Desať praktických tipov na používanie napájacích zdrojov s úplnou elektronikou
Obrázok 1: Zdroje jednosmerného prúdu rady 663xx od spoločnosti Keysight ponúkajú rôzne funkcie na testovanie bezdrôtových a batériových zariadení, najmä pre mobilnú komunikáciu. Keysight
Laboratórne zdroje napájania sa väčšinou pozerajú - a zvyčajne sú - jednoduché zostavy. Používanie ďalších zabudovaných funkcií na kontrolu a analýzu však môže ich výkon značne zvýšiť. Nasledujúci článok popisuje rôzne spôsoby, ako je možné efektívnejšie implementovať prevádzkové a meracie funkcie laboratórnych napájacích zdrojov v testovacích zostavách a pri každodennom používaní.
Tip 1: Na vyrovnanie strát v linke použite štvorvodičovú technológiu
Keď jednotka napájania opustí továreň, jej riadiace meracie prípojky sa zvyčajne pripoja k výstupným svorkám. To obmedzuje funkcie regulácie napätia zdroja - aj pri veľmi krátkych linkách. Čím dlhšie sú čiary a čím menší je priemer čiary, tým horšia je regulácia. To sa zhoršuje, akonáhle sa na prepnutie prúdu na záťaž použijú relé.
Pri diaľkovom snímaní je záťaž pripojená k napájaniu pomocou štvorvodičovej technológie. Zatiaľ čo výstupné svorky napájacieho zdroja sú pripojené k záťaži prostredníctvom elektrického vedenia, snímacie svorky sú pripojené k záťaži samostatným skrúteným a tieneným 2-vodičovým vedením od zosilňovača regulačnej slučky napájania. To umožňuje presnejšiu reguláciu na konci elektrického vedenia priamo na záťaži, a nie na výstupných svorkách napájacej jednotky, pretože straty v linke sú kompenzované reguláciou.
Kľúčové údaje
Mnoho ďalších integrovaných funkcií pre riadenie a analýzu môže významne zvýšiť výkonnosť novších laboratórnych napájacích zdrojov, znížiť náklady na externé riadiace a meracie periférie, zaistiť bezpečnejšie prepojenie niekoľkých napájacích zdrojov, ako aj generovať profily prúdu/napätia a určiť výkonové parametre. Vstupy Extra sense pomáhajú kompenzovať dlhé napájacie vedenia, diaľková deaktivácia a vypnutie preťaženia zaisťujú väčšiu bezpečnosť a automatické nastavenie rozsahu urýchľuje testovaciu sekvenciu.
Tip 2: Väčšia bezpečnosť vďaka diaľkovej deaktivácii a vypnutiu preťaženia
Diaľková deaktivácia ponúka bezpečný spôsob vypnutia napájania z dôvodu určitých prevádzkových stavov alebo ochrany operátorov systému, napríklad ak dôjde k neočakávanému otvoreniu dverí rozvádzača alebo k stlačeniu tlačidla núdzového zastavenia.
Implementácia sa uskutočňuje buď prostredníctvom funkcie Remote Inhibit (RI), vstupu na napájacom zdroji, ktorý deaktivuje výstup, akonáhle je pripojenie RI prerušené, alebo prostredníctvom indikátora diskrétnej poruchy (Discrete Fault Indicator, DFI), ktorý poskytuje signál hneď napájací zdroj detekuje užívateľom definovanú chybu. DFI a RI môžu byť reťazovo prepojené bez akýchkoľvek obmedzení, takže porucha ktoréhokoľvek napájacieho zdroja vypne všetky napájacie zdroje v systéme.
Tip 3: Znížte interferenciu/šum pri meraniach malého signálu
Je jednoduchšie zabrániť vzniku porúch, ako ich potom filtrovať. Zdroj s nízkym rušením je najlepší spôsob, ako zabrániť hluku a iným poruchám v meraniach. Tu je možné úspešne použiť spínané zdroje, ak majú ich technické parametre nízky prúd v spoločnom režime (
Obrázok 2: Dolné programovanie pomocou FET proti GND výbojom podporuje kondenzátory rýchlejšie a umožňuje rýchlejšie zmeny napätia. Livingston/Keysight
Ďalej je potrebné zohľadniť prepojenia medzi napájacími zdrojmi a testovaným zariadením (DUT). Rušenie vedením je často spôsobené uzemňovacími slučkami, ktoré je potrebné eliminovať, aby sa v ideálnom prípade použilo iba jedno uzemnenie alebo jeden bod hviezdy. V stojanoch musia byť distribučné cesty jednosmerného prúdu priestorovo oddelené od ostatných linkových ciest, ktoré prenášajú zemné prúdy.
