Spitze-zu-Spitze-Ausgangsspannungsmessungen von Schaltnetzteilen
Dieser Artikel wurde von Magna-Power Electronics verfasst und ursprünglich in der Ausgabe Vol. 1 No. 2, Juni 2014, des IEEE Power Electronics Magazine veröffentlicht.
Schaltnetzteile verwenden Leistungshalbleiter, um zwischen leitenden und nicht leitenden Zuständen zu schalten. 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 Rückstrom-Erholungszeit entstehen. Die Reduzierung der Amplitude von Schalt-Spannungstransienten ist schwierig und hängt von der sorgfältigen Platzierung niederimpedanter Kondensatoren ab, die physisch 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 bewirkt die interne Streukapazität, dass die Ausgangsklemmen hauptsächlich bei der Schaltfrequenz in ihrer Spannung gegenüber Masse variieren. Kondensatoren zwischen den Ausgangsklemmen und Masse helfen, diese Spannungen zu reduzieren, sind jedoch wie Schalttransienten schwer zu beherrschen.
Die Messung von Schalttransienten bei hohen Gleichtaktspannungen erfordert ein Oszilloskop und eine Sonde mit ausreichender Bandbreite zur Messung schneller transienter Signale bei hoher Gleichtaktunterdrückung. Zweitens, und noch wichtiger, ist die Technik zur Signalzuführung zum Oszilloskop. Oszilloskopsonden mit herkömmlichen Masseleitungen können nicht verwendet werden. Die durch den Masseklippenanschluss an den Ausgangsklemmen des Netzteils gebildete Fläche bildet eine Schleife, die für magnetische Streufelder anfällig ist. Magnetfelder, die durch di/dt in den Ausgangssammelschienen und 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 die physische Messvorrichtung, die bei Magna-Power Electronics verwendet wird. Die Messvorrichtung 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 ordnungsgemäßen Messung der Spitze-zu-Spitze-Ausgangsspannung ist es hilfreich, zunächst eine Gleichtaktmessung durchzuführen, indem die BNC-Verbindung kurzgeschlossen und eine Leitung vom Netzteil entfernt wird. Resultierende fehlerhafte Signale können durch Anpassung des Gleichtaktfilters und physische Bewegung der Leitungen zum Oszilloskop minimiert werden.
Magna-Power Electronics hat historisch die Position vertreten, keine Grenzwerte für die Spitze-zu-Spitze-Ausgangsspannung zu veröffentlichen; stattdessen spezifizieren wir die Effektivwert-Ausgangsspannungswelligkeit. Die Spitze-zu-Spitze-Ausgangsspannungsmessung erfordert einen Messaufbau, der für Kunden schwer zu replizieren ist.
