Equipos de Prueba y Medida

CA/CC – La fuente de alimentación a fondo - Análisis de rendimiento con el MSO5000

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El diseño de una fuente de alimentación es una de las actividades de desarrollo más apasionantes y exigentes. Todos los dispositivos electrónicos exigen alimentación eléctrica y tensión de red, que p. ej. es de 230 VCA (50 Hz) en la Unión Europea, está casi siempre a disposición de la fuente de alimentación. Sin embargo, dado que los dispositivos eléctricos funcionan con corriente continua (CC), la tensión de red se debe convertir a tensión CC, lo cual se lleva a cabo con fuentes de alimentación.

En las fuentes de alimentación existen diferentes aspectos que complican las medidas y, por tanto, las cosas para el sistema de prueba. Las medidas precisas se pueden utilizar para optimizar la fuente de alimentación, por ejemplo para conseguir el grado deseado de eficiencia o minimizar las pérdidas de potencia sin carga. La serie de osciloscopios MSO5000 de RIGOL, junto con su software UPA (ULTRA-Power-Analysis) controlado por PC, las sondas diferenciales de la serie PHA y las pinzas de corriente de la serie RP1000C de RIGOL, ofrecen un sistema completo de prueba para, por ejemplo, tomar medidas en fuentes de alimentación conmutadas durante la fase de desarrollo, incluidas algunas pruebas de preconformidad.


Antes de describir los diversos requisitos de prueba con más detalle centraremos nuestra atención en las fuentes de alimentación. La fuente de alimentación conmutada es el diseño más habitual ya que permite lograr un algo nivel de eficiencia y potencia y requiere menos espacio que, por ejemplo, las fuentes de alimentación lineales. Las fuentes de alimentación conmutadas se pueden utilizar para la conversión CA/CC o CC/CC pero presentan como inconveniente que puede haber ruido (rizado de salida) en la salida de CC debido a la frecuencia del transformador.

La Figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado de una fuente de alimentación conmutada con sus principales componentes.

 


Como se ha señalado antes, la entrada de la fuente de alimentación está conectada a la tensión de red CA. Dado que esta señal puede contener interferencias de la propia red, se debe filtrar en la propia fuente de alimentación. La señal de CA se rectifica luego con un circuito de diodo adecuado. La rectificación incrementa la tensión hasta aproximadamente 350 VCC. No obstante, dado que esta tensión contiene pulsos es preciso aplanarla mediante condensadores electrolíticos de alta capacidad, si bien no se puede lograr por completo. El rizado restante, también llamado tensión de rizado, se suele reducir con un elemento RC o, en el caso de corrientes altas, con un elemento LC, con el fin de no incrementar demasiado la resistencia interna del circuito.
El siguiente paso consiste en convertir de nuevo la tensión CC a tensión CA conmutando un MOSFET y un circuito PWM (pulse width modulation) a una frecuencia entre 50 kHz y 1 MHz (dependiendo del tipo de transformador) para transmitirla con un transformador aislado galvánicamente. A continuación de(se) usa de nuevo un(el) circuito de diodo adecuado para la rectificación y condensadores electrolíticos para aplanar la tensión y convertir de nuevo la tensión CA tras el transformador en tensión CC y filtrarla. Para garantizar que la tensión CC alcance en todo momento el valor deseado se recurre a un lazo de control entre la salida de CC y el MOSFET que se encarga de reajustarlo. Por un lado, esta regulación debería asegurar una tensión constante a la salida incluso si se producen fluctuaciones en la red (regulación de línea). Por otra parte, esta regulación también debería garantizar que la fuente de alimentación siempre pueda proporcionar las corrientes de carga requeridas a la salida (regulación de carga). Con las anteriores fuentes de alimentación conmutadas se exigía una carga mínima a la salida con el fin de evitar contorneos de tensión, especialmente durante la fase de arranque. Esto ya no es necesario y se resuelve, por ejemplo, con un microcontrolador digital integrado en el controlador o una red de descarga integrada en el circuito.


Las medidas detalladas de una fuente de alimentación conmutada se pueden dividir en tres apartados. El primero consiste en medir la entrada de la fuente de alimentación, en la que se introduce la tensión de la red eléctrica de 230 VCA. El segundo está relacionado con las medidas en el transistor de conmutación. El tercero consiste en medir la salida de CC y la calidad de la tensión de salida.

