Auf einen Blick

Das Design von Stromversorgungen hat sich über viele Jahre kaum verändert; was sich aber geändert hat, ist die Qualität der verwendeten Bauelemente und die Möglichkeit diese Qualität zu messen und zu analysieren. Die Grundlagen der Leistungsmessung sind zwar einfach, für genaue und wiederholbare Messungen dieser Elemente sowie der nachfolgenden Analyse sind jedoch inzwischen spezielle Messinstrumente erforderlich. Diese kombinieren modernste Hardware in der Form genauer und stabiler Tastköpfe mit einer leistungsfähigen Analysesoftware.

Obwohl in Stromversorgungen immer häufiger integrierte digitale Leistungsmanagementlösungen eingesetzt werden, sind nach wie vor große, diskrete Leistungsbauelemente, wie Induktivitäten, Leistungstransistoren und Transformatoren erforderlich. Diese haben entscheidenden Einfluss auf die Leistung und den Wirkungsgrad einer Stromversorgung, während integrierte Leistungsmanagementbauteile zwar eine solide Grundlage für das Design bilden, aber das Gesamtdesign nur wenig beeinflussen.

Allgemein stehen die Entwickler unter einem stetigen Druck, den Stromverbrauch ihrer Designs zu senken, obwohl gleichzeitig der Energiebedarf kontinuierlich steigt. Dementsprechend müssen die Stromversorgungen eine immer höhere Ausgangsleistung und Leistungsdichte erreichen, zudem sollte der Platzbedarf reduziert und eine möglichst geringe oder gar keine Kühlung erforderlich sein.

Der Weg, um diese Ziele zu erreichen, liegt nicht nur im Wirkungsgrad des Designs, sondern auch im Wirkungsgrad der verwendeten Bauelemente. Die dazu notwendigen Informationen sind nicht allein aus dem Datenblatt ablesbar: Induktivitäten verhalten sich unter statischen und dynamischen Bedingungen entsprechend der Grundprinzipien der Elektronik, so dass Laständerungen das Verhalten der Stromversorgung entscheidend beeinflussen können. Die Messung und Charakterisierung der verwendeten Bauelemente ist deshalb ebenfalls wichtig, damit die in moderne Stromversorgungen gesetzten Anforderungen erfüllt werden können.

Messgrundlagen

Bild 1: Mittels DPOPWR erstelltes B-H-Kurvendiagramm.

Bild 1: Mittels DPOPWR erstelltes B-H-Kurvendiagramm. Tektronix

Stromversorgungen sind im Hinblick auf ihr Design und ihre Funktionalität einzigartig, da die darin genutzten Bauelemente gleichermaßen den elektrischen als auch den magnetischen Gesetzmäßigkeiten folgen. Deshalb ist die Charakterisierung der elektrisch-magnetischen Bauelemente entscheidend für die Entwicklung einer effizienten Stromversorgung.

In dieser Hinsicht sind besonders Bauelemente, die bei Spannungs- und Stromänderungen ein induktives Verhalten zeigen, interessant. Mit einem geeigneten Messinstrument lassen sich die Spannungs- und Strommesswerte in Kombination mit grundlegenden Informationen über das betreffende Bauelement nutzen, um wichtige Parameter zu berechnen. Hierzu gehört der induktive Leistungsverlust, der mit den Angaben des Herstellers im Datenblatt verglichen werden kann, um den Kupferverlust abzuleiten. Außerdem können die Messungen verwendet werden, um die magnetische Flussdichte (B) und magnetische Feldstärke (H) zu untersuchen und ein B-H-Diagramm zu generieren. Diese Merkmale sind von der physikalischen Charakteristik des induktiven Bauelements abhängig. Die Untersuchung und Messung der Änderungen (falls vorhanden) dieser Merkmale ist ein wichtiger Aspekt bei der Bauelementauswahl und im Stromversorgungsdesign.

Bild 2: Darstellung des sicheren Betriebsbereichs (SOA) eines Transistors.

Bild 2: Darstellung des sicheren Betriebsbereichs (SOA) eines Transistors. Tektronix

Halbleiter-Bauelemente in Stromversorgungen, besonders die in Schaltnetzteilen verwendeten Transistoren, können ebenfalls deutlich zum allgemeinen Energieverlust beitragen, da sie bei jedem Ein- und Ausschalten einen Verlust verursachen. Die Entwicklung eines leistungseffizienten Designs erfordert deshalb die Entdeckung und Optimierung dieser Verluste. Hierzu ist unter anderem zu gewährleisten, dass die Schalttransistoren immer innerhalb des sicheren Arbeitsbereiches (SOA) arbeiten. Diese Information lässt sich normalerweise aus dem Bauteildatenblatt des Herstellers entnehmen. Die Sicherstellung (durch das Design) und die Überprüfung (durch Messung), dass ein Transistor in seinem SOA bleibt, sind für einen effizienten Betrieb entscheidend.

