การใช้ออสซิลโลสโคปแบบดิจิตอลเพื่อวัดแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
พาวเวอร์ซัพพลายมีหลายประเภทและขนาด ตั้งแต่พาวเวอร์ซัพพลายแบบอะนาล็อกแบบดั้งเดิมไปจนถึงพาวเวอร์ซัพพลายแบบสวิตชิ่งประสิทธิภาพสูง พวกเขาทั้งหมดเผชิญกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่ซับซ้อนและมีชีวิตชีวา ปริมาณและความต้องการของอุปกรณ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากในทันที แม้แต่อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง "ทุกวัน" ก็ต้องสามารถทนต่อจุดสูงสุดที่เกิดขึ้นทันทีซึ่งเกินกว่าระดับการทำงานโดยเฉลี่ยอย่างมาก วิศวกรที่ออกแบบแหล่งจ่ายไฟหรือระบบที่จะใช้แหล่งจ่ายไฟจำเป็นต้องเข้าใจวิธีการทำงานของแหล่งจ่ายไฟภายใต้สภาวะคงที่ตลอดจนภายใต้สภาวะที่เลวร้ายที่สุด
ในอดีต การระบุลักษณะการทำงานของแหล่งจ่ายไฟหมายถึงการวัดกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่นิ่งด้วยมัลติมิเตอร์แบบดิจิทัล และทำการคำนวณอย่างอุตสาหะด้วยเครื่องคิดเลขหรือพีซี ปัจจุบัน วิศวกรส่วนใหญ่หันมาใช้ออสซิลโลสโคปเป็นแพลตฟอร์มการวัดพลังงานที่พวกเขาชื่นชอบ ออสซิลโลสโคปสมัยใหม่สามารถติดตั้งซอฟต์แวร์การวัดและวิเคราะห์พลังงานในตัว ทำให้การตั้งค่าง่ายขึ้นและทำให้การวัดแบบไดนามิกง่ายขึ้น ผู้ใช้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์หลัก คำนวณอัตโนมัติ และดูผลลัพธ์ในไม่กี่วินาที ไม่ใช่แค่ข้อมูลดิบ
ปัญหาการออกแบบแหล่งจ่ายไฟและข้อกำหนดในการวัด
ตามหลักการแล้ว แหล่งจ่ายไฟทุกตัวควรทำงานเหมือนกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ได้รับการออกแบบ แต่ในโลกแห่งความเป็นจริง ส่วนประกอบต่างๆ มีข้อบกพร่อง โหลดสามารถเปลี่ยนแปลงได้ อุปกรณ์จ่ายไฟสามารถบิดเบือนได้ และการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมอาจทำให้ประสิทธิภาพการทำงานเปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและต้นทุนยังทำให้การออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายซับซ้อนมากขึ้น พิจารณาคำถามเหล่านี้:
แหล่งจ่ายไฟสามารถรักษาพลังงานไว้เกินกำลังพิกัดได้กี่วัตต์? มันสามารถอยู่ได้นานแค่ไหน? แหล่งจ่ายไฟกระจายความร้อนได้เท่าใด? จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมันร้อนเกินไป? ต้องใช้ลมเย็นเท่าไหร่? จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อกระแสโหลดเพิ่มขึ้นอย่างมาก? อุปกรณ์สามารถรักษาแรงดันไฟขาออกที่กำหนดได้หรือไม่? แหล่งจ่ายไฟตอบสนองต่อการลัดวงจรที่สมบูรณ์ที่เอาต์พุตอย่างไร จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของแหล่งจ่ายไฟเปลี่ยนแปลง?