El software UPA (Ultra Power Analyze), junto con los osciloscopios de la serie MSO5000 de RIGOL, ofrece una solución completa para los tres apartados de medida. Algunas pruebas, como el análisis de la calidad eléctrica a la entrada, se pueden medir con la opción de aplicación de potencia, que ya está integrada en el dispositivo. Para conectar el osciloscopio a la sección de entrada de CA de la fuente de alimentación se usa la pinza de corriente RP1002C (50 Arms, 70 ACC / ancho de banda: 1 MHz) para medir la corriente y la nueva sonda diferencial PHA1150 para medir la tensión. Ambas sondas están diseñadas para CATIII y se pueden utilizar para esta medida. La sonda diferencial PHA1150 tiene un ancho de banda de hasta 100 MHz y se puede utilizar para una tensión de hasta 1500 VCC + CApico (con una ganancia de 500x). Dado que un mayor ancho de banda también influye sobre el ruido de una medida, el elevado ancho de banda perturba esta medida. Por tanto, se puede activar un ancho de banda limitado hasta 5 MHz para la PHA1150 con el fin de minimizar la influencia del ruido. La PHA1150 también se caracteriza por su alta impedancia de entrada (10 MΩ) y una baja capacidad de entrada (<2 pF). El rechazo en modo común (CCMRdB) es > 80 dB para CC y > 60 dB para 100 kHz. Esto significa que la ganancia en modo común es muy baja si se compara con la ganancia en modo diferencial y su influencia indeseable sobre el resultado de la medida es muy pequeña. La sonda diferencial es preferible a un transformador de aislamiento porque al utilizar este tipo de transformadores se necesitan un transformador para el osciloscopio y otro para la fuente de alimentación conmutada. Además, las mayores capacidades e inductancias parásitas podrían influir sobre el resultado de la medida en esta configuración y existe un riesgo potencial de descarga eléctrica por tocar la instalación de prueba.


Las sondas utilizadas para medir la corriente y la tensión no ejercen influencia alguna por sus propios retardos durante la medida ya que de lo contrario la medida de potencia mostrará errores. Las sondas también deben ser desmagnetizadas y el offset se ajusta a 0. RIGOL ofrece la tarjeta RPA246 para este ajuste de fase de las sondas. Con el software UPA-PC, el osciloscopio se puede ajustar automáticamente cuando se usa la tarjeta RPA246. Si la medida se realiza directamente en el osciloscopio con la aplicación de potencia, esta diferencia de fase, que es visible con la RPA246, se puede corregir de forma manual a través del menú.
Para medir tensión, la sonda diferencial se conecta a la entrada de la fuente de alimentación. La entrada positiva de la sonda se conecta al conductor externo L y la entrada negativa al conductor neutro N. La pinza de corriente se conecta al conductor externo L en la fuente de alimentación (ver Figura 2). A modo de ejemplo se muestra aquí un convertidor de retroceso (flyback) sincronizado como elemento de conmutación.

Esta configuración permite medir la calidad eléctrica a la entrada. Esta medida se puede realizar tanto directamente en el MSO5000 con la aplicación de potencia y con el software UPA PC. Además de la potencia aparente, activa y reactiva, se miden y visualizan el factor de cresta y el offset de fase, así como la frecuencia de la tensión CA y los valores eficaces de corriente y tensión (ver Figura 3). La tensión CA se indica en color amarillo y la corriente en color azul. La potencia se indica gráficamente como el resultado de P = U * I en color morado.

 La siguiente prueba con la misma estructura es la medida de los armónicos del flujo de corriente. El software UPA-PC ofrece varias medidas para las clases A, B, C y D (la clase D se refiere, por ejemplo, a televisores y ordenadores cuya potencia máxima sea de 600 W) de manera que permita tomar medidas de acuerdo con IEC 61000-3-2 para determinar si la fuente de alimentación conmutada cumpla los valores límite requeridos por esta norma y qué se necesita para obtener la aceptación del mercado. Esta norma se aplica a fuentes de alimentación conmutadas con un flujo de corriente de hasta 16 A por fase. Esta norma se debe cumplir para minimizar la influencia electromagnética entre la fuente de alimentación y la red (es decir, la realimentación de red). Además de la representación gráfica se mide cada armónico y se lleva a cabo un análisis pasa/falla para análisis de preconformidad (ver Figura 4).


Figura 4: Medida de armónicos (corriente) según la norma IEC.