Die Möglichkeit, Spannung und Strom genau zu messen und diese Daten schnell und wiederholbar zu analysieren, ist damit ein wichtiger Aspekt für die Entwicklung einer effizienten Stromversorgung.

Input-Analyse

Grundsätzlich ist die Leistung eine Funktion von Spannung und Strom; bei der Analyse kommt bei dieser Gleichung die Zeit hinzu. Das Instrument, das die meisten Ingenieure für Messungen im Zeitbereich verwenden, ist das Oszilloskop. Folglich ist ein für die Durchführung von Leistungsmessungen erweitertes Oszilloskop das perfekte Werkzeug für die Entwicklung von Stromversorgungen.

Bild 3: Mixed-Signal-Oszilloskop von Tektronix mit DPOPWR-Anwendung.

Bild 3: Mixed-Signal-Oszilloskop von Tektronix mit DPOPWR-Anwendung.Tektronix

Im Grunde genommen erfolgt die Messung von Spannung und Strom mit einem Oszilloskop über zwei separate Tastköpfe: ein Spannungstastkopf (oft ein differenzieller Hochspannungs-Tastkopf) und ein Stromtastkopf. Es ist wichtig, Skew und Offset zwischen den beiden Tastköpfen zu kompensieren. Ein für eine Leistungsanalyse gut geeignetes Oszilloskop wird dies automatisch erledigen. Ein Beispiel hierfür sind die Mixed-Signal-Oszilloskope von Tektronix und besonders die Geräte mit der DPOPWR-Anwendung. Dies ist eine Software mit Leistungsanalysefunktionen, die eng mit den Spannungs-/Strom-Tastköpfen zusammenarbeiten.

Durch diese Tastköpfe kann ein Oszilloskop mittels der DPOPWR-Software alle der in diesem Artikel erwähnten grundlegenden Messungen durchführen und berechnen. Außerdem ist es möglich, einige wichtige zusätzliche Charakterisierungen und Optimierungen auf Systemebene ausführen, wie eine Input-/Output-Analyse.

Da ein Schaltnetzteil (SMPS) eine nicht-lineare Last für das Stromnetz darstellt, ist der Verlauf der Eingangsspannung und des Stroms nicht identisch; dadurch ergeben sich Oberschwingungen. Die Messung der Strom-Oberschwingungen ist ein wichtiger Teil der Input-Analyse, da dies eine Abschätzung der Auswirkungen einer Stromversorgung auf das Stromnetz ermöglicht.

Die durch einen nichtlinearen Betrieb verursachten Strom-Oberschwingungen können auf Bauelemente der Stromversorgung zurückzuführen sein, die Stoßströme beim Ein- und Ausschalten verursachen. Dies kann aber auch eine Folge von Spannungsschwankungen sein, die vielleicht von anderen SMPSs stammen, die an der gleichen Versorgungsleitung hängen. Messungen zur Beurteilung der Leistungsqualität, wie Oberschwingungen und die Gesamtleistungsqualität können mit der DPOPWR-Software in Kombination mit einem differenziellen Spannungs- und einem Stromtastkopf berechnet werden.

Output-Analyse

Der effiziente Betrieb eines Schaltnetzteils lässt sich durch eine Messung der Auswirkungen auf die Eingangsversorgung prüfen, wird aber normalerweise nur über die Qualität des Ausgangs qualifiziert. Die Analyse des Ausgangs ist deshalb ein wichtiger Indikator, wie gut eine Stromversorgung unter allen Ein- und Ausgangsbedingungen funktioniert.

Bild 4: Auf dem Bildschirm mittels DPOPWR dargestellte Ergebnisse der Spektralanalyse.

Bild 4: Auf dem Bildschirm mittels DPOPWR dargestellte Ergebnisse der Spektralanalyse. Tektronix

Zu den beiden besonders relevanten Parametern gehören die Netz- und Schaltstörungen, die sich beide am Ausgang äußern. Die Netzstörungen (Netzbrummen) werden gegen die Netzfrequenz am Eingang der Stromversorgung gemessen, während die Schaltstörungen durch den Schalt-/Zerhackprozess verursacht werden. Da ein Schaltnetzteil sowohl bei den positiven als auch den negativen Halbwellen des Wechselstrom-Eingangssignals arbeitet, haben die Schaltstörungen oft die doppelte Netzfrequenz.

