Das TDS3000B DPO löst die heutigen Probleme bei der Leistungsmessung

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1 Das TDS3000B DPO löst die heutigen Probleme bei der Leistungsmessung Erfüllt die Anforderungen bei Design, Fehlersuche und Testen von Netzteilen Aufgrund der industrieweiten Tendenz zu Schaltnetzteilen hat sich die Definition des Begriffs Leistungsmessung geändert und damit auch die Anzahl der Designanwendungen, bei denen solche Messungen erforderlich sind. Heutzutage muss ein Netzteil gute Eigenschaften aufweisen und Zuverlässigkeit liefern, ebenso wichtig sind jedoch Konformität mit internationalen und regionalen Netzqualitätsstandards (wie z.b. die IEEE Spezifikation in den Vereinigten Staaten). Der Ingenieur muss die Leistungspegel, die Reinheit der Ausgabe und das Oberwellen-Feedback in das Leistungsnetz charakterisieren; außerdem muss er die Möglichkeit haben, Signale mit hoher Schaltfrequenz, den Rauschpegel, Leistungscharakteristiken und vieles mehr am Ausgang zu messen. Das Oszilloskop ist zum bevorzugten Werkzeug für Netzteildesign und -fehlersuche geworden, da es problemlos unterschiedliche Anforderungen erfüllen kann. Das Oszilloskop TDS3000B: misst mühelos Spannung, Strom und Leistung, misst sicher potenzialfreie Spannungen, liefert Oberwellenmessungen, und erledigt die Messaufgabe des Benutzers einfach und sicher. Vorteile des Digital-Phosphor-Oszilloskops TDS3000B Die TDS3000B-Serie der Digital-Phosphor-Oszilloskope (DPOs), ausgestattet mit dem FFT-Anwendungsmodul (Fast Fourier Transform; TDS3FFT), hat die Bandbreite, Signalerfassungsrate und erweiterte Analysefähigkeit, um die heutigen Anforderungen für Leistungsmessungen bei Design, Fehlersuche und Test zu erfüllen. Außerdem ist sie mit einer großen Auswahl von Tastkopftypen kompatibel, einschließlich passiven (Spannungs-) Tastköpfen, aktiven FET-Tastköpfen, Stromzangen sowie Differenzial- und Hochspannungstastköpfen. Dieser letzte Tastkopftyp bietet einen sicheren Anschluss an nicht geerdeten (potenzialfreien) Schaltungen. Die eingebaute TekProbe -Schnittstelle vereinfacht die Leistungsmessung durch automatische Berücksichtigung von Teilungsfaktoren und Skalierung in den entsprechenden Einheiten (V, ma etc.). 1

2 Das TDS3000B DPO löst die heutigen Probleme bei der Leistungsmessung Messung und Darstellung von Oberwellen Das Messen der Oberwellen an Leistungsbauteilen erfordert ein Messwerkzeug, das die verschiedenen Spektralkomponenten des Signals darstellen kann. Die Oberwellenmessung des TDS3000B stellt die relativen Amplituden der Harmonischen bezogen auf die Grundfrequenz dar. Das optionale FFT-Anwendungsmodul ermöglicht den Oszilloskopen der TDS3000B-Serie diese Art von Messungen. Es enthält erweiterte Analysefunktionen, die eine Zeitbereichserfassung in eine echte Oberwellendarstellung konvertieren, die für Oberwellenmessungen auf Leitungen mit 50 und 60 Hz unentbehrlich ist. Bandbreite, die auch die höchsten Frequenzen bewältigt Schalttransistor- und IGBT-Schaltkreise, Rauschen und Transienten stellen hohe Anforderungen an die Fähigkeit eines Oszilloskops, Netzteilsignale genau und zuverlässig zu erfassen. Schaltfrequenzen nehmen mit jeder neuen Generation von Netzteilen zu. Die Darstellung dieser Signale verlangt ausreichend Bandbreite. TDS3000B DPO- Modelle verfügen über Bandbreiten zwischen 100 MHz und 500 MHz, was auch für die schnellsten Schaltfrequenzen von Netzteilen ausreichend ist. Das DPO erfasst zuverlässig Transienten und stellt sie dar Neben der Bandbreite bestimmt die Signalerfassungsrate eines