วิธีการวัดสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลายด้วยออสซิลโลสโคปแบบดิจิตอล
ตั้งแต่พาวเวอร์ซัพพลายแบบอะนาล็อกแบบดั้งเดิมไปจนถึงพาวเวอร์ซัพพลายแบบสวิตชิ่งที่มีประสิทธิภาพ ประเภทและขนาดของพาวเวอร์ซัพพลายมีความแตกต่างกันอย่างมาก พวกเขาทั้งหมดเผชิญกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่ซับซ้อนและมีชีวิตชีวา ปริมาณและความต้องการอุปกรณ์อาจเกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในทันที แม้แต่แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง "รายวัน" ก็ต้องสามารถทนต่อจุดสูงสุดที่เกิดขึ้นทันทีซึ่งเกินระดับการทำงานโดยเฉลี่ยอย่างมาก วิศวกรที่ออกแบบแหล่งจ่ายไฟหรือระบบเพื่อใช้แหล่งจ่ายไฟจำเป็นต้องเข้าใจสภาพการทำงานของแหล่งจ่ายไฟภายใต้สภาวะคงที่และกรณีที่เลวร้ายที่สุด
ในอดีต การอธิบายคุณลักษณะเชิงพฤติกรรมของแหล่งพลังงานหมายถึงการใช้มัลติมิเตอร์แบบดิจิทัลในการวัดกระแสคงที่และแรงดันไฟฟ้า และทำการคำนวณที่ยากลำบากโดยใช้เครื่องคิดเลขหรือพีซี ปัจจุบัน วิศวกรส่วนใหญ่หันมาใช้ออสซิลโลสโคปเป็นแพลตฟอร์มการวัดพลังงานที่พวกเขาชื่นชอบ ออสซิลโลสโคปสมัยใหม่สามารถติดตั้งซอฟต์แวร์การวัดและการวิเคราะห์พลังงานในตัว ทำให้การตั้งค่าง่ายขึ้นและทำให้การวัดแบบไดนามิกง่ายขึ้น ผู้ใช้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์หลัก คำนวณโดยอัตโนมัติ และดูผลลัพธ์ได้ภายในไม่กี่วินาที แทนที่จะเป็นเพียงข้อมูลดิบ
ปัญหาการออกแบบแหล่งจ่ายไฟและข้อกำหนดการวัด
ตามหลักการแล้ว แหล่งจ่ายไฟแต่ละตัวควรทำงานเหมือนกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ออกแบบมาเพื่อมัน แต่ในโลกแห่งความเป็นจริง ส่วนประกอบต่างๆ มีข้อบกพร่อง โหลดสามารถเปลี่ยนแปลงได้ แหล่งจ่ายไฟอาจผิดเพี้ยน และการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมอาจทำให้ประสิทธิภาพการทำงานเปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและต้นทุนอย่างต่อเนื่องยังทำให้การออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายซับซ้อนมากขึ้น พิจารณาประเด็นเหล่านี้:
แหล่งจ่ายไฟสามารถรักษากำลังไฟเกินกำลังพิกัดได้กี่วัตต์ มันสามารถอยู่ได้นานแค่ไหน? แหล่งจ่ายไฟปล่อยความร้อนเท่าใด? จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมันร้อนเกินไป? ต้องใช้ลมเย็นเท่าไหร่? จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อกระแสโหลดเพิ่มขึ้นอย่างมาก? อุปกรณ์สามารถรักษาแรงดันไฟขาออกที่กำหนดได้หรือไม่? แหล่งจ่ายไฟตอบสนองต่อการลัดวงจรที่สมบูรณ์ที่ปลายเอาต์พุตอย่างไร จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของแหล่งจ่ายไฟเปลี่ยนแปลง?
