Utilisation d'un oscilloscope numérique pour mesurer une alimentation à découpage
Les alimentations sont disponibles dans une grande variété de types et de tailles, depuis les alimentations analogiques traditionnelles jusqu'aux alimentations à découpage à haut rendement. Ils sont tous confrontés à des environnements de travail complexes et dynamiques. Les charges et les exigences des équipements peuvent changer considérablement en un instant. Même les alimentations à découpage « quotidiennes » doivent être capables de résister à des pics instantanés qui dépassent largement leurs niveaux de fonctionnement moyens. Les ingénieurs qui conçoivent des alimentations ou des systèmes qui utiliseront des alimentations doivent comprendre comment l’alimentation fonctionne dans des conditions statiques ainsi que dans les pires conditions.
Dans le passé, caractériser le comportement d'une alimentation électrique impliquait de mesurer le courant et la tension de repos avec un multimètre numérique et d'effectuer des calculs minutieux avec une calculatrice ou 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 les mesures dynamiques. Les utilisateurs peuvent personnaliser les paramètres clés, automatiser les calculs et voir les résultats en quelques secondes, et pas seulement les données brutes.
Problèmes de conception de l'alimentation électrique et leurs exigences de mesure
Idéalement, chaque alimentation devrait se comporter comme le modèle mathématique pour lequel elle a été conçue. Mais dans le monde réel, les composants sont défectueux, les charges peuvent changer, les alimentations peuvent se déformer et les changements environnementaux peuvent altérer les performances. De plus, l’évolution des exigences en matière de performances et de coûts rend également la conception de l’alimentation électrique plus complexe. Considérez ces questions :
Combien de watts de puissance l’alimentation peut-elle supporter au-delà de sa puissance nominale ? Combien de temps ça peut durer ? Quelle quantité de chaleur une alimentation dissipe-t-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 la tension de sortie nominale ? Comment l'alimentation réagit-elle à un court-circuit complet en 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 rigoureux peut permettre aux ingénieurs d’atteindre ces objectifs.
Oscilloscope et mesures de puissance
Pour ceux qui sont habitués à effectuer des mesures à large bande passante avec un oscilloscope, les mesures d'alimentation peuvent être simples en raison de leur fréquence relativement basse. En fait, la mesure de puissance présente de nombreux défis auxquels les concepteurs de circuits à grande vitesse n'ont jamais à faire face.
L'ensemble de l'appareillage peut être à haute tension et « flottant », c'est-à-dire non relié à la terre. La largeur d'impulsion, la période, la fréquence et le rapport cyclique du signal changeront tous. La forme d'onde doit être capturée et analysée fidèlement pour trouver toute anomalie dans la forme d'onde. C’est exigeant pour l’oscilloscope. Sondes multiples – Des sondes asymétriques, des sondes différentielles et des sondes de courant sont toutes nécessaires. 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 il peut être nécessaire de capturer différents signaux avec des amplitudes très variables en une seule acquisition.
Bases de l'alimentation à découpage
L'architecture d'alimentation CC dominante dans la plupart des systèmes modernes est l'alimentation à découpage (alimentation à découpage), bien connue pour sa capacité à gérer efficacement les charges changeantes. Le chemin du signal de puissance d'une alimentation à découpage typique comprend des composants passifs, des composants actifs et des composants magnétiques. Les alimentations à découpage utilisent le moins de composants avec perte possible (tels que des résistances et des transistors linéaires) et utilisent principalement (idéalement) des composants sans perte : transistors de commutation, condensateurs et composants magnétiques.
L'équipement d'alimentation à découpage comprend également une partie de commande, qui comprend un régulateur à modulation de largeur d'impulsion, un régulateur à modulation de fréquence d'impulsion, ainsi qu'une boucle de rétroaction 1 et d'autres composants. La section de contrôle 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, comprenant 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 des temps de commutation courts et peuvent résister à des pointes de tension instables. Tout aussi important, ils consomment très peu d’énergie, sont très efficaces et génèrent peu de chaleur, qu’ils soient allumés ou éteints. Les appareils de commutation déterminent dans une large mesure les performances globales d'une alimentation à découpage. Les principales mesures des appareils de commutation comprennent : la perte de commutation, la perte de puissance moyenne, la zone de fonctionnement sûre et autres.
