Cómo probar fuentes de alimentación conmutadas
Si trabaja con fuentes de alimentación conmutadas, probablemente esté buscando mejorar la eficiencia, aumentar la densidad de potencia y la fiabilidad, cumplir con las normativas de compatibilidad electromagnética (EMC), mejorar la integridad del riel de alimentación y reducir la temperatura. Esto implica muchos aspectos a considerar, y toda esta optimización del diseño puede aumentar el tiempo de prueba. En este blog, explicaré cómo probar fácilmente sus fuentes de alimentación conmutadas con un osciloscopio y ahorrar tiempo en el laboratorio. Este blog explica paso a paso cómo realizar pruebas en la entrada, las fases de conmutación y la salida.
Una breve descripción general de las fuentes de alimentación
El propósito principal de una fuente de alimentación es producir de manera eficiente energía CC bien regulada y con bajo nivel de ruido desde un riel de alimentación de entrada.
Las fuentes de alimentación lineales solían ser el estándar. Sus ventajas son su bajo nivel de ruido y su bajo requerimiento de filtrado. Sin embargo, su desventaja es que solo se pueden usar para reducir la potencia. Son ineficientes y costosas. Además, pueden ser grandes, voluminosas y generar mucho calor.
La tendencia de la industria hacia formatos más pequeños, la incorporación de mayor funcionalidad en nuestros dispositivos, la reducción de la temperatura y la reducción de costos, han impulsado el mercado hacia el uso de fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes son más eficientes que las fuentes lineales. Permiten obtener mayor potencia en encapsulados más pequeños. También son más versátiles, ya que permiten reducir o aumentar la potencia y utilizarse para conversiones CA-CC y CC-CC. La desventaja es que presentan un nivel de ruido o rizado de salida relativamente alto.
Dependiendo de la parte del diseño en la que esté trabajando, es posible que mire la fuente de alimentación de modo conmutado de manera integral o que solo le preocupe una parte de la fuente de alimentación: la entrada, la conmutación o la salida.
El lado de entrada convierte y filtra la tensión de entrada (normalmente una tensión de línea de CA de 110 V en EE. UU. o 220 V en otras regiones). Si le preocupa principalmente la entrada de su fuente de alimentación, probablemente se centrará en la calidad de la energía, los armónicos de corriente y la corriente de entrada. La Figura 1 muestra un ejemplo de cómo conectaría el osciloscopio y las sondas si estuviera probando la entrada de su fuente de alimentación.
Figura 1. Cómo sondear el lado de entrada de su SMPS para una prueba de calidad de energía
Tras la entrada, la señal pasa a la parte principal de la fuente de alimentación, el transistor de conmutación. Este regula el voltaje mediante el ciclo de trabajo, es decir, el tiempo que permanece encendido o apagado. Si esta es la parte de la fuente de alimentación en la que se centra, le preocuparán las pérdidas de potencia, el análisis de modulación, la velocidad de respuesta y la zona de operación segura. La Figura 2 muestra un ejemplo de cómo conectaría el osciloscopio y las sondas si estuviera probando la parte de conmutación de la fuente.
Figura 2. Cómo sondear el transistor de conmutación de su fuente de alimentación de conmutación (SMPS) para analizar la pérdida de conmutación y la velocidad de respuesta.
Tras el transistor de conmutación, la señal se filtra y rectifica de nuevo, obteniendo una salida de CC escalonada que se utiliza para alimentar el resto del dispositivo. Si se centra en la salida de la fuente de alimentación, deberá prestar atención a la ondulación de salida, el tiempo de encendido y apagado, la respuesta transitoria, la tasa de rechazo de la fuente de alimentación y la eficiencia. La Figura 3 muestra un ejemplo de cómo conectaría el osciloscopio y las sondas para probar la salida de la fuente.
Figura 3. Cómo sondear la salida de su SMPS para una prueba de ondulación de salida
Un osciloscopio es la herramienta más común para realizar mediciones de suministro de energía, ya que puede conectar una sonda de voltaje y una sonda de corriente para calcular la potencia.
P = IV
Otra razón por la que los osciloscopios son una gran herramienta para caracterizar fuentes de alimentación son las aplicaciones de análisis que pueden ejecutarse en ellos, lo que hace que las pruebas sean mucho más eficientes.
Mediciones de potencia de entrada paso a paso - Análisis de la calidad de la energía
Para realizar un seguimiento de su osciloscopio InfiniiVision, descargue una prueba gratuita del paquete de aplicaciones de potencia https://connectlp.keysight.com/Free-SW-Trial-Oscilloscopes
Siga estos pasos para analizar la calidad de la energía en la entrada de su SMPS:
- Siempre es una buena idea borrar cualquier configuración existente de pruebas anteriores seleccionando Configuración predeterminada.
- Pulse Analizar y seleccione la aplicación Energía. Ahora podrá ver la lista completa de aplicaciones de energía compatibles con el paquete de aplicaciones de energía de InfiniiVision. Seleccione la calidad de la energía.