นักออกแบบจำเป็นต้องพัฒนาแหล่งจ่ายไฟที่ใช้พื้นที่น้อยลง ลดความร้อน ลดต้นทุนการผลิต และตรงตามมาตรฐาน EMI/EMC ที่เข้มงวดยิ่งขึ้น มีเพียงระบบการวัดที่เข้มงวดเท่านั้นที่สามารถช่วยให้วิศวกรบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ได้
การวัดออสซิลโลสโคปและแหล่งจ่ายไฟ
สำหรับผู้ที่คุ้นเคยกับการใช้ออสซิลโลสโคปในการวัดแบนด์วิธสูง การวัดกำลังอาจทำได้ง่ายเนื่องจากความถี่ค่อนข้างต่ำ ในความเป็นจริง ยังมีความท้าทายมากมายที่นักออกแบบวงจรความเร็วสูงไม่เคยต้องเผชิญในการวัดกำลัง
แรงดันไฟฟ้าของสวิตช์เกียร์ทั้งหมดอาจสูงและลอยอยู่ ซึ่งหมายความว่าไม่ได้ต่อสายดิน ความกว้างพัลส์ คาบ ความถี่ และรอบการทำงานของสัญญาณจะแตกต่างกันไป จำเป็นต้องจับภาพและวิเคราะห์รูปคลื่นตามความเป็นจริง และตรวจจับความผิดปกติใดๆ ในรูปคลื่น ข้อกำหนดสำหรับออสซิลโลสโคปเป็นที่ต้องการ โพรบหลายตัว - ต้องใช้โพรบปลายเดียว โพรบดิฟเฟอเรนเชียล และโพรบกระแสไฟฟ้าพร้อมกัน เครื่องมือจะต้องมีหน่วยความจำขนาดใหญ่เพื่อให้พื้นที่บันทึกสำหรับผลการรับความถี่ต่ำในระยะยาว และอาจจำเป็นต้องจับสัญญาณที่แตกต่างกันโดยมีความแตกต่างของแอมพลิจูดที่มีนัยสำคัญในการได้มาเพียงครั้งเดียว
พื้นฐานของการสลับพาวเวอร์ซัพพลาย
สถาปัตยกรรมแหล่งจ่ายไฟ DC กระแสหลักในระบบที่ทันสมัยที่สุดคือแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (SMPS) ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในด้านความสามารถในการรับมือกับโหลดที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ เส้นทางสัญญาณไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ และส่วนประกอบแม่เหล็ก แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งควรลดการใช้ส่วนประกอบที่สูญเสีย เช่น ตัวต้านทานและทรานซิสเตอร์เชิงเส้นให้เหลือน้อยที่สุด และใช้ส่วนประกอบที่ไม่มีการสูญเสีย (ตามหลักการ) เป็นหลัก เช่น ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ตัวเก็บประจุ และส่วนประกอบแม่เหล็ก
อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งยังมีส่วนควบคุม ซึ่งรวมถึงส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวควบคุมการมอดูเลตความกว้างพัลส์ ตัวควบคุมการมอดูเลตความถี่พัลส์ และลูปป้อนกลับ 1 ส่วนควบคุมอาจมีแหล่งจ่ายไฟของตัวเอง รูปที่ 1 เป็นแผนผังอย่างง่ายของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ซึ่งแสดงส่วนการแปลงพลังงาน รวมถึงอุปกรณ์แอคทีฟ อุปกรณ์พาสซีฟ และส่วนประกอบแม่เหล็ก
เทคโนโลยีการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งเซมิคอนดักเตอร์กำลัง เช่น ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กออกไซด์ของโลหะ (MOSFET) และทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) อุปกรณ์เหล่านี้มีเวลาเปลี่ยนสั้นและสามารถทนต่อแรงดันไฟกระชากที่ไม่เสถียรได้ ที่สำคัญไม่แพ้กันคือใช้พลังงานน้อยมากทั้งในสถานะเปิดและปิด โดยมีประสิทธิภาพสูงและสร้างความร้อนต่ำ อุปกรณ์สวิตชิ่งส่วนใหญ่จะกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของสวิตชิ่งจ่ายไฟ การวัดค่าหลักของอุปกรณ์สวิตช์ ได้แก่: การสูญเสียการสลับ การสูญเสียพลังงานโดยเฉลี่ย พื้นที่ทำงานที่ปลอดภัย และอื่นๆ
