Správne testovanie napájacích zdrojov (časť 1), úplná elektronika

Na prvý pohľad

Táto séria článkov, rozdelená do troch častí, popisuje, ako je správne testovaný napájací zdroj DC/DC a ako je možné zaistiť jeho spoľahlivú prevádzku v najrôznejších prevádzkových podmienkach.

Napájanie je základom každého elektronického produktu. Preto je potrebné overiť ich výkon a konštrukčné rezervy, aby vznikol kvalitný a spoľahlivý produkt. Ak sa tohto overenia vzdáte, vystavujete sa riziku nepríjemných situácií, keď dôjde k poruchám produktu iba v teréne. Môže sa stať, že napájací zdroj pracuje uspokojivo za typických podmienok, ale už je na hranici normálnej prevádzky. Ak je napájací zdroj zahriaty alebo ochladený alebo ak jeho komponenty starnú, môžu sa jeho vlastnosti zmeniť tak, že v dôsledku nadmerného dimenzovania zlyhajú.

Bez ohľadu na to, aký jednoduchý je obvod napájania, mal by byť testovaný kvalifikovanou osobou, aby sa zistilo, či spĺňa požiadavky. Aj v prípade, že je potrebné napísať softvér a je potrebné úplné odladenie FPGA, je dôležité overiť, či napájací zdroj funguje správne a či má jeho dizajn dostatočné rezervy.

Testovanie napájacieho zdroja nie je zložité. Je však potrebné presne vedieť, aké testy sa vyžadujú a ako ich správne vykonať. Dizajnéri by preto mali vypracovať špecifikáciu skúšky a plán skúšok pre príslušné napájanie. Špecifikácia skúšky by mala obsahovať všetky prijateľné prevádzkové limity a rôzne prevádzkové podmienky (teplota, sieťové podmienky atď.), Za ktorých musí systém fungovať. Plán skúšok na druhej strane popisuje postup, ktorým sa dá zabezpečiť, aby návrh vyhovoval špecifikácii skúšky.

Podmienky systému (sieť, zaťaženie atď.) A podmienky prostredia sa medzi aplikáciami veľmi líšia. Jednotlivé špecifikácie testov a plány testov sa líšia v závislosti od systému. Tento článok sa nezaoberá rezervami dizajnu, ktoré je potrebné zohľadniť pri navrhovaní vysoko kvalitných výrobkov, ale predpokladá, že sú dodržané predpisy o testovaní. Táto spoločnosť sa zaoberá predovšetkým popisom spoľahlivých metód, pomocou ktorých je možné skontrolovať a overiť, či dizajn spĺňa alebo, ak je to možné, presahuje jeho špecifikácie.

simulácia

Modelovanie komponentov a simulácia prešli dlhou cestou, vďaka ktorej majú dizajnéri vynikajúce nástroje na rýchlejšiu navrhovanie napájacích zdrojov. Najmä v prípade zložitých systémov je niekedy ťažké presne simulovať zaťaženie systému, takže pri simuláciách sa treba do istej miery spoliehať na predpoklady. Ak sú na napájacie vedenia vo veľkých systémoch pripojené záťaže s najrôznejšími impedanciami, môžu napájacie jednotky vykazovať neočakávané správanie, ktoré je možné zistiť iba presnými testami. Simulačné nástroje, ako je Webench od spoločnosti TI, pomáhajú rýchlo prísť s pevným dizajnom, ktorý môžu inžinieri použiť ako skvelý východiskový bod pre výrobu hardvéru. Iba laboratórne testy skutočného obvodu však môžu poskytnúť presné informácie o správaní sa systému v extrémnych bodoch stanovených prevádzkových podmienok.

Skúšobné zariadenie

Vybavenie potrebné na správne otestovanie napájania závisí od typu testovaného obvodu a je určené aj dostupným finančným rozpočtom. Nasledujúci zoznam uvádza zoznam niektorých zariadení, o ktorých sa bude podrobnejšie diskutovať neskôr:

Napájanie jednosmerným prúdom (pokiaľ je to možné v programovateľnej verzii) s dostatočným napätím a prúdom pre testovanú konštrukciu.
Elektronické alebo dynamické skúšobné zaťaženie s dostatočnou silou napätia a prúdu pre systém. Výhodne by sa mala použiť programovateľná verzia s prírastkovo premenlivým zaťažením.
Dva voltmetre s dostatočnou presnosťou pre dané špecifikácie.
Dva ampérmetre (alebo nízkoohmické rezistory s prídavnými voltmetrami). Ampérmeter je možné nahradiť funkciou merania prúdu elektronickej záťaže.
Osciloskop s šírkou pásma najmenej 500 MHz a sonda na meranie hluku.
Frekvenčná odozva alebo sieťový analyzátor vhodný na meranie stability na napájacích zdrojoch.

