Messung von Rippel und Rauschen bei Netzteilen
Schaltnetzteile verwenden Leistungshalbleiter, die zwischen leitendem und nicht-leitendem Zustand wechseln. Zusammen mit passiven Filtern können Wellenformen unterschiedlicher Größenordnung erzeugt werden, indem die Ein-/Aus-Perioden der Schaltzustände definiert werden. Eine effiziente Leistungsumwandlung erfordert Schaltperioden in der Größenordnung von 25 bis 500 ns, die unerwünschte Spannungstransienten an den Ausgangsklemmen des Netzteils erzeugen. Weitere Transienten können durch Siliziumdioden während der Rückwärtserholungszeit des Stroms entstehen. Die Reduzierung der Amplitude von Schaltspannungstransienten ist schwierig und erfordert eine sorgfältige Platzierung von niederohmigen Kondensatoren, die physisch direkt an den Ausgangsanschlüssen des Netzteils angebracht sind. Die Messung dieser Transienten erfordert einen speziellen Aufbau, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
Neben den Herausforderungen von Differenzmessungen kann elektrisches Gleichtaktrauschen den Messprozess zusätzlich erschweren. Bei Netzteilen mit galvanisch getrennten Ausgängen bewirken interne Streukapazitäten, dass die Ausgangsklemmen in ihrer Spannung gegenüber Masse variieren, hauptsächlich bei der Schaltfrequenz. Kondensatoren zwischen den Ausgangsklemmen und Masse helfen, diese Spannungen zu reduzieren, sind aber wie Schalttransienten schwer zu beherrschen.
Die Messung von Schalttransienten bei hohen Gleichtaktspannungen erfordert ein Oszilloskop und eine Sonde mit ausreichender Bandbreite, um schnelle transiente Signale mit hoher Gleichtaktunterdrückung zu messen. Zweitens, und noch wichtiger, ist die Technik der Signalzuführung zum Oszilloskop. Oszilloskopsonden mit herkömmlichen Masseleitungen können nicht verwendet werden. Die durch die Masseklipverbindung zu den Ausgangsklemmen des Netzteils gebildete Fläche bildet eine Schleife, die für magnetische Streufelder empfindlich ist. Magnetfelder, die durch di/dt in den Ausgangssammelschienen und den Leitungen zur Last erzeugt werden, können den Messwert erheblich verfälschen; die Messwerte können um mehrere Größenordnungen fehlerhaft sein.
Abbildung 1 zeigt die elektrische Messmethode und die EMI-Quellen. Abbildung 2 zeigt den physischen Prüfaufbau, der bei Magna-Power Electronics verwendet wird. Der Prüfaufbau nutzt den Masseanschluss an der Sondenspitze, eine kurze BNC-Verbindung zu den Ausgangssammelschienen und einen integrierten koaxialen Gleichtaktfilter im Sondenkabel. Selbst bei den Maßnahmen zur korrekten Messung der Spitze-Spitze-Ausgangsspannung ist es hilfreich, zunächst eine Gleichtaktmessung durchzuführen, indem die BNC-Verbindung kurzgeschlossen und eine Leitung vom Netzteil entfernt wird. Verbleibende Störsignale können durch Anpassung des Gleichtaktfilters und physische Neupositionierung der Leitungen zum Oszilloskop minimiert werden.
Magna-Power Electronics hat traditionell die Position vertreten, keine Grenzwerte für die Spitze-Spitze-Ausgangsspannung zu veröffentlichen; stattdessen spezifizieren wir den Effektivwert der Ausgangsspannungswelligkeit. Die Messung der Spitze-Spitze-Ausgangsspannung erfordert einen Aufbau, der für Kunden schwer zu replizieren ist.
