Schwerpunkte

Die Vermessung der Welt der Netzteile

Leistungsanalyse mit dem MSO5000

06. Juli 2021, 08:00 Uhr   |  Von Boris Adlung

Leistungsanalyse mit dem MSO5000
© Rigol

Entwickler von Netzteilen müssen messtechnisch den Netzteileingang, den Umschalttransistor und den Netzteilausgang abdecken. Dafür kann ein dedizierter Leistungsanalysator verwendet werden – oder ein Oszilloskop mit Software zur Leistungsanalyse.

Der Entwurf eines Netzteils ist eine der spannendsten und anspruchsvollsten Entwicklungstätigkeiten. Jedes elektronische Gerät benötigt elektrische Leistung, wobei für die Leistungs­zuführung fast immer die Netz­wechselspannung von – in Deutschland – 230 V (AC), 50 Hz zur Verfügung steht. Da die elektrischen Geräte aber mit Gleichspannung (DC) betrieben werden, muss die Netzspannung in eine DC-Spannung umgesetzt werden, was mit Netzteilen realisiert wird. Netzteile enthalten unterschiedliche Bereiche, die einen unterschiedlich hohen Anspruch an die Vermessung und somit auch an das Testsystem stellen. Je präziser gemessen werden kann, desto besser gelingt die Optimierung des Netzteils, um zum Beispiel den gewünschten Wirkungsgrad oder das Minimieren der Leerlaufverlustleistung zu erreichen.

Aufbau und Funktionsweise von Schaltnetzteilen

Um die Testanforderung abzuleiten, werden zunächst die Netzteile betrachtet. Das gängigste Design ist das Schaltnetzteil. Sie erreichen einen sehr hohen Wirkungsgrad, höhere Leistungen und erfordern einen kleineren Bauraum als zum Beispiel lineare Netzteile. Schaltnetzteile können für eine AC-DC- oder eine DC-DC-Wandlung verwendet werden, allerdings haben sie den Nachteil, dass sich am DC-Ausgang durch die Transformatorfrequenz ein Rauschen (Ausgangs-Ripple) bilden kann. In Bild 1 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Schaltnetzteils mit den wesentlichen Komponenten dargestellt.

Blockdiagramm eines Schaltnetzteils.
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Bild 1. Blockdiagramm eines Schaltnetzteils.

Der Eingang ist an die AC-Netzspannung angeschlossen und muss aufgrund von möglichen Netzstörungen im Netzteil gefiltert werden. Danach wird das AC-Signal mittels einer geeigneten Diodenschaltung gleichgerichtet. Die Gleichrichtung erhöht die Spannung auf ca. 350 V (DC). Da diese Spannung allerdings eine pulsierende Charakteristik hat, wird eine Siebung – also eine Spannungsglättung – mittels hochkapazitiver Elektrolytkondensatoren (Elkos) durchgeführt. Eine komplette Glättung lässt sich hierdurch aber nicht erreichen. Die restliche bestehende Welligkeit wird auch als Brummspannung bezeichnet. Sie wird meist mit einem RC-Glied oder bei höheren Strömen mit einem LC-Glied verringert mit dem Ziel, den Innenwiderstand der Schaltung nicht zu sehr zu erhöhen.

Für den nächsten Schritt wird die DC-Spannung mittels eines schaltbaren MOSFETs und einer Pulsweitenmodulationsschaltung (PWM) auf einer Frequenz zwischen 50 kHz und bis zu 1 MHz (je nach Transformatorart) wieder in eine AC-Spannung umgesetzt, um diese mit einem galvanisch getrennten Transformator zu übertragen. Danach wird wieder eine geeignete Diodenschaltung für die Gleichrichtung und Elektrolytkondensatoren für die Siebung verwendet, um die Wechselspannung nach dem Transformator wieder in eine Gleichspannung umzusetzen und zu filtern. Damit die DC-Spannung auch konstant den gewünschten Spannungswert erreicht, wird eine Regelschleife vom DC-Ausgang zum MOSFET eingesetzt, die für eine Nachregelung sorgen soll. Diese Regelung soll einerseits für eine konstante Ausgangsspannung auch bei Netzschwankungen sorgen (Line Regulation) und andererseits sicherstellen, dass am Ausgang immer die geforderten Lastströme geliefert werden (Load Regulation). Bei früheren Schaltnetzteilen war eine Mindestlast am Ausgang notwendig, um Spannungsüberschläge gerade während der Startphase zu vermeiden. Das ist mittlerweile nicht mehr notwendig und wird zum Beispiel mit einem integrierten digitalen Mikrocontroller im Regler gelöst oder es wird ein Entlastungsnetzwerk in die Schaltung integriert.

Messaufgaben am Schaltnetzteil

Die detaillierte Vermessung eines Schaltnetzteils kann in drei Teilbereiche gegliedert werden:

  • Netzteileingang mit 230-V-(AC)-Netzeinspeisung
  • Umschalttransistor
  • DC-Netzteilausgang

Alle drei Teilbereiche können mit dem Oszilloskop der Serie MSO5000 und der Software Ultra Power Analyse (UPA) vermessen werden. Einige Tests, wie die Analyse der Eingangsleistungsqualität, können auch mit der bereits integrierten Powerapplikationsoption im Gerät vermessen werden.

