Auf einen Blick

Im zweiten Teil des dreiteiligen Artikels geht es nun darum, wie sich verschiedene Rauschquellen und Ausgangsspannungs-Fehler in Schaltnetzteilen messen lassen. Außerdem wird beschrieben, wie man Signale mit einem Oszilloskop richtig abtastet, damit präzise Messungen möglich sind.

Der erste Teil widmete sich den Grundlagen einschließlich der benötigten Ausrüstung und beschrieb, wie eine Schaltung für das Prüfen vorbereitet wird. Außerdem wurde gezeigt, wie die Anlaufzeit, die Strombegrenzung und der Wirkungsgrad eines Netzteils präzise gemessen werden.

Präzise Rauschmessungen erfordern eine korrekte Signalabtastung

Will man Rauschsignale mithilfe eines Oszilloskops messen, muss man unbedingt sicherstellen, dass das gemessene Rauschen tatsächlich aus der Schaltung stammt und nicht etwa in das Oszilloskop eingestreut wird. Für eine präzise Messung sollte bei einem passiven Tastkopf eine möglichst kurze Masseverbindung verwendet werden, oder man benutzt einen aktiven/differenziellen Tastkopf mit Tastspitzen. Aktive Tastköpfe liefern im Allgemeinen die besten Ergebnisse. Ihre Maximalspannung ist jedoch unter Umständen kleiner als die zu messende Spannung. Außerdem ermöglichen einige aktive Tastköpfe nur eine begrenzte AC-Kopplung, was bei Rauschmessungen zu Schwierigkeiten führen kann. Ob ein aktiver Tastkopf für Messungen an Stromversorgungen geeignet ist, kann der Anleitung zum jeweiligen Produkt entnommen werden (Bild 1).

Bild 1: Bei Rauschmessungen sollten keine langen Masseverbindungen benutzt werden.

Bild 1: Bei Rauschmessungen sollten keine langen Masseverbindungen benutzt werden. Texas Instruments

Rauschen

Rauschen in Stromversorgungen kann viele Ursachen haben. Ebenso wie jeder Verstärker erzeugen auch alle Stromversorgungen ein gewisses Rauschen (zum Beispiel thermisches Rauschen), während das Rauschen in Schaltnetzteilen von den internen Schaltvorgängen hervorgerufen wird. Auch Linearregler erzeugen Rauschen, jedoch wird hierauf in diesem Artikel nicht eingegangen.

Im Interesse optimaler Ergebnisse muss ein Oszilloskop mit geeigneter Bandbreite und Abtastrate eingesetzt werden, kombiniert mit einem guten passiven oder aktiven Tastkopf. Anderenfalls kann eingestreutes Rauschen die Messwerte verfälschen. Bei Verwendung eines passiven Tastkopfs wird eine kurze Massefeder oder ein kurzer Massestift benötigt, und der Anschluss sollte direkt an einem Ausgangskondensator erfolgen. Keinesfalls sollte der Tastkopf selbst oder seine Masseverbindung in der Nähe einer Induktivität oder eines Übertragers angeschlossen werden, da magnetische Kopplungen in den Tastkopf auch hier Messfehler verursachen können. Das in Schaltnetzteilen auftretende Rauschen kann in zwei Kategorien eingeteilt werden: Welligkeit und transiente Schaltstörungen.

Messung von Lasttransienten

Bild 2: Lasttransienten werden durch schnelle Änderungen des Laststroms verursacht.

Bild 2: Lasttransienten werden durch schnelle Änderungen des Laststroms verursacht.Texas Instruments

Als Lasttransienten bezeichnet man die Einbrüche und/oder Überschwinger, die am Ausgang einer Stromversorgung zu beobachten sind, wenn sich der Laststrom plötzlich ändert (Bild 2).

Die Amplitude der Transienten wird von vielen Parametern (darunter auch die Regelschaltung) bestimmt. Großen Einfluss auf die Amplitude haben das Ausmaß der Stromänderung und die Änderungsrate. Um eine aussagefähige Messung zu erhalten, muss ein Worst-Case-Lastsprung einschließlich einer Anstiegsgeschwindigkeit definiert werden.