Príprava testov

Len čo je napájací zdroj navrhnutý a vyrobený s komponentmi určenými na výrobu, musí byť umiestnený tak, aby bol vstup a výstup prístupný. Ak je to možné, pri prvom teste by sa malo odpojiť zaťaženie systému. Týmto spôsobom je možné testovať maximálne a minimálne zaťaženie, zatiaľ čo systém zostáva chránený pred možnou funkciou testovaného zariadenia. Po overení správnej funkcie možno budete chcieť vykonať niektoré testy so zapojeným zaťažením systému - možno s paralelne zapojeným elektronickým testovacím zaťažením, aby ste simulovali najhoršie scenáre. Napríklad merania stability a hluku je možné vykonať lepšie pri zaťažení reaktívneho systému ako pri ohmickom testovacom zaťažení.

V rámci prípravy na skúšky by sa z dôvodu lepšej prístupnosti malo viesť vedenie k vstupu a výstupu napájacej jednotky. Tieto vedenia by však mali byť čo najkratšie a mali by mať veľký prierez, aby na nich nedochádzalo k malému poklesu napätia. Aký prierez je podrobne potrebný, závisí od sily prúdu, ale všeobecne sa uprednostňujú hrubšie káble. Výstupné pripojenia by mali byť umiestnené priamo na oboch stranách posledného výstupného kondenzátora, zatiaľ čo vstupné vedenia by mali byť pripojené v blízkosti vstupného kondenzátora. Čiary zreteľne vyznačte, aby ste zabránili opačnej polarite.

Obrázok 1: S ďalším spätnoväzbovým rezistorom je možné nastaviť napájacie a meracie body na meranie stability v prevedení napájacieho zdroja. Texas Instruments

Väčšina napájacích obvodov obsahuje riadiacu slučku, ktorá dodáva výstupné napätie späť na spätnoväzbový vstup IC regulátora. Aby bolo možné vykonávať merania stability, je potrebné pridať komponent, ktorý umožňuje napájanie signálu zo sieťového analyzátora (o tom neskôr). Do spätnoväzbovej slučky je možné vložiť malý odpor 10 až 50 ohmov bez toho, aby došlo k nadmernej chybe výstupného napätia. Rezistor je pripojený medzi výstup a horný koniec spätnoväzbovej siete (obrázok 1). Prídavný odpor by mal byť umiestnený čo najbližšie k hornému spätnoväzbovému odporu. Krátke vedenia kratšie ako 5 cm by mali prichádzať z prídavného odporu, aby bolo možné pripojiť sieťový analyzátor. Niektorí dizajnéri vybavujú dosku s plošnými spojmi svojho napájacieho zdroja týmto spätnoväzbovým rezistorom a zodpovedajúcimi testovacími spojeniami od začiatku, aby tak uľahčili testovanie. Tento rezistor možno vo výrobe vynechať a nahradiť ho drôteným mostíkom.

Obrázok 2: Experimentálne nastavenie pre meranie šumu a účinnosti na prevodníkoch jednosmerného napätia. Texas Instruments

Obrázok 2 zobrazuje typické nastavenie testu, ktoré je vhodné pre nasledujúce testy.

Presnosť a tolerancia výstupného napätia

Pretože moderné systémy vyžadujú stále nižšie napájacie napätia, rastú nároky na presnosť výstupného napätia, pretože obvody často vyžadujú veľmi malé tolerancie. Okrem počiatočnej presnosti je potrebné brať do úvahy aj všetky ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú celkovú presnosť. To, čo ide do celkového existujúceho limitu napätia, sa venuje nižšie a v druhej časti tejto série.

Meranie presnosti výstupu nie je zložité, zatiaľ však neposkytuje žiadne informácie o najhoršom prípade presnosti, ktorá sa vyskytuje pri výrobe v dôsledku kolísania hodnoty komponentov. Toto je jeden z konštrukčných limitov, ktorý je najlepšie určiť simuláciou alebo manuálnymi výpočtami. Kolísanie výstupného napätia súvisiace s vlnením a šumom (viac v časti 2) je možné merať a použiť spolu s najhoršou počiatočnou presnosťou stanovenou simuláciou alebo výpočtom na určenie minimálneho a maximálneho výstupného napätia za najhorších podmienok.

Na vyskúšanie presnosti výstupného napätia musia byť nastavené dve alebo tri rôzne vstupné napätia.

