I progettisti debbono oggi sostenere una pressione sempre più elevata per soddisfare le tecnologie per la conversione della potenza elettrica con efficienze dell’80% o superiori richieste nel campo delle energie rinnovabili, delle tecnologie medicali e dei veicoli elettrici. Poter disporre di una progettazione elettronica efficiente sarà quindi sempre più fondamentale, sia che si stia progettando un alimentatore switch mode o un inverter per la conversione dell’energia solare dalla corrente continua a quella alternata; in tutti i casi l’obiettivo è lavorare per realizzare prodotti più “verdi” e sistemi che consumino meno energia elettrica. Per i progettisti questo significa eseguire numerose misure di potenza, specifiche per caratterizzare il comportamento dell’alimentatore e per ricercare le cause di eventuali problemi. Storicamente fare queste misure significava rilevare il valore statico di tensione e di corrente con un multimetro digitale per poi eseguire coscienziosamente i calcoli necessari. Oggi la maggioranza dei tecnici guardano all’oscilloscopio come al loro strumento preferito per le misure di potenza. Le comuni misure sugli alimentatori switching Ac/Dc possano essere effettuate usando le nuove serie di oscilloscopi DPO/MSO 5000 basati su Windows, dotati dell’ultima generazione del software per l’analisi delle misure della alimentazione elettrica proposti da Tektronix. Questo software per l’analisi delle misure della alimentazione elettrica, denominato DPOPWR, trasforma l’oscilloscopio in un sofisticato strumento di analisi che può rapidamente misurare e analizzare la dissipazione di potenza negli alimentatori switching e nei componenti magnetici.
Effettuare le misure sugli alimentatori
Per eseguire misure accurate, il sistema per la misura della potenza elettrica deve essere predisposto in modo adeguato per catturare con precisione le forma d’onda necessarie per le analisi e la ricerca delle soluzioni ai possibili problemi. A tal fine bisogna considerare: l’eliminazione del disallineamento esistente tra le sonde di tensione e quelle di corrente; la rimozione dell’offset della sonda; la demagnetizzazione delle sonde di corrente. Le sonde differenziali tendono ad avere un lieve disallineamento in tensione che può influire sull’accuratezza della misura e quindi deve essere rimosso prima di eseguire le misure. La maggior parte delle sonde di tensione differenziali hanno integrati dei controlli per la regolazione dell’offset, il che fa si che la compensazione dell’offset sia una procedura relativamente semplice. Allo stesso modo, può essere necessario tarare l’offset delle sonde di corrente prima di effettuare le misure. Le regolazioni dell’offset della sonda di corrente sono fatte mediante l’annullamento della componente Dc a zero o ad un valore il più vicino possibile allo zero. Alcune sonde di caratteristiche avanzate ora hanno già integrata una procedura automatica di degauss/auto-zero che richiede solo di premere un apposito tasto posto sul corpo della sonda stessa.
Caratterizzazione magnetica dell’alimentatore
Le componenti magnetiche sono una parte importante di qualsiasi sistema di alimentazione ed è essenziale caratterizzare queste componenti per determinare la stabilità dell’alimentatore e la sua efficienza.
• Induttanza - I parametri di induttanza di vari dispositivi, quali le bobine o i trasformatori, possono essere misurati automaticamente con un oscilloscopio e l’applicazione DPOPWR, che misura la variazione della tensione assieme alla variazione della corrente, entrambe relative al tempo e quindi calcola automaticamente il valore della induttanza.
• Perdite magnetiche di potenza - Una analisi delle perdite magnetiche di potenza è essenziale per caratterizzare accuratamente l’efficienza, l’affidabilità e le prestazioni di un alimentatore switch-mode. Le due perdite magnetiche principali sono le perdite nel nucleo e le perdite nel rame. Nelle misure del mondo reale, è quasi impossibile isolare le perdite nel nucleo dalle perdite nel rame. Una soluzione a questo problema consiste nel misurare la perdita magnetica di potenza totale e quindi sottrarre il valore della perdita nel nucleo, come specificato nelle specifiche del componente. Il software DPOPWR esegue queste operazioni automaticamente.
• Diagramma B-H - I diagrammi della curva B-H sono spesso usati per verificare la saturazione (o la sua mancanza) degli elementi magnetici in un alimentatore “switching”, e fornisce una misura dell’energia persa per ciclo in un’unità di volume del materiale del nucleo magnetico. Il software di analisi della potenza prende i dati dalle misure della tensione ai capi dell’elemento magnetico e della corrente che vi fluisce attraversandolo e produce automaticamente il diagramma B/H.
