Méthode de mesure de l'alimentation à découpage avec un oscilloscope numérique
Des alimentations analogiques traditionnelles aux alimentations à découpage efficaces, les types et les tailles d'alimentation varient considérablement. Ils sont tous confrontés à des environnements de travail complexes et dynamiques. La charge et la demande des équipements peuvent subir des changements importants en un instant. Même une alimentation à découpage « quotidienne » doit être capable de résister à des pics instantanés qui dépassent largement son niveau de fonctionnement moyen. Les ingénieurs qui conçoivent des alimentations ou des systèmes destinés à utiliser des alimentations doivent comprendre les conditions de fonctionnement de l’alimentation dans des conditions statiques et dans les pires cas.
Dans le passé, décrire les caractéristiques comportementales des sources d'énergie impliquait l'utilisation d'un multimètre numérique pour mesurer le courant et la tension statiques, ainsi que la réalisation de calculs fastidieux à l'aide d'une calculatrice ou d'un PC. Aujourd'hui, la plupart des ingénieurs se tournent vers les oscilloscopes comme plate-forme de mesure de puissance préférée. Les oscilloscopes modernes peuvent être équipés d'un logiciel intégré de mesure et d'analyse de puissance, simplifiant ainsi la configuration et facilitant la mesure dynamique. Les utilisateurs peuvent personnaliser les paramètres clés, calculer automatiquement et voir les résultats en quelques secondes, plutôt que de se contenter de données brutes.
Problèmes de conception de l’alimentation électrique et exigences de mesure
Idéalement, chaque alimentation devrait fonctionner comme le modèle mathématique conçu pour elle. Mais dans le monde réel, les composants sont défectueux, les charges peuvent changer, l’alimentation électrique peut être déformée et les changements environnementaux peuvent altérer les performances. De plus, les exigences en constante évolution en matière de performances et de coûts rendent également la conception des alimentations plus complexe. Considérez ces problèmes :
Combien de watts de puissance l’alimentation peut-elle maintenir au-delà de sa puissance nominale ? Combien de temps cela peut-il durer ? Quelle quantité de chaleur l’alimentation émet-elle ? Que se passe-t-il en cas de surchauffe ? Quel débit d’air de refroidissement faut-il ? Que se passe-t-il lorsque le courant de charge augmente considérablement ? L'appareil peut-il maintenir sa tension de sortie nominale ? Comment l'alimentation réagit-elle à un court-circuit complet à l'extrémité de sortie ? Que se passe-t-il lorsque la tension d'entrée de l'alimentation change ?
Les concepteurs doivent développer des alimentations qui occupent moins de place, réduisent la chaleur, réduisent les coûts de fabrication et répondent aux normes EMI/EMC plus strictes. Seul un système de mesure strict peut permettre aux ingénieurs d’atteindre ces objectifs.
Mesure d'oscilloscope et d'alimentation
Pour ceux qui sont habitués à utiliser un oscilloscope pour des mesures à large bande passante, la mesure de puissance peut être simple car sa fréquence est relativement basse. En fait, il existe également de nombreux défis auxquels les concepteurs de circuits à grande vitesse n’ont jamais à faire face en matière de mesure de puissance.
La tension de l'ensemble du tableau peut être élevée et flottante, ce qui signifie qu'il n'est pas mis à la terre. La largeur d'impulsion, la période, la fréquence et le rapport cyclique du signal varient tous. Il est nécessaire de capturer et d’analyser fidèlement la forme d’onde et de détecter toute anomalie dans la forme d’onde. Les exigences relatives aux oscilloscopes sont exigeantes. Plusieurs sondes – nécessitant simultanément des sondes asymétriques, des sondes différentielles et des sondes de courant. L'instrument doit disposer d'une grande mémoire pour fournir un espace d'enregistrement pour les résultats d'acquisition basse fréquence à long terme. Et cela peut nécessiter la capture de différents signaux présentant des différences d’amplitude significatives en une seule acquisition.
Principes fondamentaux de l'alimentation à découpage
L'architecture d'alimentation CC courante dans la plupart des systèmes modernes est une alimentation à découpage (SMPS), bien connue pour sa capacité à gérer efficacement les charges changeantes. Le chemin du signal électrique d'une alimentation à découpage typique comprend des composants passifs, des composants actifs et des composants magnétiques. Les alimentations à découpage doivent minimiser l'utilisation de composants avec perte tels que des résistances et des transistors linéaires, et utiliser principalement (idéalement) des composants sans perte tels que des transistors de commutation, des condensateurs et des composants magnétiques.
Le dispositif d'alimentation à découpage comporte également une partie de commande, qui comprend des composants tels qu'un régulateur de modulation de largeur d'impulsion, un régulateur de modulation de fréquence d'impulsion et une boucle de rétroaction 1. La section de commande peut avoir sa propre alimentation. La figure 1 est un diagramme schématique simplifié d'une alimentation à découpage, qui montre la partie conversion de puissance, y compris les dispositifs actifs, les dispositifs passifs et les composants magnétiques.
La technologie d'alimentation à découpage utilise des dispositifs de commutation de puissance à semi-conducteurs tels que les transistors à effet de champ à oxyde métallique (MOSFET) et les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT). Ces appareils ont un temps de commutation court et peuvent résister à des pointes de tension instables. Tout aussi important, ils consomment très peu d’énergie tant à l’état ouvert que fermé, avec un rendement élevé et une faible génération de chaleur. Les appareils de commutation déterminent en grande partie les performances globales des alimentations à découpage. Les principales mesures des appareils de commutation comprennent : la perte de commutation, la perte de puissance moyenne, la zone de travail sûre, etc.
