วิธีการวัดสวิตชิ่งพาวเวอร์ซัพพลายด้วยออสซิลโลสโคปแบบดิจิตอล
พาวเวอร์ซัพพลายมีหลายประเภทและขนาด ตั้งแต่พาวเวอร์ซัพพลายแบบอะนาล็อกแบบดั้งเดิมไปจนถึงพาวเวอร์ซัพพลายแบบสวิตชิ่งประสิทธิภาพสูง พวกเขาทั้งหมดต้องเผชิญกับสภาพแวดล้อมการทำงานที่ซับซ้อนและมีชีวิตชีวา ปริมาณและความต้องการอุปกรณ์สามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมากในทันที แม้แต่แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง "ทุกวัน" ก็สามารถทนต่อจุดสูงสุดชั่วขณะได้ดีกว่าระดับการทำงานโดยเฉลี่ย วิศวกรที่ออกแบบแหล่งจ่ายไฟหรือแหล่งจ่ายไฟเพื่อใช้ในระบบจำเป็นต้องเข้าใจวิธีการทำงานของแหล่งจ่ายไฟภายใต้สภาวะคงที่ตลอดจนสภาวะที่เลวร้ายที่สุด
ในอดีต การระบุลักษณะการทำงานของแหล่งจ่ายไฟหมายถึงการวัดกระแสและแรงดันไฟฟ้าที่นิ่งด้วยมัลติมิเตอร์แบบดิจิทัล และทำการคำนวณอย่างอุตสาหะด้วยเครื่องคิดเลขหรือพีซี ปัจจุบัน วิศวกรส่วนใหญ่หันมาใช้ออสซิลโลสโคปเป็นแพลตฟอร์มการวัดพลังงานที่พวกเขาชื่นชอบ ออสซิลโลสโคปสมัยใหม่สามารถติดตั้งซอฟต์แวร์การวัดและวิเคราะห์พลังงานในตัว ทำให้การตั้งค่าง่ายขึ้นและทำให้การวัดแบบไดนามิกง่ายขึ้น ผู้ใช้สามารถปรับแต่งพารามิเตอร์หลัก คำนวณอัตโนมัติ และดูผลลัพธ์ในไม่กี่วินาที ไม่ใช่แค่ข้อมูลดิบ
ปัญหาการออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายและความต้องการในการวัด
ตามหลักการแล้ว แหล่งจ่ายไฟทุกตัวควรทำงานเหมือนกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ได้รับการออกแบบมา แต่ในโลกแห่งความเป็นจริง ส่วนประกอบมีข้อบกพร่อง โหลดอาจแตกต่างกัน อุปกรณ์จ่ายไฟสามารถบิดเบี้ยวได้ และการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมอาจทำให้ประสิทธิภาพการทำงานเปลี่ยนแปลงไป นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพและต้นทุนทำให้การออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายมีความซับซ้อน พิจารณาคำถามเหล่านี้:
แหล่งจ่ายไฟสามารถรักษาไว้เกินกำลังพิกัดได้กี่วัตต์ มันสามารถอยู่ได้นานแค่ไหน? แหล่งจ่ายไฟกระจายความร้อนได้เท่าใด? จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมันร้อนเกินไป? ต้องใช้ลมเย็นเท่าไหร่? จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อกระแสโหลดเพิ่มขึ้นอย่างมาก? อุปกรณ์สามารถรักษาแรงดันไฟขาออกที่กำหนดได้หรือไม่? แหล่งจ่ายไฟจะจัดการกับการลัดวงจรที่เอาท์พุตได้อย่างไร? จะเกิดอะไรขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าขาเข้าของแหล่งจ่ายไฟเปลี่ยนแปลง?