- Conecte sus sondas
- Conecte una sonda de tensión diferencial y una sonda de corriente a la entrada de la fuente de alimentación. Consulte la Figura 1.
- Seleccione el menú Señales. Dado que el osciloscopio calculará la potencia a partir de las mediciones de corriente y voltaje, verifique que los canales estén asignados en el osciloscopio de acuerdo con la forma en que conectó las sondas.
- En este punto, también puedes elegir cuántos ciclos quieres ver. Normalmente elijo entre 5 y 20, según lo que necesite analizar.
- Ahora, simplemente seleccione Configuración automática y vea los resultados de calidad de energía presionando Aplicar
Figura 5. Medición de la calidad de la potencia de entrada
Dado que estoy usando una aplicación de potencia, el osciloscopio escala automáticamente la señal de forma adecuada para aprovechar todos los bits del osciloscopio para realizar mediciones precisas y configura el cálculo de la forma de onda; en este caso, es V*I para obtener potencia instantánea.
La aplicación también calculará otros parámetros de potencia, como la potencia aparente (S), la potencia reactiva (Q), el factor de potencia (PF) y el ángulo de fase (ø).
La principal ventaja de tener una aplicación de medición de potencia automatizada es que todos estos datos se calculan automáticamente con solo presionar un botón (Aplicar), por lo que no pierde tiempo haciendo cálculos con lápiz o papel ni teniendo que extraer los resultados de las mediciones de voltaje y corriente para calcular la calidad de la energía en una computadora.
Medición de fase de conmutación paso a paso: medición de pérdida de conmutación
Perderá energía principalmente durante las fases de conmutación del transistor cuando se enciende y se apaga, y durante la fase de conducción cuando el voltaje está en el mínimo saturado del transistor y fluye la corriente.
Para comprobar si las pérdidas son aceptables, siga estos pasos para realizar una medición de pérdida de conmutación:
- Siempre es una buena idea borrar cualquier configuración existente de pruebas anteriores seleccionando Configuración predeterminada
- Pulse Analizar y seleccione la aplicación de Energía. Ahora puede ver la lista completa de aplicaciones de energía compatibles con el paquete de aplicaciones de energía de InfiniiVision. Seleccione la medición de Pérdida de Conmutación.
- Conecte sus sondas
1. Connect a differential voltage probe and current probe around your pulse width modulator/transistor. See Figure 2
2. Choose the Signals menu. Double-check that the channels are assigned on the scope to match how you’ve connected the probes. Also, choose the number of cycles you’d like to view – for this example, 2
4. Presione AutoSetup y Aplicar
Figura 6. Medición de pérdida de potencia
Puede ver dos ciclos de conmutación en la vista superior y una vista ampliada de un ciclo en la vista inferior. También verá todas las mediciones de pérdida de potencia calculadas y mostradas a la derecha.
Puede hacer zoom para ver cada fase: la conducción, la conmutación y la fase de no conducción.
La forma de onda violeta es potencia instantánea.
Medición de potencia de salida paso a paso: análisis de la ondulación de salida
La ondulación de salida, o las mediciones de integridad del riel de alimentación, son especialmente importantes si se utiliza un dispositivo digital de alta velocidad. El ruido en el riel de alimentación puede causar fluctuaciones de fase e incertidumbre de sincronización, afectando así la validez de la transmisión de la señal digital. La ondulación de salida suele estar dominada por el ruido de conmutación, pero también puede incluir otros ruidos aleatorios y acoplamiento de señales de diversas fuentes en el sistema. Esta prueba mide la calidad de la regulación y el filtrado de voltaje de la fuente de alimentación para rechazar el ruido de conmutación, así como otras fuentes de ruido/interferencia.
Para configurar esta prueba, siga pasos de configuración similares a los anteriores:
- Borre cualquier configuración existente de pruebas anteriores seleccionando Configuración predeterminada
- Pulse Analizar y seleccione la aplicación Potencia. Seleccione Ondulación de salida.
- Conecte sus sondas
- Conecte una sonda de voltaje a la salida de la fuente de alimentación. Consulte la Figura 3.
- Seleccione el menú Señales. Compruebe que el voltaje esté asignado al canal al que ha conectado la sonda.
- Presione AutoSetup y Aplicar
Figura 8. Medición de la ondulación de salida
Además de las tres mediciones que explico paso a paso en este blog, puede usar la aplicación de potencia InfiniiVision para probar la corriente de entrada, la resistencia efectiva de su transistor de conmutación, la modulación y la velocidad de respuesta. También puede medir la respuesta transitoria, la eficiencia, la relación de rechazo de la fuente de alimentación y la respuesta del lazo de control.
Puede usar estas mediciones para cuantificar y optimizar sus diseños en la entrada, la conmutación y la salida de su fuente de alimentación. Aprenda más sobre la medición de fuentes de alimentación conmutadas en este webcast . Descargue una prueba gratuita del paquete de aplicaciones de potencia para probarlo usted mismo: https://connectlp.keysight.com/Free-SW-Trial-Oscilloscopes