelem dosažení potřebné míry účinnosti zdroje nebo k zajištění minimálních ztrát nezatíženého systému.

Osciloskopy RIGOL řady MSO5000 a PC software Ultra Power Analyser (UPA), společně s rozdílovými sondami řady PHA nebo proudovými kleštěmi série RP1000C od RIGOLu zde nabízí kompletní testovací systém, se kterým lze např. během vývoje, ale také v případě některých testů shody tzv. „nanečisto“ měřit spínané zdroje napájení. Abychom dokázali různé požadavky na testování popsat detailněji, podívejme se nejprve na samotné napájecí zdroje. Ve většině případů bude tím nejobvyklejším řešením právě spínaný zdroj. Lze jej totiž navrhnout s opravdu vysokou účinností, většími výkony a v porovnání třeba s lineárním přístupem zabere i méně místa. Spínané zdroje se uplatní při konverzích typu AC/DC či DC/DC, nicméně jejich nevýhodou se stává rušení (zvlnění výstupu), které na DC výstupu pozorujeme z titulu kmitočtu měniče. Zjednodušený blokový diagram spínaného zdroje napájení se základními součástkami zachycuje obr. 1.

Jak jsme již předeslali, vstup napájecího zdroje bude připojen ke střídavému síťovému napětí. Takový signál však může obsahovat síťové interference, a proto je nutné v návrhu zdroje nejprve filtrovat. AC signál je poté s využitím vhodných diod usměrněn. To již ale dostáváme napětí zvýšené zhruba na 350 VDC. Zmíněné napětí však bude mít pulzní charakter a je proto nezbytné výstup vyhladit s využitím elektrolytických kondenzátorů o vysoké kapacitě. K úplnému vyhlazení však touto cestou dojít nemůže. O zbylém zvlnění zde rovněž hovoříme jako o zvlnění napětí. K jeho potlačení zpravidla poslouží RC člen, v případě vyšších proudů pak LC prvek. Přitom se snažíme příliš nezvyšovat vnitřní odpor zapojení.

V dalším kroku je DC napětí konvertováno zpátky na střídavé, a to s využitím spínaného MOSFETu a obvodu s pulzně- -šířkovou modulací PWM na kmitočtu mezi 50 kHz až 1 MHz, v závislosti na typu transformátoru, takže lze dále pracovat s galvanickým oddělením v podobě takového transformátoru. Poté se opět uplatní vhodné diody zajišťující usměrnění a elektrolytické kondenzátory pro vyhlazení. Ze střídavého napětí se tak po transformaci znovu stává stejnosměrné a je filtrováno. Abychom zajistili, že DC napětí dosahuje neustále požadované hodnoty, využijeme k dostavení řídicí smyčku vedoucí od DC výstupu k MOSFETu. Na jedné straně si takovou regulací můžeme na výstupu pojistit konstantní napětí, a to i v případě kolísání sítě (tzv. parametr line regulation). Na straně druhé dokáže zmíněná regulace zajistit, že napájecí zdroj na výstupu pokaždé vykryje potřebné zatěžovací proudy (load regulation). U dřívějších spínaných zdrojů napájení se na výstupu jako prevence, zvláště pak po zapnutí, vyžadovalo určité minimální zatížení. Něco takového již není zapotřebí, protože celou věc u regulátoru ošetříme třeba s integrovaným číslicovým mikrokontrolérem nebo na základě podpůrných obvodů přímo v zapojení.

Podrobné měření na spínaném zdroji napájení můžeme rozdělit do tří dílčích skupin. Prvně tedy půjde o vstup zdroje, ke kterému je přivedeno síťové napětí 230 VAC. Druhá oblast zájmu se pak vztahuje k měření na spínacím tranzistoru a konečně třetí část zde souvisí s měřením na stejnosměrném výstupu a kvalitou výstupního napětí.

Software Ultra Power Analyzer (UPA) nabízí ve spojení s osciloskopy RIGOL řady MSO5000 komplexní řešení pro všechny tři zmíněné oblasti. Některé testy, třeba jako analýza kvality vstupního napájení, lze rovněž provádět na základě volby (power application), která je v zařízení již integrována. Pro připojení osciloskopu ke vstupní střídavé části napájecího zdroje využijeme v případě měření proudu kleště RP1002C (50 Arms, 70 ADC / šířka pásma 1 MHz) a za účelem napěťového měření pak nově představenou rozdílovou sondu PHA1150. Obě sondy byly navrženy pro kategorii CAT III a lze je pro takové měření použít.