  • Stellen Sie die richtige Eingangsspannung ein und überzeugen Sie sich von der korrekten Polarität, bevor sie die Gleichstromversorgung mit Ihrer Schaltung verbinden.
  • Schließen Sie die dynamische Last an den Ausgang der Stromversorgung an und konfigurieren Sie die elektronische Last so, dass sie zwischen 10 und 90 Prozent des maximalen Ausgangsstroms wechselt (oder wählen Sie andere Werte, die für das jeweilige System als realistisch anzusehen sind). Stellen Sie das Schalt-Tastverhältnis auf 50 Prozent und die Schaltfrequenz auf einige hundert Kilohertz ein. Wählen Sie die Anstiegsgeschwindigkeit der elektronischen Last gemäß der Systemspezifikation oder entsprechend dem versorgten Verbraucher.
  • Schließen Sie das Oszilloskop an den Ausgangskondensator an und benutzen Sie dabei eine kurze Massefeder oder einen kurzen Massestift. Stellen Sie am Oszilloskop AC-Kopplung oder DC-Kopplung mit einem entsprechenden Offset ein. Wählen Sie den normalen Trigger-Modus und benutzen Sie die Bandbreitenbegrenzung des Oszilloskops, um ein saubereres Signal zu bekommen. Die Messung wird hierdurch vereinfacht.
  • Verbinden Sie die Stromversorgung mit dem Eingang.
  • Schalten Sie die Stromversorgung ein und stellen Sie die vertikale Verstärkung des Oszilloskops so ein, dass die positiven und negativen Spitzen gut gemessen werden können. Wählen Sie die normale Triggerung auf steigende Flanken, um die (bei plötzlicher Verringerung des Laststroms entstehenden) Überschwinger zu erfassen. Mit der Triggerung auf fallende Flanken lassen sich die Unterschwinger und Spannungseinbrüche aufzeichnen, die bei einer sprungförmigen Anhebung des Laststroms entstehen.
  • Notieren Sie die maximale beziehungsweise minimale Spannung und die Zeit, die verstreicht, bis die Spannung nur noch um 10 Prozent vom nominellen Wert abweicht. Hinweis: Auch wenn dies nicht unbedingt nötig ist, kann das Oszilloskop über den Triggerausgang der elektronischen Last (falls vorhanden) getriggert werden.

Eingangsspannungs-Transienten

Eingangsspannungs-Transienten nennt man die Einbrüche und/oder Überschwinger, die am Ausgang einer Stromversorgung zu beobachten sind, wenn sich die Eingangsspannung plötzlich ändert. Die Amplitude der Transienten wird von vielen Parametern (darunter auch die Regelschaltung) bestimmt. Großen Einfluss auf die Amplitude haben das Ausmaß der Spannungsänderung und die Änderungsrate. Um eine aussagefähige Messung zu erhalten, muss ein Worst-Case-Spannungssprung einschließlich einer Anstiegsgeschwindigkeit definiert werden.

  • Schließen Sie die dynamische Last an den Ausgang der Stromversorgung an und konfigurieren Sie die elektronische Last für den maximalen Ausgangsstrom.
  • Stellen Sie die DC-Stromversorgung so ein, dass sie zwischen der minimal und der maximal zu erwartenden Eingangsspannung wechselt. Dies kann manuell geschehen oder automatisch (wenn die Stromversorgung entsprechend ausgerüstet ist).
  • Verbinden Sie die Stromversorgung mit dem Eingang.
  • Schließen Sie das Oszilloskop an den Ausgangskondensator an und benutzen Sie dabei eine sehr kurze Massefeder oder einen Massestift. Stellen Sie am Oszilloskop AC-Kopplung oder DC-Kopplung mit einem entsprechenden Offset ein. Wählen Sie den normalen Trigger-Modus. Die Bandbreitenbegrenzung des Oszilloskops kann aktiviert werden, um ein saubereres Signal zu bekommen und die Messung zu vereinfachen.
  • Schalten Sie die Stromversorgung ein und stellen Sie die vertikale Verstärkung des Oszilloskops so ein, dass die positiven und negativen Spitzen gut gemessen werden können. Wählen Sie die normale Triggerung auf steigende Flanken, um die Überschwinger zu erfassen. Mit der Triggerung auf fallende Flanken lassen sich die Unterschwinger und Spannungseinbrüche aufzeichnen.
  • Notieren Sie die maximale beziehungsweise minimale Spannung und die Zeit, die verstreicht, bis die Spannung nur noch um 10 Prozent vom nominellen Wert abweicht.