Um die für die Analyse mit einem Oszilloskop benötigten Daten genau erfassen zu können, ist ein differenzieller Spannungstastkopf erforderlich. Eine Analyse-Software wie DPOPWR kann den Analyseprozess bedeutend vereinfachen. Nach der einmaligen Eingabe einiger Basisinformationen (zum Beispiel ausgewählter Kopplungsmodus, Bandbreite, Aufzeichnungsmodus und Netzfrequenz) wird die Analyse automatisch ausgeführt und der Ingenieur erhält einen detaillierten Bericht einschließlich der Spitze-Spitze-Werte der Störungen.

Ein weiterer wichtiger Parameter für Schaltnetzteile ist der Beitrag zu allgemeinen elektromagnetischen Störungen (EMI). Hierzu ist eine Spektralanalyse des Ausgangs erforderlich, um die den Störungen beitragenden Frequenzbestandteile zu identifizieren.

Im Gegensatz zur Leistungsanalyse wird für eine Spektralanalyse kein Spannungs- oder Stromtastkopf benötigt; stattdessen muss nur ein Standard-Oszilloskop-Tastkopf an den Ausgang der Stromversorgung angeschlossen werden. Auch hier vereinfacht die DPOPWR-Software diesen Prozess und liefert verschiedene Analysen.

Zusätzlich zu den Störungen und der Spektralanalyse ist es hilfreich, dass auch die Zeit ermittelt wird, in welcher die Stromversorgung eine gültige Ausgangsspannung erreicht – dies wird auch als Einschaltzeit bezeichnet. Die Berechnung der Einschaltzeit erfolgt oft manuell, da es schwierig sein kann, die Eingangs- und Ausgangsspannungen genau über die Zeit zu messen. Eine entsprechende Messsoftware sollte den Messbereich des Oszilloskops automatisch einstellen können und bei einem Mehrkanal-Oszilloskop auch eine simultane Messung mehrerer Ausgangsspannungen unterstützen.

Konformität

Während die Messung und Reduzierung von EMI mittlerweile durch globale Standards für alle elektronischen Geräte geregelt wird, gibt es inzwischen auch für viele vertikale Sektoren entsprechende Standards. Diese definieren die Qualität der Stromversorgungen in Bezug auf die in das Stromnetz eingespeisten Oberschwingungen. Diese Vorschriften gelten heute zwar noch nicht für alle Sektoren, es gilt aber als wahrscheinlich, dass sich dies bald ändern könnte, da sich Oberwellen negativ auf die Verkabelung und Transformatoren auswirken.

Deshalb sind für Stromversorgungen inzwischen gewisse Grenzwerte hinsichtlich der erzeugten Oberwellen einzuhalten oder zumindest zur Kenntnis zu nehmen. Diese sind in internationalen Standards definiert, wie: IEC 6100-3-2 Class A, B, C und D; IEC 6100-3-2 AMD14 Class C und D und MIL-STD-1399.

Es sind Mechanismen, um die Leistungsqualität von nicht-linearen Lasten zu messen. Zu den wichtigsten Normen gehört die IEC 6100-3-2. Sie definiert die Grenzwerte für die ins öffentliche Stromnetz eingespeisten Oberwellen und gilt für alle Geräte, die einen Eingangsstrom von bis zu 16 A pro Phase haben, wobei es Klassen für bestimmte Gerätetypen gibt.

Die DPOPWR-Software und die Spannungs- und Stromtastköpfe von Tektronix erlauben eine einfache Durchführung der Messungen und Analysen zur Evaluierung einer Stromversorgung im Zuge eines Pre-Compliance-Tests. Durch die Auswahl des IEC-Standards und der relevanten Klasse werden die Ergebnisse automatisch vom Oszilloskop klassifiziert und in einer Oberwellentabelle angezeigt. Die enthält die Ordnung der Oberwelle, den Messwert, den zulässigen Grenzwert und den Toleranzbereich sowie einen einfachen Pass-(Grün)- oder Fail-(Rot)-Hinweis.

Die Gesamtwerte für Spannungs- und Stromklirrfaktor werden ebenfalls dargestellt, zusammen mit den Effektivwerten für Strom, Spannung und Gesamtleistung.