Oszilloskops, wie zuverlässig Transienten erfasst werden können. Die Signalerfassungsrate gibt an, wie schnell folgende Sequenz pro Sekunde wiederholt werden kann: Triggerung, Erfassen des Signals, Aktualisierung des Bildschirms und Aktivierung für die nächste Triggerung. Die TDS3000B-Messgeräte bieten eine Signalerfassungsrate, die denen eines Digitalspeicher-Oszilloskops weit überlegen ist; das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, Transienten zu erfassen, wesentlich höher ist. Ein seltener Transient kann einfach vom Hintergrundsignal unterschieden werden, da die helligkeitsmodulierte Digital-Phosphor-Darstellung des DPO die am häufigsten auftretenden Signalbereiche hervorhebt. Messen der Momentanverlustleistung mit dem TDS3000B Das Charakterisieren der Momentanverlustleistung in Schalttransistoren ist Bestandteil fast aller Netzteil-Designprojekte und ist für die Auswahl einer Komponente (wie z.b. des Leistungs-MOSFET in Abbildung 1) entscheidend. Das Bauteil soll sowohl kosteneffektiv sein als auch im Abbildung 1. Anschließen eines Differenzialtastkopfs an einen Leistungs-MOSFET. Grenzbereich zuverlässig funktionieren. In diesem Prozess wird gleichzeitig eine potenzialfreie Messung und eine Strommessung durchgeführt. Die TekProbe-Schnittstelle des TDS3000B ist mit dem Hochspannungs-Differenzialtastkopf P5205 und der Stromzange TCP202 kompatibel; für Messungen bei höheren Stromstärken sind auch noch andere Stromzangen verfügbar. Diese Kombination liefert außerordentlich genaue Ergebnisse. Der Hochspannungs-Differenzialtastkopf ist notwendig, weil die untersuchte Spannung (V ds im MOSFET-Schaltkreis) über den Drain- und Source-Anschlüssen des Transistors anliegt, die beide nicht geerdet sind. Das TDS3000B ist wie die meisten Oszilloskope nicht dazu ausgelegt, potenzialfreie Signale direkt zu messen. Um mit dem TDS3000B sichere potenzialfreie Messungen durchführen zu können, ist ein Differenzialtastkopf erforderlich. Der Tastkopf P5205 nimmt das nicht geerdete Signal auf und liefert ein unsymmetrisches, geerdetes Signal an den Oszilloskop-Eingang. Bevor Leistungsmessungen durchgeführt werden können, kann es notwendig sein, die Verzögerung zwischen dem Spannungstastkopf und der Stromzange auszugleichen. Dazu wird ein Verfahren benutzt, das als Laufzeitausgleich oder Deskew bezeichnet wird. Der Tastkopf P5205 und die Stromzange TCP202 sind bereits ab Werk auf ±2 ns angepasst, was Verzögerungsfehler minimiert; andere Tastkopfkombinationen müssen jedoch dem Laufzeitausgleichs-Verfahren unterzogen werden. Dieser Schritt ist entscheidend, da ein kleiner Timing- Offset der Spannungs- und Stromsignale einen großen Fehler bei der Momentanleistung verursachen kann. 2

3 Das TDS3000B DPO löst die heutigen Probleme bei der Leistungsmessung Das TDS3000B verfügt über einen Deskew-Speicher, der die Verzögerungsdifferenzen zwischen Tastköpfen speichert. Um die Laufzeit eines Tastkopf-Paares auszugleichen, müssen beide mit dem gleichen Impuls angesteuert werden; mit dem Cursor wird dann der Zeitunterschied gemessen. Dieser Wert muss nun in den DeskewSpeicher eingegeben werden (über das Vertikal-MENÜ erreichbar). Damit wird der Verzögerungswert für das verwendete Tastkopf-Paar gespeichert. Nachdem die Laufzeitdifferenz kompensiert wurde, können die Tastköpfe wie in Abbildung 1 dargestellt (ein MOSFETLeistungsschaltkreis, wie er in Schaltnetzteilen üblich ist) angeschlossen werden. Die Funktion Auto-Setup des TDS3000B kann zum Einrichten der anfänglichen Signaldarstellung benutzt werden. Auto-Setup stellt