Schaltnetzteil-Analyse per Oszilloskop Messtipps für das Design von Stromversorgungen

Hilfreich bei der Entwicklung von Stromversorgungen: Das Mixed-Signal-Oszilloskop MSO4104B von Tektronix
Hilfreich bei der Entwicklung von Stromversorgungen: Das Mixed-Signal-Oszilloskop MSO4104B von Tektronix

Die Zuverlässigkeit – oder Fehlerhaftigkeit – eines Schaltnetzteils ist essentiell für die Leistung eines Gesamtsystems. Entsprechend wichtig ist es, die Stromversorgung bereits im Entwurf auf ihre Stabilität, Leistung und Normeinhaltung zu prüfen. Dazu sind viele komplexe Strommessungen nötig. Oszilloskope leisten hierbei einen wesentlichen Beitrag.

Das Spektrum an Stromversorgungen ist breit gefächert: Von einfachen linearen Netzteilen bis hin zu Hochleistungs-Schaltnetzteilen für komplexe, dynamische Betriebsumgebungen. Doch egal, für welchem Bereich sie ausgelegt sind: Die Last eines Gerätes kann sich von einem Augenblick zum anderen drastisch ändern; sogar Schaltnetzteile von Massenprodukten des Consumer-Bereichs müssen mitunter plötzliche Lastspitzen weit oberhalb der normalen Betriebslast verarbeiten. Entsprechend wichtig ist es, bereits beim Entwurf von Netzteilen oder der von ihnen versorgten Systeme das Verhalten der Stromversorgung genau zu kennen - vom Leerlauf bis zur höchstmöglichen Belastung. Nachfolgend beleuchten wir einige der häufigsten Messverfahren für Schaltnetzteile anhand eines Tektronix-Oszilloskops der Serien MDO4000, MSO/DPO4000B oder MSO/DPO3000 mit optionaler Leistungsanalyse-Software.

Das A und O zur Vorbereitung der Stromversorgungsmessungen ist natürlich die richtige Einstellung des Messsystems. Wichtige Aspekte sind beispielsweise die Erfassungsmodi des Oszilloskops, das Beseitigen des Laufzeitfehlers zwischen Spannungs- und Stromtastköpfen, Beseitigen des Tastkopf-Spannungsoffsets und die Entmagnetisierung des Stromtastkopfs.

  • Erfassungsmodi des Oszilloskops

Über die Erfassungsmodi des Oszilloskops wird gesteuert, wie die elektrischen Signale abgetastet, verarbeitet und angezeigt werden. Die resultierenden Signalpunkte sind digitale Werte, die gespeichert und für die Anzeige der Signalform verwendet werden. Die meisten Oszilloskope nutzen mehrere Erfassungsmodi, und je nach gewähltem Modus kann die Genauigkeit der Leistungsmessung beeinträchtigt werden.

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Oszilloskope in der Stromversorgungsentwicklung

Oszilloskope in der Stromversorgungsentwicklung

Die einfachste Art der Erfassung ist der Sampling-Modus. Das Oszilloskop erstellt einen Signalpunkt, indem es in jedem Signalintervall einen Abtastpunkt speichert. Der Abtastmodus bietet sich etwa für die Restwelligkeits- und Rauschanalyse an, bei denen eine Mehrfacherfassung sich wiederholender Signale nötig ist. Im Mittelwertmodus werden die Signalpunkte aufeinanderfolgender Erfassungszyklen jeweils gemittelt, um den schließlich dargestellten Kurvenpunkt zu berechnen. Der Mittelwertmodus reduziert Rauschen ohne Bandbreitenverluste, erfordert jedoch ein sich wiederholendes Signal. Tektronix-Oszilloskope bieten darüber hinaus den hochauflösenden Modus (»Hi-Res«), bei dem mehrere aufeinanderfolgende Abtastwerte innerhalb eines einzigen Signalintervalls gemittelt und dadurch ein Kurvenpunkt einer Einzelerfassung berechnet wird. Dadurch wird die Bandbreite (und somit auch das Rauschen) reduziert, und die vertikale Auflösung langsamer Signale erhöht sich. Der Hi-Res-Modus eignet sich besonders für Modulationsanalysen, wenn die Daten beim Hochfahren einer Stromversorgung in einer Einzelerfassung aufgenommen werden.

  • Beseitigen des Laufzeitfehlers zwischen Spannungs- und Stromtastköpfen

Um Messungen der Stromleistung mit einem digitalen Oszilloskop durchführen zu können, muss man die Spannung über dem Prüfling und die Stärke des durchlaufenden Stroms messen. Dazu sind zwei separate Tastköpfe nötig, meist ein differentieller Spannungs- und ein Stromtastkopf. Weil bei jedem Spannungs- und Stromtastkopf eine andere charakteristische Laufzeitverzögerung auftritt, ist für präzise Amplituden- und Timing-Messungen ein Laufzeitausgleich der resultierenden Flanken dieser Signale nötig.

  • Beseitigen des Tastkopf-Offsets

Bei Differenztastköpfen tritt häufig ein kleinerer Spannungs-Offset auf. Dieser kann die Messgenauigkeit beeinträchtigen und muss beseitigt werden, bevor die Messungen fortgesetzt werden können. Auch Stromtastköpfe müssen vor Beginn der Messungen möglicherweise eingestellt werden. Dazu wird der Gleichstromausgang auf einen Mittelwert von 0 A gestellt.

  • Entmagnetisierung

Ein Stromtastkopf sollte auch über eine Entmagnetisierungsfunktion verfügen. Dadurch wird ein eventuell noch im Transformatorkern vorhandener Restmagnetismus beseitigt, der von einem hohen Eingangsstrom hervorgerufen und zu einem Ausgangs-Offset-Fehler führen kann.

Die Messungen im Einzelnen

Ist das Messsystem eingerichtet, kann die Strommessung beginnen. Sie lässt sich meist in drei Kategorien aufgliedern: Eingangsanalyse, Analyse des Schaltgeräts und Ausgangsanalyse.