นักออกแบบจำเป็นต้องพัฒนาแหล่งจ่ายไฟที่ใช้พื้นที่น้อยลง ลดความร้อน ลดต้นทุนการผลิต และตรงตามมาตรฐาน EMI/EMC ที่เข้มงวดยิ่งขึ้น มีเพียงระบบการวัดที่เข้มงวดเท่านั้นที่สามารถช่วยให้วิศวกรบรรลุเป้าหมายเหล่านี้ได้
ออสซิลโลสโคปและการวัดกำลัง
สำหรับผู้ที่คุ้นเคยกับการวัดแบนด์วิธสูงด้วยออสซิลโลสโคป การวัดแหล่งจ่ายไฟสามารถทำได้ตรงไปตรงมาเนื่องจากมีความถี่ที่ค่อนข้างต่ำ ในความเป็นจริง มีความท้าทายมากมายในการวัดกำลังที่นักออกแบบวงจรความเร็วสูงไม่เคยต้องเผชิญ
สวิตช์เกียร์ทั้งหมดอาจเป็นไฟฟ้าแรงสูงและ "ลอย" นั่นคือไม่ได้เชื่อมต่อกับกราวด์ ความกว้างพัลส์ คาบ ความถี่ และรอบการทำงานของสัญญาณอาจแตกต่างกันไป รูปคลื่นจะต้องถูกจับและวิเคราะห์อย่างเที่ยงตรงเพื่อตรวจจับความผิดปกติในรูปคลื่น นี่เป็นความต้องการออสซิลโลสโคป โพรบหลายตัว—ต้องใช้โพรบปลายเดี่ยว เฟืองดิฟเฟอเรนเชียล และโพรบกระแสในเวลาเดียวกัน เครื่องมือจะต้องมีหน่วยความจำขนาดใหญ่เพื่อให้พื้นที่บันทึกสำหรับผลการรับความถี่ต่ำในระยะยาว และอาจจำเป็นต้องจับสัญญาณที่แตกต่างกันซึ่งมีแอมพลิจูดต่างกันอย่างมากในการได้มาเพียงครั้งเดียว
พื้นฐานการสลับแหล่งจ่ายไฟ
สถาปัตยกรรมพลังงาน DC ที่โดดเด่นในระบบสมัยใหม่ส่วนใหญ่คือแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง (แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง) ซึ่งขึ้นชื่อในด้านความสามารถในการจัดการโหลดที่แตกต่างกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ เส้นทางสัญญาณพลังงานของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งทั่วไปประกอบด้วยส่วนประกอบแบบพาสซีฟ ส่วนประกอบที่ทำงานอยู่ และส่วนประกอบแม่เหล็ก แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งใช้ส่วนประกอบที่สูญเสียน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (เช่น ตัวต้านทานและทรานซิสเตอร์เชิงเส้น) และส่วนประกอบที่ไม่มีการสูญเสียเป็นส่วนใหญ่ (ตามหลักการแล้ว) ได้แก่ ทรานซิสเตอร์สวิตชิ่ง ตัวเก็บประจุ และแม่เหล็ก
อุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตชิ่งยังมีส่วนควบคุม ซึ่งรวมถึงตัวควบคุมการมอดูเลตความกว้างพัลส์ ตัวควบคุมการมอดูเลตความถี่พัลส์ และลูปป้อนกลับ 1 และส่วนประกอบอื่นๆ ส่วนควบคุมอาจมีแหล่งจ่ายไฟของตัวเอง รูปที่ 1 เป็นแผนผังอย่างง่ายของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง ซึ่งแสดงส่วนการแปลงพลังงาน รวมถึงอุปกรณ์แอคทีฟ อุปกรณ์พาสซีฟ และส่วนประกอบแม่เหล็ก
เทคโนโลยีการจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งใช้อุปกรณ์สวิตชิ่งเซมิคอนดักเตอร์กำลัง เช่น ทรานซิสเตอร์สนามแม่เหล็กออกไซด์ของโลหะ (MOSFET) และทรานซิสเตอร์แบบไบโพลาร์เกตแบบหุ้มฉนวน (IGBT) อุปกรณ์เหล่านี้มีเวลาเปลี่ยนสั้นและสามารถทนต่อแรงดันไฟกระชากที่ไม่แน่นอนได้ ที่สำคัญไม่แพ้กันคือใช้พลังงานน้อยมากทั้งในสถานะเปิดและปิด มีประสิทธิภาพสูงและสร้างความร้อนต่ำ อุปกรณ์สวิตชิ่งส่วนใหญ่จะกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง การวัดที่สำคัญเกี่ยวกับอุปกรณ์สวิตชิ่งได้แก่: การสูญเสียการสวิตชิ่ง, การสูญเสียพลังงานโดยเฉลี่ย, พื้นที่การทำงานที่ปลอดภัย และอื่นๆ