Otro análisis con esta configuración de la Figura 2 es la medida de la corriente de arranque que circula brevemente a través del condensador a la entrada del circuito (para filtrado) tras la conmutación de la fuente de alimentación conmutada. Esta corriente es significativamente más alta que la corriente que circula en modo normal. Para impedir la destrucción de los componentes del circuito es preciso medir esta corriente de arranque y seleccionar los componentes adecuados para protegerlos con una medida apropiada o bien tomando una medida en la que se minimice la corriente de arranque.
Para la siguiente prueba, las sondas se conectan al MOSFET. Esta prueba se usa para medir el proceso de conmutación. La sonda diferencial se conecta al MOSFET con el terminal positivo conectado al drenador y el negativo al surtidor. La pinza de corriente se conecta después a la fuente de alimentación. El MOSFET conmuta y pasa a conducir durante la anchura del pulso por medio de una tensión de control PWM (pulse-width modulated) y de lo contrario pasa a corte. El circuito PWM se conecta a la puerta. Cuando el MOSFET está conduciendo, la tensión medida es de casi 0 V entre el drenador y el surtidor. Esto significa que el flujo de corriente medido con la pinza aumenta de forma gradual y carga la bobina primaria del transformador. Al mismo tiempo, no circula corriente por la bobina secundaria ya que hay un diodo de rectificación que bloquea la corriente. Cuando el MOSFET está bloqueando hay una tensión muy elevada entre drenador y surtidor que también se mide con la sonda diferencial y deja de circular corriente. La polaridad de la tensión se invierte en el transformador y fluye corriente a través del diodo en la bobina secundaria. El software UPA-PC mide la frecuencia de conmutación, así como la pérdida de potencia y la resistencia entre drenador y surtidor durante el proceso de conmutación. Se visualizan la corriente y la tensión, y se miden los tiempos de conmutación a conducción y corte (on/off) utilizando la tensión (ver Figura 5).

Figura 5: Medida del proceso de conmutación con el software UPA PC.


Se puede realizar otra prueba con el software UPA PC y las mismas conexiones de la sonda. La SOAR (Safe Operating Area) del MOSFET se puede integrar con una tabla sencilla para comprobar si el MOSFET del circuito trabaja dentro de esta área de operación segura, de modo que no sufra daños o se destruya durante su funcionamiento. Para este fin se muestra un diagrama X-Y del canal 1 (tensión) y el canal 2 (corriente) del osciloscopio, que se almacena con cada máscara de SOAR creada. Si no se cumplir dicho requisito, las áreas están marcadas en rojo en los diagramas X-t y X-Y.


Para la siguiente prueba solo se conecta el terminal positivo de la sonda diferencial entre el drenador y la puerta del MOSFET. Esta prueba sirve para medir el análisis de modulación de la señal PWM respecto al ruido durante la fase on/off del PWM. La anchura exacta del pulso positivo y negativo, así como los tiempos de conmutación a conducción y corte, se expresan como porcentajes. También se muestran la frecuencia de la señal PWM y la conversión del período.
El osciloscopio MSO5000 también ofrece la opción de utilizar la función de diagrama de Bode hasta
25 MHz con las salidas del generador de formas de onda arbitrarias integrado. El diagrama de Bode permite enviar una señal de prueba con el ancho de banda a comprobar al transformador con el fin de analizar con más precisión el rango de la frecuencia transmitida. Para este fin se conecta la señal de simulación al canal 1 del osciloscopio, así como al transformador. La señal de salida del transformador se mide en el canal 2 del osciloscopio. Con estas dos curvas se pueden medir y visualizar la respuesta de ganancia y fase en todo el rango de frecuencia (ver Figura 6).


La última prueba corresponde a la tensión de salida de CC en la fuente de alimentación conmutada. Como ya se ha señalado, la tensión se vuelve a rectificar después del transformador con un circuito de diodo y se aplana con condensadores electrolíticos. El rizado restante se puede medir con la sonda de tensión normal con un ciclo de trabajo de 10:1 en la salida de CC. La representación del rizado y la frecuencia de la señal de salida se pueden medir directamente en el osciloscopio MSO5000 con la aplicación de potencia o mediante el software UPA PC.


RIGOL ofrece una de las mejores relaciones precio/rendimiento con la excelente calidad de RIGOL, que es el resultado de nuestros más de 20 años de experiencia en pruebas y medidas. Especialmente los osciloscopios de las series MSO5000, DS-MSO7000 y MSO8000, junto con el software UPA PC y una amplia gama de accesorios de RIGOL (p.ej., sondas), constituyen una solución ideal para desarrollar y optimizar fuentes de alimentación conmutadas, por ejemplo. RIGOL también ofrece, a través de la serie DL3000, una carga electrónica para una comprobación óptima de una fuente de alimentación conmutada con un alto grado de exactitud.

Autor: Boris Adlung, RIGOL Technologies Europe 


RIGOL Technologies Europe GmbH
Carl-Benz-Str. 4
D-82205 Gilching
Tel.: +49 (0)8105-27292-16
Contacto: Boris Adlung
E-Mail: Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
www.rigol.eu

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