Rozdílová sonda PHA1150 vykazuje šířku pásma až 100 MHz a lze ji použít pro napětí až do 1 500 VDC + ACpeak (se zesílením 500x). Vzhledem k tomu, že otázku šumu při měření rovněž ovlivní rostoucí šířka pásma, bude mít velká šířka pásma na takové měření ničivý dopad. Abychom tedy minimalizovali vliv rušení, můžeme u sondy PHA1150 nastavit omezení šířky pásma na 5 MHz. Sondu PHA1150 lze rovněž popsat její vysokou vstupní impedancí (10 MΩ) a malou vstupní kapacitou (méně než 2 pF). Potlačení CCMRdB (common mode rejection) zde dosahuje pro stejnosměrný signál více než 80 dB a v případě 100 kHz pak více než 60 dB. To znamená, že souhlasné zesílení je velmi nízké ve srovnání se ziskem v rozdílovém režimu a jeho nežádoucí vliv na měření bude ve výsledku velmi malý. Rozdílová sonda je rovněž upřednostňována v případě izolačního transformátoru, protože při použití takových transformátorů bude u osciloskopu zapotřebí jedné pro zmíněnou součástku a další pak pro spínaný zdroj napájení. Výsledek měření mohou kromě toho ovlivnit i dodatečné parazitní kapacity nebo indukčnosti a navíc zde existuje též možné riziko úrazu elektrickým proudem, pokud se takové sestavy v průběhu testování dotkneme.

Sondy, které použijeme k měření proudu a napětí nesmí v průběhu měření jakýmkoli způsobem ovlivňovat systém kvůli své vlastní časové prodlevě. V opačném případě pak budou výkonová měření zatížena chybami. Sondy je navíc zapotřebí demagnetizovat a offset nastavit na nulu. Pro zmiňovaná fázová nastavení sond RIGOL nabízí desku RPA246. Pokud tento nástroj využijeme, může být ve spojení s PC softwarem UPA osciloskop nastaven automaticky. Provádíme-li pak měření přímo na osciloskopu s jeho příslušnou aplikací, lze takový fázový rozdíl, který můžeme pozorovat s RPA246, opravit ručně prostřednictvím nabídky menu.

V případě napěťového měření je rozdílová sonda zapojena ke vstupu napájecího zdroje. Kladný vstup sondy vede k vnějšímu vodiči L, zatímco záporný vstup k vodiči N. Proudové kleště pak máme u zdroje napájení připojené k vnějšímu vodiči L – viz také obr. 2. Jako příklad nám zde na pozici spínaného systému poslouží měnič typu Flyback taktovaný na své primární straně.

S takovou konfigurací již dokážeme změřit kvalitu výkonu na vstupu. K výsledku se dopracujeme buď přímo na osciloskopu MSO5000 s příslušnou aplikací, nebo také na základě PC softwaru UPA. Kromě zdánlivého, činného a jalového výkonu jsou měřeny a zobrazovány i další parametry jako CF a fázový posun, stejně jako kmitočet střídavého napětí nebo efektivní hodnoty proudu a napětí – viz také obr. 3. Střídavé napětí zde máme vyneseno žlutou barvou, zatímco proud je vyznačen modře. Fialově pak bude graficky zachycen výkon jako výsledek součinu P = U × I.

Následující test se stejným uspořádáním již bude vyhrazen měření harmonických složek protékajícího proudu. PC software UPA nabízí různá měření pro třídy A, B, C a také D (posledně zmiňované se týká např. televizorů nebo počítačů, které mohou být provozovány maximálně s 600 watty). Bude tak možné brát v úvahu měření podle IEC 61000-3-2 a stanovit, zda spínaný zdroj napájení vyhovuje požadovaným limitním hodnotám dle zmíněného standardu, resp. zjistit, co je zapotřebí učinit k tomu, abychom získali oficiální schválení ke vstupu na trh. Zmiňovaný standard se vztahuje ke spínaným zdrojům napájení s proudem o velikosti až 16 A na jednu fázi. Takové požadavky je nutné sledovat proto, abychom minimalizovali vliv elektromagnetického rušení směřujícího od napájecího zdroje zpátky do sítě (tj. síťová zpětná vazba). Kromě grafického vyjádření máme jednotlivé harmonické složky změřeny a pro účely předběžného testování shody je rovněž k dispozici analýza typu vyhovuje – nevyhovuje (viz obr. 4).

Ještě jiná analýza s konfigurací dle obr. 2 spočívá v měření nárazového proudu tekoucího krátce filtračním kondenzátorem na vstupu obvodu po zapnutí spínaného zdroje napájení. Zmíněný proud je totiž nepoměrně vyšší než odběry, se kterými již počítáme při běžné činnosti. Abychom zabránili poškození obvodových součástek, bude nutné takový proud změřit a na základě výsledků vybrat citlivé součástky, které je zapotřebí přiměřeně chránit. Příp. též podnikneme kroky k tomu, abychom nárazový proud minimalizovali.