Caratteristiche elettriche dell’alimentatore
Pressoché tutti i componenti di un alimentatore contribuiscono in qualche modo alle perdite di energia. In un alimentatore switch-mode, una buona parte delle perdite di energia si hanno quando il transistore commuta da uno stato di interdizione “off” ad uno stato di conduzione “on” e viceversa. Durante la commutazione, la conduzione e l’emissione di energia irradiata sono ulteriori cause di perdita di energia. Le perdite sono minimizzate quando tutti i componenti del sistema operano all’interno dei loro limiti operativi, come specificato. Una valutazione dell’area di funzionamento sicuro o Soa (Safe Operating Area) del transistore di commutazione, assicura che il dispositivo non venga stressato e stia funzionando nelle corrette condizioni operative.
• Misure delle perdite di commutazione - Le perdite di commutazione si verificano quando il circuito che commuta è sotto tensione o è acceso, e quando si toglie tensione allo stesso circuito o il circuito è spento. Le perdite di accensione si verificano perché si caricano varie capacità fisiche e parassite, gli induttori generano dei campi magnetici e si verificano le relative perdite resistive nel regime transitorio. Allo stesso modo, quando l’alimentatore switching si spegne ci sarà ancora dell’energia disponibile da scaricare che interagirà con i vari componenti anche se l’alimentazione principale è stata tolta e quindi anche in queste condizioni si verificano delle perdite. La misura delle perdite di commutazione utilizzando il software per le misure di potenza, implica la misura della tensione ai capi del transistore di commutazione e quella della corrente che lo attraversa.
• Rilevare l’eccesso di potenza - Il cambiare dinamicamente i carichi di un alimentatore switching, può avere influenza sulla perdita di potenza complessiva del dispositivo di commutazione. Questo può tradursi nell’alimentatore che eccede i suoi limiti operativi di tensione e di corrente e, di conseguenza, la regolazione della potenza erogata. Per il progettista è quindi importante analizzare la perdita di potenza nei componenti che commutano, per assicurarsi che la potenza istantanea resti entro i limiti specificati. La funzione che rileva l’eccesso di potenza, incorporata nel software di misura della potenza, rende possibile determinare la potenza di picco istantanea sulla forma d’onda durante la commutazione. Questa funzione di analisi calcola e identifica ogni dato punto di potenza di picco e ne fornisce una sintesi. Insieme con l’analisi della potenza di picco istantanea nel sistema, la funzione che rileva l’eccesso di potenza calcola anche la perdita di energia in corrispondenza di qualsiasi punto dato della potenza di picco.
• Area di funzionamento sicuro – L’area di funzionamento sicuro del transistore di commutazione in un alimentatore switch-mode definisce la corrente che può fluire attraverso il transistore a una data tensione. Siccome il transistore commuta tra gli stati on e off, diventa importante capire le condizioni di tensione e corrente entro le quali può funzionare senza auto danneggiarsi. Siccome il transistore può guastarsi se si superano questi limiti, conoscere la SOA è importante per garantire il funzionamento accurato e sicuro dell’alimentatore. Il software DPOPWR presenta quest’informazione sotto forma di una singola curva, e i progettisti possono usare questa informazione per testare i transistori di commutazione dell’alimentatore nelle diverse condizioni di funzionamento. Tutto ciò rende più semplice progettare la circuiteria di protezione.
L’analisi dell’ingresso
Il trasporto dell’energia elettrica dalla sorgente all’utilizzatore finale è un sistema complesso che comprende la produzione dell’elettricità, la trasmissione e la distribuzione. Le variazioni nella quantità di energia elettrica generata dalla centrale cosi come quelle della domanda complessiva di questa energia hanno un effetto sulla qualità complessiva dell’energia elettrica che alla fine raggiunge il carico cui è destinata. Siccome un alimentatore a commutazione presenta alla linea elettrica un carico non lineare, le forme d’onda di tensione e di corrente non sono identiche. La corrente è tratta solo per una parte dell’onda in ingresso, e questo causa la presenza di frequenze armoniche nella forma d’onda di corrente. La qualità dell’energia elettrica, la qualità totale di questa energia e le valutazione del contenuto armonico della corrente elettrica erogata, sono misure usate correntemente per analizzare l’effetto che un alimentatore ha su di una linea di erogazione dell’energia elettrica.
• Qualità della alimentazione - La qualità della alimentazione elettrica si riferisce alla capacità del carico di funzionare correttamente con l’energia elettrica che gli si fornisce. La misura della qualità dell’energia elettrica aiuta a evidenziare gli effetti delle distorsioni causate dai carichi non lineari, includendo in questi anche l’alimentatore switching. Misurare la qualità dell’energia elettrica all’ingresso dell’alimentatore switching fornisce una migliore comprensione di come l’alimentatore funzioni in presenza di una data qualità di energia fornita.