นักออกแบบจำเป็นต้องพัฒนาแหล่งจ่ายไฟที่ใช้พื้นที่น้อยลง ลดความร้อน ลดต้นทุนการผลิต และตรงตามมาตรฐาน EMI/EMC ที่เข้มงวดยิ่งขึ้น มีเพียงระบบการวัดที่เข้มงวดเท่านั้นที่สามารถช่วยให้วิศวกรบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ได้
ออสซิลโลสโคปและการวัดกำลัง
สำหรับผู้ที่คุ้นเคยกับการวัดแบนด์วิธสูงด้วยออสซิลโลสโคป การวัดแหล่งจ่ายไฟอาจทำได้ง่ายเนื่องจากมีความถี่ค่อนข้างต่ำ ในความเป็นจริง มีความท้าทายมากมายในการวัดกำลังที่นักออกแบบวงจรความเร็วสูงไม่เคยต้องเผชิญ
สวิตช์เกียร์ทั้งหมดอาจมีไฟฟ้าแรงสูงและ "ลอย" นั่นคือไม่ได้เชื่อมต่อกับกราวด์ ความกว้างพัลส์ คาบ ความถี่ และรอบการทำงานของสัญญาณจะเปลี่ยนไปทั้งหมด ต้องจับรูปคลื่นและวิเคราะห์อย่างเที่ยงตรงเพื่อค้นหาความผิดปกติใดๆ ในรูปคลื่น นี่เป็นความต้องการออสซิลโลสโคป โพรบหลายตัว – โพรบปลายเดียว โพรบดิฟเฟอเรนเชียล และโพรบกระแสล้วนจำเป็น เครื่องมือต้องมีหน่วยความจำขนาดใหญ่เพื่อให้พื้นที่บันทึกสำหรับผลลัพธ์การรับความถี่ต่ำในระยะยาว และอาจจำเป็นต้องจับสัญญาณที่แตกต่างกันซึ่งมีแอมพลิจูดที่แตกต่างกันอย่างมากในการได้มาเพียงครั้งเดียว
พื้นฐานของการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง
สถาปัตยกรรมพลังงาน DC ที่โดดเด่นในระบบสมัยใหม่ส่วนใหญ่คือแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง) ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีในด้านความสามารถในการจัดการกับโหลดที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างมีประสิทธิภาพ เส้นทางสัญญาณไฟของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ และส่วนประกอบแม่เหล็ก แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งใช้ส่วนประกอบที่สูญเสียน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (เช่น ตัวต้านทานและทรานซิสเตอร์เชิงเส้น) และส่วนใหญ่จะใช้ส่วนประกอบที่ไม่มีการสูญเสีย (ตามหลักการแล้ว) ได้แก่ ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ตัวเก็บประจุ และส่วนประกอบแม่เหล็ก
อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งยังมีส่วนควบคุม ซึ่งรวมถึงตัวควบคุมการมอดูเลตความกว้างพัลส์ ตัวควบคุมการมอดูเลตความถี่พัลส์ และลูปป้อนกลับ 1 และส่วนประกอบอื่นๆ ส่วนควบคุมอาจมีแหล่งจ่ายไฟของตัวเอง รูปที่ 1 เป็นแผนผังอย่างง่ายของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ซึ่งแสดงส่วนการแปลงพลังงาน รวมถึงอุปกรณ์แอคทีฟ อุปกรณ์พาสซีฟ และส่วนประกอบแม่เหล็ก
เทคโนโลยีการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งเซมิคอนดักเตอร์กำลัง เช่น ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กออกไซด์ของโลหะ (MOSFET) และทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) อุปกรณ์เหล่านี้มีเวลาเปลี่ยนสั้นและสามารถทนต่อแรงดันไฟกระชากที่ไม่เสถียรได้ ที่สำคัญไม่แพ้กันคือใช้พลังงานน้อยมาก มีประสิทธิภาพสูง และสร้างความร้อนต่ำ ไม่ว่าจะอยู่ในสถานะเปิดหรือปิด อุปกรณ์สวิตชิ่งจะกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งในระดับสูง การวัดค่าหลักของอุปกรณ์สวิตชิ่งได้แก่: การสูญเสียการสวิตชิ่ง การสูญเสียพลังงานโดยเฉลี่ย พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย และอื่นๆ