Pro účely testů, které následují, máme již sondy připojené k MOSFETu. Další test byl vyhrazen měření spínacího procesu. Rozdílová sonda je zapojena k tranzistoru tak, že kladný vývod směřuje k vývodu drain a záporný pak spojíme se sourcem. Proudové kleště pak připojíme rovněž za vývod source. MOSFET zde v průběhu pulzu spíná (ON), a to na základě řídicího napětí s pulzně-šířkovou modulací PWM, jinak je vypnutý (OFF). Obvod zajišťující modulaci PWM je spojen s hradlem tranzistoru. Když tedy MOSFET vede proud, bude napětí měřené mezi vývody drain a source takřka nulové. To znamená, že se průtok proudu zkoumaný klešťovým měřidlem stále zvyšuje a dodává energii primárnímu vinutí transformátoru. Cívkou na sekundární straně v tu samou chvíli nic neteče, protože zde máme pro usměrnění zapojenou diodu, která průtok proudu blokuje. Začne-li pak blokovat i tranzistor, bude mít mezi vývody drain a source docela vysoké napětí, které rozdílovou sondou rovněž dokážeme změřit, ale proud již nebude jeho obvodem téci. Polarita napětí je nyní u transformátoru obráceně a vinutím na sekundární straně protéká dále přes diodu proud. PC software UPA změří spínací kmitočet, stejně jako výkonovou ztrátu a také odpor mezi vývody drain a source v průběhu spínacího procesu. Proud a napětí jsou zobrazeny a doby zapnutí či vypnutí pak změřeny na základě napětí – viz také obr. 5.

S využitím stejného zapojení sond pak lze díky PC softwaru UPA provést i následující test. Bezpečná pracovní oblast SOA tranzistoru MOSFET může být zapracována díky jednoduché tabulce, takže bude možné zkontrolovat, zda MOSFET v našem zapojení pracuje v bezpečných podmínkách a nebude tudíž během své činnosti poškozen či zničen. Pro takové účely zde máme zobrazen diagram X-Y vycházející u osciloskopu z kanálu č. 1 pro napětí a kanálu č. 2 s proudem (uloženo s individuálně vytvořenou maskou pro SOA). Jakmile nejsou podmínky dodrženy, budou oblasti červeně označeny (platí jak pro diagram X-t, tak též X-Y).

V případě následujícího testu si vystačíme s rozdílovou sondou mezi drainem a hradlem MOSFETu. Vyřešíme tak analýzu modulačního signálu s PWM ve spojitosti s reakcemi proudu v průběhu fází zapnuto/vypnuto. Počítány a v jednotkách procent rovněž i specifikovány zde máme přesné šířky pulzu (kladná a záporná část), stejně jako doby zapnutí a také vypnutí. Kromě toho zde bude dále zobrazen i kmitočet signálu s pulzně-šířkovou modulací a jeho přepočet na periodu.

Na základě výstupů vestavěného generátoru průběhů AWG pak osciloskopy MSO5000 také nabídnou možnost vykreslování Bodeho diagramu, a to až do 25 MHz. Díky této funkci lze testovací signál s odpovídající šířkou pásma zavést do transformátoru s cílem ještě přesněji analyzovat kmitočtový rozsah ve spojitosti s přenášenou frekvencí. Pro zmíněné účely zavedeme budicí signál do prvního kanálu osciloskopu, stejně jako do transformátoru. Výstupní signál z transformátoru pak změříme na druhém kanálu osciloskopu. S těmito dvěma průběhy již bude možné v rámci příslušného kmitočtového rozsahu změřit a rovněž i zobrazit chování jak z pohledu zisku, tak i fáze – viz také obr. 6.

Poslední z našich testů souvisí se stejnosměrným výstupním napětím spínaného zdroje napájení. Jak jsme již předeslali, napětí bude za transformátorem s diodou opět usměrněno a díky elektrolytickým kondenzátorům ještě i vyhlazeno. Zvlnění, které zde zůstalo, lze na DC výstupu změřit s běžnou napěťovou sondou a poměrem 10 : 1. Zvlnění a také kmitočtové znázornění výstupního signálu sledujeme díky příslušné aplikaci přímo na osciloskopu MSO5000, příp. též prostřednictvím PC softwaru UPA.

Díky více než dvaceti rokům zkušeností s testováním a měřením zde může společnost RIGOL pro svou vynikající kvalitu nabízet jeden z nejlepších poměrů cena/výkon. A budou to především osciloskopy v řadách MSO5000, DS-MSO7000 a také MSO8000, které ve spojení s PC softwarem UPA nebo rozsáhlou nabídkou příslušenství značky RIGOL, kupříkladu sond, vytváří ideální řešení, třeba pro účely vývoje a optimalizace spínaných napájecích zdrojů. Ale nejen to. Se svou řadou DL3000 společnost RIGOL rovněž pamatuje na elektronické zátěže, takže testování výstupu spínaného zdroje napájení může dále pokračovat. Optimálně a s vysokou mírou přesnosti.