La méthode de mesure de l'alimentation à découpage avec un oscilloscope numérique
Les alimentations sont disponibles dans une grande variété de types et de tailles, depuis les alimentations de type analogique traditionnelles jusqu'aux alimentations à découpage à haut rendement. Ils doivent tous faire face à un environnement de travail complexe et dynamique. Les charges et les exigences des équipements peuvent changer radicalement en un instant. Même une alimentation à découpage « quotidienne » peut résister à des pics momentanés bien supérieurs à son niveau de fonctionnement moyen. Les ingénieurs qui conçoivent une alimentation électrique ou une alimentation électrique destinée à être utilisée dans un système doivent comprendre comment l’alimentation électrique 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 l'oscilloscope 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 d’alimentation électrique et leurs besoins 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 varier, les alimentations électriques peuvent être déformées et les changements environnementaux peuvent altérer les performances. En outre, l'évolution des exigences en matière de performances et de coûts compliquent la conception de l'alimentation électrique. Considérez ces questions :
Combien de watts l’alimentation peut-elle supporter au-delà de sa puissance nominale ? Combien de temps cela peut-il durer ? Quelle quantité de chaleur l’alimentation dissipe-t-elle ? Que se passe-t-il en cas de surchauffe ? De combien de débit d’air de refroidissement a-t-il besoin ? 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 électrique gère-t-elle un court-circuit sur la 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 sur une large bande passante avec un oscilloscope, les mesures d'alimentation peuvent être simples en raison de leurs fréquences relativement basses. 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 connecté à la terre. La largeur d'impulsion, la période, la fréquence et le rapport cyclique du signal peuvent varier. Les formes d'onde doivent être capturées et analysées fidèlement pour détecter les anomalies dans la forme d'onde. C’est exigeant pour l’oscilloscope. Plusieurs sondes : des sondes asymétriques, différentielles et de courant sont nécessaires en même temps. 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 différentes en une seule acquisition.
Notions de base sur l'alimentation à découpage
L'architecture d'alimentation CC dominante dans la plupart des systèmes modernes est l'alimentation à découpage (alimentation à découpage), connue pour sa capacité à gérer efficacement diverses charges. 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 principalement (idéalement) des composants sans perte : transistors de commutation, condensateurs et composants magnétiques.
Le dispositif 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 et 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, montrant la section de 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 pics de tension irréguliers. Tout aussi important, ils consomment très peu d’énergie tant à l’état allumé qu’éteint, sont très efficaces et génèrent peu de chaleur. Les appareils de commutation déterminent en grande partie les performances globales d'une alimentation à découpage. Les mesures clés sur les appareils de commutation comprennent : la perte de commutation, la perte de puissance moyenne, la zone de fonctionnement sûre, etc.