Restwelligkeit

Bild 3: Welligkeit der Ausgangsspannung, dargestellt ohne Bandbreitenbegrenzung.

Bild 3: Welligkeit der Ausgangsspannung, dargestellt ohne Bandbreitenbegrenzung.Texas Instruments

Die Welligkeit der Ausgangsspannung entsteht durch das abwechselnde Laden und Entladen des Ausgangskondensators durch ein Schaltnetzteil und den angeschlossenen Verbraucher in den einzelnen Zyklen des Pulsweiten-Modulators (PWM). Die Frequenz des häufig dreieckförmigen Welligkeitssignals entspricht der des PWM-Oszillators (Bild 3).

  • Stellen Sie die richtige Eingangsspannung ein und überzeugen Sie sich von der korrekten Polarität, bevor sie die Gleichstromversorgung mit Ihrer Schaltung verbinden.
  • Verbinden Sie die DC-Stromversorgung mit dem Eingang.
  • Konfigurieren Sie die elektronische Last für die maximal zu erwartende Last und verbinden Sie sie mit dem Ausgang.
  • Aktivieren Sie die Bandbreitenbegrenzung des Oszilloskops, damit keine transienten Störungen gemessen werden (Bild 4).
  • Das Oszilloskop kann mit AC- oder DC-Kopplung (mit einer passenden Offsetspannung) betrieben werden.
  • Schalten Sie die DC-Stromversorgung ein.
  • Schließen Sie das Oszilloskop mit einem kurzen Massestift direkt an den Ausgangskondensator an, wählen Sie den normalen Trigger-Modus und stellen Sie den Triggerpegel auf die Mitte der Wellenform ein.
  • Messen und notieren Sie die Scheitelwerte der Wellenform ohne irgendwelche hochfrequenten Spitzen (diese werden im nächsten Abschnitt gemessen).
  • Notieren Sie die Frequenz des Signals.
Bild 4: Mit aktivierter Bandbreitenbegrenzung ist es einfacher, die Welligkeit der Ausgangsspannung zu messen.

Bild 4: Mit aktivierter Bandbreitenbegrenzung ist es einfacher, die Welligkeit der Ausgangsspannung zu messen.Texas Instruments

Transiente Schaltstörungen

Transiente Schaltstörungen sind jene Störungen, die durch die Zustandsänderungen der PWM-Schalter hervorgerufen werden. Es handelt sich dabei um höherfrequente Spitzen oder eine Folge von Spitzen, die häufig den Verlauf einer gedämpften Sinuswelle haben (Bild 3). Diese Störtransienten können Hochfrequenzstörungen innerhalb eines Systems verursachen und/oder EMI-Probleme hervorrufen, die jedoch nicht Thema dieser Artikelserie sind.

Nicht vergessen werden darf, dass auch die elektronische Last selbst Rauschen erzeugen kann, das sich zu dem am Ausgang des Prüflings vorhandenen Rauschen addieren kann. Außerdem können Störungen von außen in die Verbindungsleitungen zum Ausgang des Prüflings einstreuen, wodurch mehr Rauschen gemessen wird als eigentlich vorhanden ist. Aus diesem Grund kann es wünschenswert sein, die transienten Schaltstörungen mithilfe eines Widerstands zu messen, der mit sehr kurzen Zuleitungen an den Ausgang angeschlossen ist. Zu beachten ist, dass bei abgeklemmter Systemlast möglicherweise mehr Rauschen gemessen wird als wenn die Last mit Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren angeschlossen ist.

  • Stellen Sie die richtige Eingangsspannung ein und überzeugen Sie sich von der korrekten Polarität, bevor sie die Gleichstromversorgung mit Ihrer Schaltung verbinden.
  • Verbinden Sie die DC-Stromversorgung mit dem Eingang.
  • Konfigurieren Sie die elektronische Last für die maximal zu erwartende Last und verbinden Sie sie mit dem Ausgang.
  • Schalten Sie die Stromversorgung ein.
  • Schließen Sie das Oszilloskop mit einem kurzen Massestift direkt an den Ausgangskondensator an, wählen Sie den normalen Trigger-Modus und stellen Sie den Triggerpegel auf die Mitte der Wellenform ein. Vergewissern Sie sich, dass keine Bandbreitenbegrenzung aktiv ist.
  • Messen und notieren Sie die Maximal- und Minimalwerte (Maxima mit Triggerung auf positive Flanken; Minima mit Triggerung auf negative Flanken).

