In-Circuit Drossel- & Transformator-Test für Schaltnetzteile

Von Wilson Lee, Technical Marketing Manager bei Tektronix.

Drosseln und Transformatoren sind das Rückgrat von Schaltnetzteilen (SMPS). Um zuverlässigen Betrieb zu garantieren, muss ihre Performance im laufenden Betrieb unter realen Bedingungen verifiziert werden.

Während Komponenten-Datenblätter und Simulationsmodelle das Design leiten, verschieben parasitäre Effekte, Temperaturschwankungen und Signalvariationen oft das tatsächliche Verhalten. Dieser Artikel führt durch Grundlagen und praktische Schritte für die Messung von Drosseln und Transformatoren direkt in einem laufenden SMPS, mittels moderner Oszilloskope, Sonden und B-H-Kurven-Analyse.

Drosseltheorie

Faradays und Lenz' Gesetze beschreiben die Beziehung zwischen Strom durch eine Drossel und Spannung daran:

Umgestellt und integriert ergibt:

In der Praxis können Sie die Induktivität extrahieren, indem Sie Spannungs- und Stromformen mit einem Oszilloskop aufnehmen, das differentielle Spannungssonden, Stromsonden und X-gegen-Y-Plotting unterstützt. Dieser Time-Domain-Ansatz erfasst die wahre Induktivität unter der tatsächlichen Signalform, Amplitude und Frequenz im Netzteil.

Reale Drosseln zeigen Abhängigkeit von Strom, Temperatur und Frequenz, sodass ihr Wert während des Betriebs driften kann.

Abbildung 1. Eine grundlegende Drossel besteht aus einer Spule auf einem ferromagnetischen Kern. Der Strom I (A) fließt durch N Windungen, und die Induktivität beschreibt, wie dieser Strom magnetischen Fluss induziert.

Beispielsweise kann die Induktivität eines Toroids approximiert werden durch:

wobei µ die Kernpermeabilität (H/m), N die Windungszahl, r der Kernradius (cm) und A die Querschnittsfläche (cm²) ist. Da N² dominiert, ist die Windungszahl der größte Hebel für Induktivität. Wahl eines Kerns mit hohem µ erlaubt kleinere physische Größe und geringere Verluste.

Kernmaterial und Geometrie diktieren daher Induktivität über alle Betriebspunkte und resultierende Leistungsverluste.

Induktivitätsmessungen

Designer verifizieren Induktivität normalerweise mit einem LCR-Meter nach Fertigung. LCR-Meter erregen das Bauteil mit einem schmalbandigen Sinus, was für einen schnellen Sanity-Check ausreicht, aber nicht für In-Circuit-Performance vorhersagt. In einem SMPS ist die Erregung typischerweise ein hochfrequenter, nicht-sinusoidaler Puls, daher ist In-Circuit-Messung essenziell.

Um Induktivität In-Circuit zu messen, verbinden Sie eine differentielle Spannungssonde über die Wicklung und eine Stromsonde an dieselbe Wicklung. Die Oszilloskop-Power-Analysis-Software integriert die Spannung über Zeit und teilt durch die Stromänderung, entfernt automatisch DC-Offsets und mittelt über viele Zyklen.

Bei Transformator-Messung vermeiden Sie Belastung des Sekundärs. Messen Sie Primärinduktivität unter No-Load für Magnetisierungsinduktivität; Belastung des Sekundärs ändert die effektive Induktivität durch gegenseitige Kopplung.

Abbildung 2. Die durchschnittliche Induktivität (H) wird aus der Steigung von Strom (CH2) gegen integrierte Spannung (CH1) gewonnen.

Abbildung 3. Der I vs ∫V Plot offenbart auch jeden DC-Bias, der sich über Zyklen akkumuliert.

B-H-Kurven-Messungen

Magnetische Komponenten in einem SMPS müssen im linearen Bereich ihrer Hysterese-Schleife operieren, um Sättigung und übermäßige Verluste zu vermeiden. Allerdings können Betriebsbedingungen mit Laständerungen, Temperatur und Starttransienten variieren, was Design-Zeit-Vorhersage schwierig macht.

B-H-Kurven, geliefert von vielen Kernherstellern, illustrieren die Beziehung zwischen magnetisierender Kraft H (A/m) und Flussdichte B (T). Sie offenbaren Schlüsselparameter:

• Permeabilität (µ) – die Steigung der B-H-Kurve, zeigt wie effizient der Kern H in B umwandelt.
• Sättigungsflussdichte – der Punkt, wo zusätzliches H B nicht mehr erhöht.
• Hysterese-Eigenschaften – die Breite der Schleife, korreliert mit Kernverlust. Weichmagnetische Materialien minimieren Remanenz (Br) und Koerzitivkraft (Hc).

Indikatoren für Instabilität sind ein Peak-B, das dem Sättigungslimit nahekommt, oder eine B-H-Schleife, die zwischen Zyklen verschiebt.

Ein Oszilloskop kann ein B-H-Plot erzeugen, indem es Spannung über und Strom durch die Wicklung misst, dann B und H berechnet aus:

B = (1 / (µ₀·N·A)) · ∫V dt H = I / (l)

wobei l die magnetische Pfadlänge ist. Die Scopes Analysis-Software automatisiert diese Berechnung.

Abbildung 4. Magnetische Messungen an einem Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen. Die orange Wellenform ist der kombinierte Strom bei erregten Sekundärwicklungen.

B-H-Kurven für Transformatoren

Wenn ein Transformator belastet ist, speist Teil des Primärstroms den Sekundär. Um den Magnetisierungsstrom zu isolieren, modelliert man den Transformator mit einer imaginären Drossel Lₘ parallel zum Primär. Lₘ repräsentiert das magnetische Verhalten des Kerns und trägt nur den Magnetisierungsstrom.

Abbildung 5. Äquivalentschaltbild zeigt Magnetisierungsdrossel Lₘ parallel zum Primär.

Verlustanalyse

Magnetische Verluste dominieren den Effizienz-Haushalt eines SMPS. Kernverlust, umfassend Hysterese- und Wirbelstromverlust, hängt von Flussdichte und Frequenz ab, während Kupferverlust aus Wicklungswiderstand resultiert.

Die empirische Steinmetz-Formel schätzt Kernverlust:

wobei k, a und b Materialkonstanten sind, geliefert vom Kernhersteller. Datenblätter geben oft Verlustwerte für sinusförmige Erregung an, aber in einem SMPS ist die Erregung nicht-sinusoidal, daher ist On-the-fly-Messung vorzuziehen.

Abbildung 6. Das Scopes Power-Analysis-Feature mittelt das Produkt v(t) × i(t) für den totalen magnetischen Verlust, inklusive Kupfer- und Kernverlust. Subtraktion des Hersteller-Kernverlusts liefert den Kupferverlust.

Scopes können diese Berechnung für Einwicklungs-Drosseln, Mehrwicklungs-Drosseln oder Transformatoren durchführen. Für einen Transformator speist eine differentielle Sonde am Primär und eine Stromsonde am Primär (und Sekundär falls nötig) die Software, die dann den Verlust in Watt ausgibt.

Zusammenfassend sind Drosseln und Transformatoren kritisch für SMPS-Performance – Filterung, Isolation, Energiespeicherung, Timing. Genaues In-Circuit-Messen mit modernen Oszilloskopen und Power-Analysis-Software stellt sicher, dass diese Komponenten ihre Design-Spezifikationen erfüllen und unter allen Bedingungen zuverlässig operieren.