Messung am Netzteileingang

Für den Anschluss des Oszilloskops an den AC-Eingangsbereich des Netzteils werden für die Strommessung die Stromzange RP1002C (50 Arms,70 A (DC); Bandbreite 1 MHz) und für die Spannungsmessung der neu erschienene Differenztastkopf PHA1150 verwendet. Beide Tastköpfe sind für die Messkategorie CAT III ausgelegt. Der Differenztastkopf PHA1150 hat eine Bandbreite von DC bis zu 100 MHz und kann für eine Spannung von bis zu 1500 V (DC+ACpeak) – bei einer Verstärkung von 500 – eingesetzt werden. Eine hohe Bandbreite kann jedoch das Rauschverhalten beeinflussen und sich für die Messung als störend auswirken. Als Gegenmaßnahme kann die Bandbreitenbegrenzung bis 5 MHz des PHA1150 aktiviert werden. Der PHA1150 zeichnet sich außerdem durch seine hohe Eingangsimpedanz (10 MΩ) und geringe Eingangskapazität (<2 pF) aus. Die Gleichtaktunterdrückung (CMR) liegt für DC bei >80 dB und bei 100 kHz bei >60 dB. Das heißt, die Gleichtaktverstärkung ist gegenüber der Gegentaktverstärkung sehr niedrig und deren unerwünschter Einfluss auf das Messergebnis ist sehr gering.

Der Differenztastkopf wird gegenüber einem Trenntrafo bevorzugt verwendet, da bei dem Einsatz von Trenntrafos sowohl ein Trafo für das Oszilloskop als auch einer für das Schaltnetzteil benötigt wird. Außerdem könnten durch diesen Aufbau zusätzliche Streukapazitäten und Induktivitäten das Messergebnis beeinflussen und es besteht ein potenzielles Risiko eines elektrischen Schlags durch Berühren des Testaufbaus.  

Die Tastköpfe, die für die Strom- und die Spannungsmessung verwendet werden, dürfen während der Messung keinen Einfluss durch eigene zeitliche Verzögerungen aufweisen, da sonst die Messung der Leistung Fehler aufweist. Zusätzlich muss für die Tastköpfe eine Entmagnetisierung vorgenommen und der Offset auf 0 gesetzt werden. Rigol bietet für diese Phasenjustierung der Tastköpfe die Platine RPA246 an. Mit der UPA-PC-Software kann bei der Verwendung der RPA246-Platine das Oszilloskop automatisch eingestellt werden. Wenn die Messung direkt am Oszilloskop mit der Powerapplikation durchgeführt wird, kann man diesen Phasenunterschied, der mit dem RPA246 sichtbar wird, manuell über das Menu korrigieren.

Messung der Eingangsleistung am Netzteil
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Bild 2. Messung der Eingangsleistung am Netzteil

Der Differenztastkopf wird für die Spannungsmessung am Eingang des Netzteils angeschlossen. Der positive Eingang des Tastkopfs wird an den Außenleiter L und der negative Eingang an den Neutralleiter N angeschlossen. Die Stromzange wird um den Außenleiter L am Netzteil angeschlossen (Bild 2). Als Beispiel wurde hier ein primär getakteter Sperrwandler als Schaltteil dargestellt. Mit dieser Konfiguration kann die Leistungsqualität am Eingang gemessen werden. Diese Messung kann man sowohl direkt am MSO5000 mit der Powerapplikation als auch mit der UPA-PC-Software durchführen.

Bild 3. Messung der Qualität der Leistung am Netzteileingang
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Bild 3. Messung der Qualität der Leistung am Netzteileingang.

Es werden neben der Schein-, Wirk- und Blindleistung auch der Crest-Faktor und der Phasenversatz sowie die Frequenz der AC-Spannung und die Effektivwerte von Strom bzw. Spannung vermessen und dargestellt (Bild 3). Die AC-Spannung ist hier mit dem gelben und der Strom mit der blauen Spur dargestellt. Die Leistung wird als Resultat P = U x I mit der lila Spur grafisch dargestellt.

Der nächste Test mit demselben Aufbau bezieht sich auf die Vermessung der Harmonischen des Stromflusses. Die UPA-PC-Software bietet dafür unterschiedliche Messungen für die Klassen A, B, C und D an (Klasse D bezieht sich zum Beispiel auf TV-Geräte oder Computer, die mit maximal 600 W Leistung betrieben werden können). Die Messung wird nach der Norm IEC 61000-3-2 durchgeführt und der Anwender kann feststellen, ob das Schaltnetzteil die geforderten Grenzwerte nach dieser Norm erfüllt.

Messung der Harmonischen (Strom) nach IEC 61000-3-2
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Bild 4. Messung der Harmonischen (Strom) nach IEC 61000-3-2.

Die IEC 61000-3-2 gilt für Schaltnetzteile mit einem Stromfluss bis 16 A pro Phase und soll die elektromagnetische Beeinflussung durch das Netzteil zurück auf das Netz (Netzrückwirkung) minimieren. Neben der grafischen Darstellung werden die einzelnen Harmo­nischen ausgemessen und eine Pass/Fail-Analyse für die Vorabkonformitätsanalyse durchgeführt (Bild 4).

Eine weitere Analyse mit dieser Konfiguration aus Bild 2 ist die Vermessung des Einschaltstromes, der nach dem Einschalten des Schaltnetzteils kurzfristig durch den Kondensator am Eingang der Schaltung (für die Filterung) fließt. Dieser Strom ist deutlich höher als der Strom, der im regulären Betrieb fließt. Das Messen des Einschaltstroms gibt dem Entwickler die Möglichkeit, die belasteten Bauteile entsprechend robust auszuwählen, sie mit einer geeigneten Maßnahme zu schützen oder durch ein abgewandeltes Schaltungsdesign den Einschaltstrom zu verkleinern.

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