Seien Sie sich der Tatsache bewusst, dass auch mit den besten Tastköpfen und Abtastverfahren immer ein gewisses Maß an hochfrequenten Störungen in den Tastkopf gekoppelt wird, sodass das Messergebnis schlechter ausfällt als es den tatsächlichen Verhältnissen entspricht.

Schaltsignal

Es ist immer sinnvoll, das Signal am Schaltknoten eines Schaltnetzteils zu untersuchen. Dabei ist insbesondere zu überprüfen, dass die dort gemessene Spannung weder über einem vorgegebenen Höchstwert noch unter einem bestimmten Mindestwert liegt. Diese Grenzwerte werden in der Regel durch das Power-IC beziehungsweise im Fall eines Power-Controllers durch den/die externen Transistor(en) bestimmt.

  • Stellen Sie die richtige Eingangsspannung ein und überzeugen Sie sich von der korrekten Polarität, bevor sie die Gleichstromversorgung mit Ihrer Schaltung verbinden.
  • Verbinden Sie die Tastkopfmasse mit dem richtigen Bezugspunkt und achten Sie unbedingt darauf, die Last vom Oszilloskop zu isolieren, wenn sich der Bezugspunkt nicht auf Massepotenzial befindet. Im Interesse maximaler Genauigkeit ist es immer sinnvoll, eine sehr kurze Masseverbindung zu verwenden.
  • Schalten Sie die Stromversorgung ein.
  • Stellen Sie am Oszilloskop die Triggerung auf positive Flanken ein und schalten Sie jegliche Bandbreitenbegrenzung ab.
  • Messen und notieren Sie die höchste positive Spannung am Schaltknoten.
  • Stellen Sie am Oszilloskop die Triggerung auf negative Flanken ein.
  • Messen und notieren Sie die kleinste negative Spannung am Schaltknoten.

Thermische Prüfungen

Thermische Prüfungen und das Wärmemanagement insgesamt verdienen eine gesonderte Erläuterung. Deshalb sollen hier zunächst nur ein paar einfache Möglichkeiten beschrieben werden, die Temperaturen von Bauelementen in einem Netzteil zu bestimmen.

Temperaturfühler: Bimetall-Temperaturfühler mit zugehörigem Messgerät ermöglichen exakte Temperaturmessungen, die bei Verwendung von Wärmeleitpaste unter normalen Betriebsbedingungen durchgeführt werden können. Häufig sind hierfür nur minimale Änderungen an den mechanischen Strukturen des Systemgehäuses erforderlich. Die genauen Einzelheiten sind dem Handbuch des jeweiligen Temperaturmessers zu entnehmen.

Infrarot-Temperaturfühler: IR-Temperaturfühler sind ein kosteneffektives Hilfsmittel, um Aussagen über die ungefähre Temperatur einer Schaltung zu bekommen. Genauere Temperaturmessungen müssen dagegen möglicherweise mit einem Bimetall-Temperaturfühler oder einer Wärmebildkamera durchgeführt werden.

Wärmebilder: Die Wärmebild-Technik mag zwar kostspieliger sein, liefert dafür aber eindeutige Informationen über die Temperaturverhältnisse auf einer Leiterplatte. Dieses Verfahren ist insgesamt die beste Möglichkeit, ein Gefühl für die Hot Spots auf einer Platine zu bekommen. Allerdings kommt es nicht infrage, wenn sich die Leiterplatte in einem Gehäuse befindet. Zur Durchführung exakter Messungen innerhalb eines Gehäuses ist stattdessen ein Temperaturfühler häufig die beste Wahl.

Im dritten Teil dieser Artikelserie widmen wir uns der Stabilität von Stromversorgungen und der Frage, wie diese gemessen werden kann. Darüber hinaus wird die Phasen- und Amplitudenreserve eines Regelkreises besprochen und gezeigt, wie sich diese beiden Parameter aus einem Bode-Diagramm ablesen lassen.