Vyžarované rušenie možno znížiť použitím skrútených, tienených káblov pre výstupné káble a káble na diaľkové meranie. Tienenie káblov by malo byť pripojené k zemi iba na jednom konci (zem/štít s jedným koncom).
Nižšie spoločné rušenie sa dá dosiahnuť prispôsobením impedancií plusových a mínusových výstupov zemi. Impedancia DUT musí byť tiež zosúladená so zemou na jej plusových a mínusových vstupoch.
Napäťové špičky z DUT je možné potlačiť záložným kondenzátorom v blízkosti záťaže. To musí mať nízku impedanciu pri najvyšších testovacích frekvenciách.
Tip 4: Zvýšte rýchlosť testu programovaním dole
Obrázok 3: Negatívny pomocný zdroj je pri programovaní smerom dole pre vyššie výstupné napätie účinnejší ako obvod z obrázku 2. Livingston/Keysight
Výstupné kondenzátory v napájacích zdrojoch sa vybíjajú veľmi pomaly s malým alebo žiadnym zaťažením. Pri testovaní s rôznym napätím sa to stáva problémom, pretože pomalé vybitie má za následok aj pomalé testy. Aby sa to zlepšilo, obvody s dolným programovaním v napájacích zdrojoch zabezpečujú rýchle zníženie výstupného napätia, a tým aj rýchlejšie časy vybíjania.
Používajú sa dva typy obvodov down-programovania: V prvom variante je nad výstupy umiestnený FET. Ak je výstupné napätie vyššie ako nastavená hodnota, FET aktivuje a vybije výstupný kondenzátor (obrázok 2). FET môže slúžiť ako zachytávač pre prúdy medzi 10% a 20% výstupného prúdu napájacieho zdroja. To má za následok mierne zhoršenie dolného programovacieho prúdu v blízkosti 0 V. Alternatívne je dolný programátor umiestnený medzi kladné pripojenie napájacieho zdroja a záporný zdroj (obrázok 3). Toto stiahne výstup nízko bez toho, aby došlo k degradácii blízko 0V.
Niektoré napájacie zdroje môžu zachytávať prúd blízky ich úplnému výstupnému prúdu. To znamená, že ich možno použiť ako programovateľný zdroj alebo načítať.
Tip 5: Automatické určovanie rozsahu zjednodušuje nastavenie
Obrázok 4: Napájacie zdroje s automatickým nastavením rozsahu riadia maximálny výstupný výkon podľa charakteristiky. Livingston/Keysight
Pretože priestor v skúšobných stojanoch a stojanoch je obmedzený, sú výhodné napájacie zdroje s nastaviteľným napätím a prúdmi. Týmto spôsobom je možné testovať konvertory DC/DC pri rôznych kombináciách napätia/prúdu s približne rovnakým výstupom.
Jednoduché jednosmerné napájanie poskytuje iba statickú výstupnú hodnotu a ponúka iba nastavenie maximálneho napätia (Umax) a prúdu (Imax) pre bod maximálneho výkonu (Pmax = Umax · Imax). Pokročilejšie zdroje napájania majú viacrozsahové výstupy s automatickým rozsahom, ktoré pokrývajú početné kombinácie napätia a prúdu (obrázok 4). Vďaka tomu je použitie rôznych zdrojov napájania zbytočné.
Tip 6: Napájacie zdroje v paralelnej alebo sériovej prevádzke
Sériové pripojenie dvoch alebo viacerých zdrojov napájania umožňuje vyššie napájacie napätie. Je potrebné zabrániť prekročeniu plávajúceho napätia alebo záporného napätia na každej napájacej jednotke. Každý napájací zdroj by mal byť nezávisle nastaviteľný, poskytovať rovnaký podiel na celkovom výstupnom napätí a obmedziť prúd na maximum, ktoré záťaž bezpečne zvládne.
Paralelné pripojenie niekoľkých napájacích zdrojov zaisťuje vyššie prúdy - tu však existujú aj obmedzenia. Jedna hlavná jednotka musí pracovať v režime konštantného napätia (CV), druhá v režime konštantného prúdu (CC). Výstupné zaťaženie musí odoberať dostatok prúdu, aby boli jednotky CC v režime riadenia prúdu.
V moderných zdrojoch napájania môžu byť výstupy zoskupené tak, aby poskytovali jeden výstup s vyšším prúdom a výstupným výkonom.
