W poprzedniej części artykułu przedstawione zostały funkcje programu „Ultra Power Analyzer” wykorzystywane do prowadzenia podstawowej analizy jakości mocy. W niniejszym, ostatnim już odcinku cyklu o pomiarach i analizie mocy oscyloskopami Rigola i programem „Ultra Power Analyzer” opisano pomiary strat mocy przełączania, przedstawiono też specjalną funkcję sprawdzającą spełnienie warunku pracy w obszarze bezpiecznym dla tranzystora kluczującego. Kolejny pomiar pozwala oceniać działanie pętli sprzężenia zwrotnego stosowanego w zasilaczach impulsowych. Artykuł kończy opis pomiarów jakości napięcia wyjściowego zasilacza.
Autorzy programu „Ultra Power Analyzer” położyli duży nacisk na badanie przetwornic napięciowych, zasilaczy impulsowych itp. Urządzenia tego typu są coraz powszechniej stosowane nawet w sprzęcie powszechnego użytku, ale ich badanie jest trudne bez odpowiedniego oprogramowania i sprzętu pomiarowego. Dysponując minimalnym zestawem składającym się z oscyloskopu Rigola rodziny DS2000 i programu „Ultra Power Analyzer” można myśleć o realizacji takich zadań.
Pomiar strat przełączania
Elementem wykonawczym (przełączającym) w typowych przetwornicach napięciowych jest najczęściej tranzystor MOSFET sterowany impulsowo. Mimo pozornej prostoty działania – chodzi przecież „tylko” o przełączanie elementu ze stanu wyłączenia do stanu załączenia i odwrotnie – zachodzące w fazach przejściowych zjawiska są bardzo złożone i mogą mieć wpływ na działanie układu. Idealny klucz tranzystorowy w stanie włączenia powinien mieć zerową rezystancję dren-źródło, która z kolei w stanie wyłączenia powinna być nieskończenie duża. Zauważmy, że wydzielana na niej moc zależy od kwadratu płynącego przez nią prądu, więc nawet przy stosunkowo niewielkiej rezystancji straty mocy będą zauważalne. Nie do pominięcia są także straty mocy wynikające z niezerowego czasu przechodzenia tranzystora ze stanu wyłączenia do stanu włączenia. Pomiar takich strat nie jest łatwy, mamy bowiem do czynienia z bardzo dynamicznymi zjawiskami zachodzącymi w krótkich przedziałach czasu. Dodatkową trudność stanowi prawidłowe rozpoznawanie początku i końca każdej fazy przełączania, aby strat mocy przełączania nie łączyć np. ze statycznymi stratami mocy. W programie „Ultra Power Analyzer” fazę przełączania rozpoznaje się na podstawie przekraczania np. napięcia zdefiniowanego poziomu progowego.
Pomiar strat przełączania jest szczególnie wrażliwy na przesunięcia czasowe użytych sond. Dlatego przed rozpoczęciem pracy ważne jest staranne przeprowadzenie kalibracji „Deskew”. Dołączenie sond do przykładowej przetwornicy, której parametry będą mierzone, przedstawiono na rys. 16. Pomiar rozpoczyna się od wejścia na zakładkę „Power Device”. Do obliczeń potrzebne będą wartości kilku parametrów wejściowych, które należy wprowadzić w polach numerycznych znajdujących się po lewej stronie ekranu. Są to: częstotliwość przebiegu, liczba wyświetlanych na ekranie cykli przebiegu i poziomy przełączania dla napięcia i prądu. W zależności od ustawionej częstotliwości przebiegu po wprowadzeniu liczby cykli program pyta się czy ma automatycznie dobrać podstawę czasu. Jeśli odpowiedź będzie twierdząca, podstawa czasu zostaje automatycznie przełączona tak, aby na ekranie zmieściła się żądana liczba cykli. Co ciekawe, nastawa ta może przybierać nietypowe wartości, których nie można uzyskać pokrętłem oscyloskopu. Na rys. 17 widzimy na przykład, że dla wprowadzonej częstotliwości oraz liczby cykli podstawa czasu została przez program ustawiona na 4 ms/dz i tak też został przełączony oscyloskop.