automatisch vertikale und horizontale Skalierung ein und stellt das Signal dar. Das Flüssigkristall-Farbdisplay des TDS3000B zeigt die Spannung, Stromstärke und die Leistungssignale in verschiedenen Farben an und verhindert dadurch Verwechslungen. Dank der TekProbe-Schnittstelle sind Maßeinheit und die Skalierung aller drei Signale korrekt es ist keine Interpretation erforderlich. Abbildung 2. Bei der Leistungsmessung werden Spannung, Stromstärke und das Leistungssignal in den korrekten Maßeinheiten angezeigt. Das Leistungssignal ist einfach eine Punkt-zu-Punkt-Multiplikation der Spannungs- und Stromstärkesignale (Kanal 1 x Kanal 2). Die SignalMATH-Taste des TDS3000B gewährt Ihnen Zugriff auf mathematische Operationen, die die beiden Signale als Variablen benutzen. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis. Die Spannungs-, Stromstärke- und Leistungssignale werden in den korrekten Maßeinheiten dargestellt. Die Werte für maximale Momentanspannung, -stromstärke und -leistung können durch Drücken der MEASURE-Taste (Messen) angezeigt werden. Fehlersuche an Netzteilen Digital-Oszilloskope werden für die Leistungsmessung häufig eingesetzt. Die Digital-Phosphor-Erfassungstechnologie des TDS3000B macht bei der Fehlersuche jedoch einen großen Unterschied aus, besonders wenn übermäßige Modulationseffekte in einem geschalteten Netzteil identifiziert werden müssen. Das TDS3000B hat eine Signalerfassungsrate, die 50-mal höher als die eines üblichen Digitalspeicher-Oszilloskops ist (DSO). Das bietet bei der Untersuchung von Modulationseffekten zwei Vorteile. Erstens ist das TDS3000B im gleichen Zeitraum wesentlich länger aktiv und verbringt weniger Zeit mit der Verarbeitung der Signale für die Darstellung; dadurch hat das Oszilloskop Hunderte Male mehr Gelegenheiten, die Modulation zu erfassen. Zweitens sind die modulierten Signale in Echtzeit durch die Digital-Phosphor-Darstellung besser sichtbar. Abbildung 3. Modulationseffekte in einem Netzteil-Regelkreis. Die DPO-Darstellung des TDS3000B zeigt die Bereiche, die das Signal am häufigsten durchläuft, mit verstärkter Helligkeit an ähnlich wie bei einem Analog-Oszilloskop. Die Modulation wird somit dunkler dargestellt als das Hauptsignal, das laufend wiederholt wird. Die Betrachtung von Modulationseffekten mit dem TDS3000B ist äußerst einfach. Abbildung 3 zeigt das modulierte Signal, das den Ausgang eines Stromregelkreises eines Netzteils steuert. Die Modulation ist in einem Feedback-System für die Regelung wesentlich. Zuviel Modulation kann jedoch dazu führen, dass die Regelung instabil wird. Beachten Sie, dass das Signal in den Bereichen schwächer ist, in denen die Modulation seltener auftritt. 3

4 Das TDS3000B DPO löst die heutigen Probleme bei der Leistungsmessung Das Erfassen von Transienten mit dem TDS3000B ist ebenfalls einfach. Die Flanken-Triggerfunktion erlaubt das Einstellen der Triggerflanke, des Pegels, der Kopplung und der Trigger-Verzögerung. Wenn das zu testende Netzteil bereits in ein System integriert ist, kann es von Vorteil sein, an einer anderen Stelle im System auf dem Problem -Signal zu triggern, während ein Testpunkt des Netzteils beobachtet wird, um festzustellen, ob dort zeitgleich ein Transient auftritt. Natürlich muss der Gleichstromausgang des Netzteils auch sauber und frei von Transienten sein. Der ROLL-Modus des TDS3000B in Kombination mit dem Spitzenwerterfassungs-Modus ist das beste Messmittel zur Darstellung von Abweichungen an langsamen Signalen oder Gleichstrompegeln. Der ROLL-Modus lässt die Spur langsam von rechts nach