• Contenuto armonico effettivo - Gli alimentatori reali hanno carichi non lineari, nel senso che il carico aumenta e diminuisce in funzione di come si cambia il modo di utilizzarli e quindi il dispositivo si riscalda o si raffredda. Queste variazioni del carico causano delle distorsioni nelle forme d’onda di tensione e di corrente. Queste non linearità succedono perché, come l’alimentatore si accende e si spegne, si manifestano delle sovracorrenti causate dai carichi resistivi, capacitivi e induttivi messi sulle linee elettriche in ingresso. Inoltre, variazioni della sorgente di tensione possono causare delle non linearità nel funzionamento dell’alimentatore. Il software di misura della potenza elettrica mette a disposizione un modo semplice e rapido di riportare la reazione dell’alimentazione elettrica in ingresso al verificarsi di queste variazioni del carico.
• Qualità totale della alimentazione elettrica - Il software DPOPWR può fornire una analisi totale della qualità della alimentazione elettrica che include un riassunto della qualità della alimentazione così come il contenuto armonico corrente del sistema.
L’analisi dell’uscita
Delle misure importanti sull’uscita, specialmente per gli alimentatori switching, sono quelle delle ondulazioni dovute alla linea, delle ondulazioni dovute alla commutazione l’analisi spettrale e il tempo di accensione.
• Ondulazioni di linea e di commutazione - La corrente continua all’uscita di un alimentatore dovrebbe essere pulita, di buona qualità, con il rumore elettrico ridotto al minimo e senza oscillazioni. Detto in parole semplici, l’ondulazione è la tensione alternata che si trova sovrapposta sull’uscita in corrente continua di un alimentatore. L’ondulazione di linea misura la quantità di ondulazione relativa alla frequenza della linea elettrica, mentre l’ondulazione di commutazione misura la quantità di ondulazione rilevata dall’uscita dell’alimentatore basata sulla frequenza di commutazione che è nota. Il line ripple è normalmente pari al doppio della frequenza della linea elettrica, mentre lo switching ripple è tipicamente associato al rumore elettrico ed è nella gamma di frequenza dei kilohertz. Separare il line ripple dallo switching ripple è una delle maggiori sfide nella caratterizzazione degli alimentatori. Il software di analisi della potenza DPOPWR semplifica in modo significativo questo compito.
• Analisi spettrale - Con la funzione di analisi spettrale del software è possibile analizzare le componenti di frequenza che contribuiscono a produrre fonti di interferenza elettromagnetica. Si può misurare anche il rumore elettrico e il ripple nella gamma di frequenze previste per l’uscita in corrente continua. Questa analisi aiuta a stabilire se sia necessario utilizzare dei filtri per eliminare le interferenze elettromagnetiche.
• Tempo di accensione: il tempo di accensione è definito come il tempo necessario da quando l’alimentatore viene acceso a quando si rende disponibile una uscita valida. Tradizionalmente questo parametro è stato determinato mediante calcoli tediosi o grazie a simulazioni con Spice o tramite modelli matematici. Il software DPOPWR semplifica il processo, regolando automaticamente le scale dell’oscilloscopio e determinando il tempo complessivo di accensione, fornendo nel contempo i risultati. Come ulteriore caratteristica, questi strumenti di analisi della potenza elettrica permettono di analizzare in funzione del tempo fino a tre uscite contemporaneamente.
La verifica di pre-conformità dell’alimentatore
La qualità dei sistemi di alimentazione elettrica è diventata molto importante, visto il consumo di energia in costante aumento. In particolare le frequenze armoniche dispari prodotte dagli alimentatori possono percorrere una strada a ritroso verso la rete di distribuzione dell’energia elettrica. Questo si traduce in un surriscaldamento dei cablaggi e dei trasformatori della rete di distribuzione, e quindi diventa essenziale ridurre le armoniche del sistema di alimentazione. Un passo in questa direzione è il collaudo dei sistemi di potenza per conformità alle norme quali le Iec61000-3-2 classe A, B, C e D, le Iec61000-3-2 AMD14 classe C e D, così come la Military Standard MIL-STD-1399. Il DPOPWR consente di comparare rapidamente le prestazioni dei dispositivi per la verifica della conformità alla normativa, prima di procedere attraverso l’iter per ottenere la certificazione. Questo semplifica le attività di progettazione e aiuta a ridurre il tempo di introduzione dei prodotti sul mercato. La raccolta dei dati, la loro archiviazione e il preparare la documentazione, sono spesso compiti tediosi ma necessari. Il software DPOPWR è dotato di una funzione per preparare i rapporti di prova che rende facile realizzare senza sforzi la documentazione dei risultati delle misure effettuate.