Rys. 16. Schemat połączeń oscyloskopu i urządzenia badanego w pomiarze strat przełączania
Rys. 17. Wyniki pomiarów strat przełączania z nietypową dla oscyloskopu podstawą czasu
Procedura pomiarowa jest uruchamiana po zaznaczeniu pola „Power Device”. Jak zwykle wyświetlane są dodatkowe pouczenia i instrukcje. W zależności od wybranych parametrów wejściowych program „Ultra Power Analyzer” wykonuje do 40 obliczeń, których wyniki są umieszczane w tabeli pod oscylogramem. Definicje poszczególnych parametrów przedstawiono obrazowo na rys. 18. Obliczane są straty mocy i straty energii włączania (przedział t1…t2) i włączania (przedział t3…t4) oraz całkowite straty mocy i straty energii (przedział t1…t4). Straty są obliczane dla każdego cyklu. Liczba cykli branych pod uwagę jest zadeklarowana w parametrach wejściowych. Następnie wyznaczane są wartości minimalne, maksymalne i średnie. Te same obliczenia są powtarzane dla mocy i energii całkowitej. Na zakończenie określane są szybkości narastania i opadania zboczy impulsów przebiegu napięciowego (V/s) i prądowego (A/s). Czasami może zdarzyć się, że przy ustalonych parametrach wejściowych i nastawach oscyloskopu nie jest możliwe obliczenie niektórych parametrów. W tabeli są wówczas wyświetlane gwiazdki lub wartość „0”. Po wykonaniu pomiarów i obliczeń użytkownik, tradycyjnie już, może wyeksportować dane wynikowe w postaci pliku .CSV oraz wygenerować raport z pomiarów w formacie html.
Rys. 18. Definicje faz włączania i wyłączania tranzystora kluczującego: t1…t2 – włączanie, t3…t4 – wyłączanie
Wyznaczanie obszaru bezpiecznej pracy – SOA (Safe Operating Area)
Konstruktor projektujący przetwornice, zasilacze impulsowe itp., często musi podejmować trudne decyzje dotyczące doboru punktu pracy tranzystorów kluczujących MOSFET stosowanych w takich aplikacjach. Od zasilaczy oczekuje się dużej sprawności i wydajności prądowej, ale spełnienie tych wymogów może wiązać się z doborem warunków pracy tranzystora niemal na granicy jego możliwości. Przy braku dostatecznego marginesu bezpieczeństwa grozi to nieuchronnym zniszczeniem elementu i awarią zasilacza. Producenci tranzystorów MOSFET podają w dokumentacji wykres tzw. Safe Operating Area określający dopuszczalne relacje między prądem drenu a napięciem dren-źródło. Przykład takich charakterystyk przedstawiono na rys. 19. Wyjście poza obszar SOA, czyli dopuszczenie do przepływu prądu drenu większego od dopuszczalnej wartości dla danego napięcia dren-źródło może spowodować uszkodzenie elementu. Charakterystyka SOA zależy od temperatury i częstotliwości przełączania.
Rys. 19. Przykładowe charakterystyki obszaru bezpiecznej pracy tranzystorów MOSFET
Pomiar SOA rozpoczyna się po wejściu na zakładkę „SOA”. Jak można przypuszczać, przed rozpoczęciem pomiarów konieczne będzie wprowadzenie w jakiejś formie obszaru SOA zdefiniowanego np. na podstawie danych katalogowych. Można to zrobić na dwa sposoby. W pierwszym wykorzystujemy prosty edytor dostępny na zakładce „SOA” (rys. 20a). Kolejne punkty charakterystyki są definiowane przez wpisywanie odpowiednich wartości liczbowych w polach „V(V)” i „I(A)”, a następnie wprowadzenie ich do tabeli przyciskiem „==>”. Niestety, w edytorze tym nie ma możliwości korygowania pomyłek. Wygodniej więc definiuje się obszar SOA w dowolnym edytorze tekstowym. Przykład tak wprowadzonych danych przedstawiono na rys. 17b. Kolejne punkty charakterystyki są rozdzielane przecinkiem, znakiem tabulacji i znakiem nowej linii. Po skompletowaniu danych zapisuje się je w pliku z rozszerzeniem CSV. W programie „Ultra Power Analyzer” należy je zaimportować naciskając przycisk Import Mask.
Rys. 20. Definiowanie obszaru SOA: a) za pomocą prostego edytora programu „Ultra Power Analyzer”, b) w najprostszym zewnętrznym edytorze tekstowym