links laufen, ähnlich wie ein Streifenschreiber. Er erzeugt bei sehr langsamen Ablenkgeschwindigkeiten eine klare, helle Spur. Mittels der Spitzenwerterfassung kann das Oszilloskop Glitches mit einer Breite von bis zu 1 ns erfassen und das auch bei langsamen Ablenkgeschwindigkeiten. Wenn diese beiden Funktionen kombiniert werden, ergibt dies eine kontinuierliche, lesbare Spur, die Transienten sofort erkennen lässt. Messen von Netzoberwellen Das Messen von Netzoberwellen ist bei heutigen Schaltungen bedeutend. Schaltnetzteile neigen dazu, Oberwellen ungerader Ordnung zu erzeugen, die zurück in das Stromnetz gelangen können. Die Folgen sind kumulativ; da mehr und mehr Schaltnetzteile mit dem Stromnetz verbunden sind (z.b. wenn in einem Büro mehr Desktop-Computer aufgestellt werden), kann der Gesamtprozentsatz der Oberwellenverzerrung, der in das Stromnetz zurückgelangt, ansteigen. Da diese Verzerrung Wärme in den Kabeln und Trafos des Stromnetzes verursacht, müssen Oberwellen möglichst gering gehalten werden. Behördliche Vorschriften, wie IEC , dienen der Kontrolle der Stromqualität. durchführen zu können. Das TDS3FFT-Modul verwendet einen FFT- Algorithmus, der eine dem Spektrum-Analysator ähnliche Anzeige der Signalfrequenzkomponenten liefert. Es ist sogar möglich - und oft auch von Vorteil, sowohl das Zeitbereichssignal als auch dessen Frequenzbereichsäquivalent gleichzeitig auf dem Bildschirm darzustellen. Das TDS3FFT-Modul aktiviert ein FFT-spezifisches Menü, das die Einstellung und Messung der FFT vereinfacht. Das FFT-Menü ist unter dem MATH-Tastenmenü zu finden. Die FFT kann an aktiven oder gespeicherten Signalen, die abgerufen wurden, durchgeführt werden. Das Verfahren ist nicht schwieriger als die Durchführung einer gewöhnlichen Signalmessung. Da das Signal in diesem Fall ein periodisch wiederholtes Signal ist (im Gegensatz zu einem Transienten- Signal), muss nur getriggert und das Signal dargestellt werden. Vorläufige Konformitätsprüfungen für IEC werden am Stromsignal durchgeführt. Es müssen mindestens fünf Zyklen dargestellt werden, um eine gute Frequenzauflösung zu gewährleisten; außerdem muss die vertikale Skalierung so eingestellt werden, dass die gesamte Signalamplitude auf dem Bildschirm sichtbar ist. Die Benutzer-konfigurierten Parameter des TDS3000B umfassen die vertikale Skalierung und das FFT-Bewertungsfenster. Die Fenster Rectangular, Hamming, Hanning und Blackman-Harris sind verfügbar; jedes Fenster ist für eine bestimmte Signalart geeignet. Für ein periodisch wiederholtes Signal, wie in diesem Beispiel, eignet sich das Hamming-Fenster in der Regel am besten. Vertikale Skalierung für die FFT-Darstellung kann entweder linear oder logarithmisch sein. Die lineare Skalierung wird bei Leistungsmessungen häufiger eingesetzt. Das TDS3000B ergibt zusammen mit dem Anwendungsmodul TDS3FFT ein ausgezeichnetes Messgerät für die Analyse von Oberwellen. Ein Oszilloskop mit FFT-Fähigkeiten ist wesentlich kosteneffektiver als der Erwerb eines eigenen Oberwellen-Analysators und bietet Ihnen darüber hinaus den Vorteil, diese Aufgabe mit einem vertrauten Messgerät 4