Tip 7: Analýza výkonu pomocou nástrojov vnútornej analýzy napájania
Aby bolo možné určiť napájaciu jednotku pre zariadenia, ktoré sú vystavené dynamickému a pulznému prúdovému zaťaženiu, musí sa určiť špičková a priemerná spotreba jednosmerného prúdu.
To sa deje pomocou osciloskopu, ktorým je možné monitorovať bočník alebo snímač prúdu. Je jednoduchšie a lacnejšie používať napájací zdroj s integrovanou meracou funkciou. Modely, ako napríklad zdroj Keysight 66300 Mobile Communications DC, uchovávajú až 4096 údajových bodov so vzorkovacími intervalmi od 15 µs do 31 200 s a podobne ako osciloskopy zhromažďujú údaje vyrovnávacej pamäte pred a po spustení, keď sú prekročené používateľom definované prahové hodnoty.
Softvér na charakterizáciu zariadení pracuje so zdrojmi jednosmerného prúdu, ktoré majú emuláciu batérie, na presné testovanie návrhov celulárnych zariadení, rádiových zariadení krátkeho dosahu a bezdrôtových sietí LAN. Testy sú zjednodušené dynamickou charakterizáciou prúdu, ukladaním dát a meraniami CCDF (doplnková kumulatívna distribučná funkcia).
Tip 8: Charakterizácia zapínacieho prúdu zdrojom/analyzátorom striedavého prúdu
Charakterizácia zapínacieho prúdu vo fáze zapnutia môže odhaliť zaťaženie komponentov. Týmto spôsobom môžete vyskúšať, či produkt spôsobuje rušenie siete a ovplyvňuje tak ostatné produkty. Analýza tiež pomáha vývojárom pri výbere vhodných poistiek a ističov.
Pre príslušné meranie je potrebný zdroj striedavého prúdu s programovateľnou fázovou funkciou a výstupným spúšťacím portom, digitálny osciloskop a snímač prúdu. Pokročilé zdroje/analyzátory striedavého prúdu so zabudovanou funkciou generátora, digitalizácia prúdového signálu, meranie a synchronizácia špičkového prúdu môžu vykonávať charakteristiku zapínacieho prúdu bez vodičov a synchronizovať jednotlivé prístroje. Podobné analyzátory sú k dispozícii aj pre DC merania.
Tip 9: Jednotka napájania s integrovaným meraním prúdu
Presné meranie napájacích prúdov DUT nad 10 A je mimo rozsah súčasného merania digitálneho multimetra (DMM). Jednou z možností je zvoliť externý bočník a režim napätia DMM. Lepším riešením je vlastné napájanie. Mnoho napájacích zdrojov ponúka presný merací systém vrátane bočníka, ktorý je možné aktivovať jediným príkazom. S presnosťou asi ± 0,5% (alebo lepšou) vysokými výstupnými prúdmi sa ukážu výhody prúdových zdrojov s integrovaným meraním prúdu. Integrovaný bočník je menej presný pri meraní malých prúdov. Napájací zdroj s meraním rozsahu viacerých prúdov však pokrýva väčšinu požiadaviek a ponúka presnosť v plnom rozsahu 0,04% + 15 µA pri nízkych prúdoch (100 mA) alebo 0,04% + 160 µA pri vyšších prúdoch (3 A).
Tip 10: Generujte jednosmerné signály v režime zoznamu
Obrázok 5: Napájacie zdroje s funkciou generátora môžu generovať zložité sekvencie jednosmerného signálu zo zoznamu niekoľkých podporných bodov (čas, napätie). Schéma časovania vyššie zobrazuje jednoduchý ľubovoľný napäťový signál s dvoma opakovaniami. Livingston/Keysight
Namiesto prevodníka DA alebo ľubovoľného generátora signálu pomocou externého riadenia napájacej jednotky je výhodnejšie použiť napájací zdroj so zoznamovým režimom. Tento režim umožňuje zložité sekvencie zmien výstupu, ktoré je možné generovať s rýchlym a presným načasovaním a interne alebo externe synchronizovať. Môžu sa generovať komplexné jednosmerné signály vrátane impulzných sekvencií, ramp, schodov (obr. 5), nízkofrekvenčných sínusových signálov s offsetom DC, ľubovoľných napäťových a prúdových signálov. Akonáhle je zoznam príkazov uložený v zdroji napájania, celý zoznam sa vykoná z jedného príkazu. Ukážkovými aplikáciami sú test PSRR, simulácia štartovacích profilov vozidiel a generovanie výpadkov impulzov.