5 Das TDS3000B DPO löst die heutigen Probleme bei der Leistungsmessung Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse einer Oberwellenanalyse des NetzteilLaststroms. Sie können mit den Cursoren des TDS3000B entweder die Amplitude der einzelnen Frequenzkomponenten oder deren Frequenz messen. Die ZOOM-Funktion ist auch verfügbar, um die FFT einer genaueren Untersuchung zu unterziehen. Der Einsatz von ZOOM hat keinen Einfluss auf die Erfassung selbst (Trigger- oder ZeitbasisEinstellungen etc.), sondern nur auf die Darstellung. Der Nachweis für die Einhaltung von Stromqualitätsvorschriften ist ein wichtiger Aspekt vieler Netzteil-Designprojekte. Das TDS3000B bietet eine umfassende Auswahl an Speicher- und Druckfunktionen, die diese Aufgabe unterstützen. Eine eigene HARD COPY -Taste druckt den Bildschirminhalt auf dem optionalen Plug-in-Drucker oder über einen an den Standard-Parallelanschluss des TDS3000B angeschlossenen Tintenstrahl- oder Laser-Drucker aus. Das Bild kann aber auch in verschiedenen Formaten, wie.bmp,.eps,.tif und anderen, auf einer Diskette gespeichert werden. Diese Formate sind mit führenden Textverarbeitungs-, Seitenlayout- und Büropräsentationsprogrammen kompatibel. Abbildung 4. Das TDS3000B zeigt die Oberwellenanalyse eines Netzteils der Klasse D mit 250 W. Der Cursor zeigt, dass die dritte Oberwelle (bei 180 Hz) den IEC Grenzwert von 850 ma übersteigt. Schlussbemerkungen Leistungsmessungen sind nicht länger auf den Einsatz hochspezialisierter Werkzeuge, wie Leistungsmesser und Oberwellen-Analysatoren, beschränkt. Das TDS3000B Digital-Phosphor-Oszilloskop in Kombination mit dem TDS3FFT-Anwendungsmodul kann Spannungs-, Stromstärke-, Leistungs- und Oberwellenmessungen durchführen und dient außerdem als vielseitiges Werkzeug für Netzteildesign und -fehlersuche. 5

6 Das TDS3000B DPO löst die heutigen Probleme bei der Leistungsmessung Der TDS3PRT Plug-in-Drucker liefert eine unmittelbar portierbare Dokumentation Ihrer Arbeit. Asiatische Länder (65) Australien und Neuseeland 61 (2) Belgien +32 (2) Brasilien und Südamerika 55 (11) Dänemark +45 (44) Deutschland + 49 (221) Das TDS3FFT-Modul bietet FFT- Messfähigkeiten in db- oder linearen Effektivwertskalen. Es sind vier FFT-Fensterformate wählbar (Rectangular, Hamming, Hanning, Blackman-Harris). Finnland +358 (9) Frankreich und Nordafrika Großbritannien und Irland +44 (0) Hongkong (852) Indien (91) Italien +39 (2) Japan (Sony/Tektronix Corporation) 81 (3) Kanada 1 (800) Der Tastkopf P5205 ist ein aktiver Differenzialtastkopf mit 100 MHz, der schnelle Anstiegszeiten von Signalen in potenzialfreien Schaltungen messen kann. Mexiko, Mittelamerika und Karibik 52 (5) Niederlande Norwegen Österreich, Mittelosteuropa, Griechenland, Türkei, Malta und Zypern Polen (48) Republik Korea 82 (2) Schweden Die gleichstromgekoppelte Stromzange TCP202 dient zum Darstellen und Messen der Stromstärke in elektronischen Schaltungen. Sie eignet sich ideal für Netzteil- und Motorsteuerungsdesigns sowie Gerätetests. Weitere Informationen Tektronix verfügt über eine umfassende, laufend erweiterte Sammlung an n, technischen Informationsblättern und anderen Ressourcen für Ingenieure, die an der Vorfront der Technologie arbeiten. Besuchen Sie bitte Resources For You auf unserer Website unter: Schweiz +41 (41) Spanien und Portugal Südafrika (2711) Taiwan 886 (2) USA 1 (800) Volksrepublik China 86 (10) In anderen Regionen wenden Sie sich bitte telefonisch an Tektronix, Inc. unter der Rufnummer: +1 (503) Copyright 2001 Tektronix, Inc. Alle Rechte vorbehalten. Tektronix-Produkte sind durch in den USA und anderen Ländern ausgestellte und angemeldete Patente geschützt. Die Informationen in dieser Publikation ersetzen die Informationen in zuvor veröffentlichten Materialien. Änderungen an technischen Daten und Preisen vorbehalten.tektronix und TEK sind eingetragene Warenzeichen von Tektronix, Inc. Alle anderen Servicezeichen, Warenzeichen oder eingetragenen Warenzeichen sind im Besitz der jeweiligen Firmen TD/PG 3GG