Čas spustenia a prestrelenie

Čas, ktorý trvá napájanie, kým na svojom výstupe zabezpečí stabilné napätie, sa môže značne líšiť. Pretože toto oneskorenie nemá v mnohých prípadoch žiadne následné účinky na prevádzku systému, príslušná skúška nemusí mať žiadny význam. Napájací zdroj môže byť niekedy navrhnutý tak, že sa nespustí, kým vstupné napätie nepresiahne určitú hodnotu. Toto napätie sa v údajových listoch IC často označuje ako úroveň blokovania podpätia. Nasleduje jednoduchý spôsob, ako zmerať čas potrebný na spustenie napájacieho zdroja po pripojení vstupného napätia. Ukazuje sa tiež, ako sa dajú na výstupe merať prekročenia súvisiace so zapnutím.

V tejto súvislosti je potrebné poznamenať, že počiatočný prúd je vyšší, tým kratší je začiatočný čas napájacieho obvodu. Vysoké štartovacie prúdy však môžu spôsobiť pokles napätia v systéme, najmä ak je obmedzený celkový výkon systému. Pokles vstupného napätia zase môže spôsobiť problémy kdekoľvek v systéme. V prípade potreby môže konštruktér poskytnúť špeciálny obvod s mäkkým štartom, ktorý obmedzuje rýchlosť zapínania. Podrobnosti o mäkkom štarte nájdete v mnohých údajových listoch výkonových integrovaných obvodov.

Ak je uvedený do činnosti napájací obvod, nie je neobvyklé, že výstupné napätie spočiatku stúpne nad nominálnu hodnotu a až potom sa ustáli. Tieto takzvané prekročenia môžu byť problematické, ak pripojený spotrebiteľ nemôže tolerovať vyššie napätie. Nežiaducim prekročeniam sa dá často vyhnúť pridaním obvodu s mäkkým štartom alebo správnym dimenzovaním existujúceho obvodu.

Súčasné obmedzenie

Výpočet efektívnosti

Ak chcete vypočítať účinnosť napájacieho zdroja, vydelte energiu vychádzajúcu z obvodu energiou absorbovanou na vstupe a výsledok vynásobte 100, aby ste získali percento. Presné meranie účinnosti nie je ťažké, ale aj malé chyby merania vedú k veľkým nepresnostiam. Chyby pri určovaní účinnosti sa zvyčajne dajú hľadať v jednej z príčin uvedených nižšie.

Chyba: Nepresné meranie prúdu

Možno nebudete mať presné výsledky pri meraní prúdu pomocou digitálneho voltmetra (DVM). Konkrétny DVM môže dosiahnuť vysokú presnosť pri meraní napätia, ale nie pri prúdových meraniach. Toto je potrebné skontrolovať v technických údajoch výrobcu. Na druhej strane nízkoohmový presný rezistor zapojený do série so vstupným a výstupným vedením umožňuje presné meranie prúdu v spojení s dobrým voltmetrom. Napríklad vhodne dimenzovaný rezistor s 0,1 ohmami a 0,1% toleranciou umožňuje presné meranie prúdu od miliampérového rozsahu až po niekoľko ampérov (I = U/R). Aj vysokokvalitné dynamické zaťaženie umožňuje presné meranie sily prúdu, je však potrebné skontrolovať informácie o presnosti príslušného prístroja.

Chyba: Meranie vstupného a výstupného napätia na nesprávnych miestach

Jednou z najčastejších chýb pri meraní účinnosti je nesprávne umiestnenie sond. Často sa zabúda na to, že každá linka má odpor, a preto spôsobuje určité straty. Pri meraní vstupného a výstupného napätia napájacej jednotky je preto dôležité vykonávať merania priamo na vstupe a výstupe obvodu. Ak naopak meriate na zdroji napätia, môžu straty na vstupnom kábli viesť k tomu, že zistená účinnosť bude nižšia ako v skutočnosti. Výstupné napätie by sa malo merať aj priamo na výstupe obvodu, pokiaľ je to možné, dokonca aj priamo na výstupných kondenzátoroch. Ak sa naopak meranie vykonáva iba na pripojenom zaťažení alebo ak sa použije voltmetr zabudovaný v záťaži, dosiahne sa tu aj úroveň účinnosti, ktorá je nižšia ako v skutočnosti.

Chyba v priebehu merania účinnosti

Obrázok 3: Spínacia interferencia je 41,5 mVpp pri výstupnom prúde 9 A, interferenčné napätie je 110 mVpp pri 53 MHz. Vstupný prúd bol nameraný pri 60 mA bez zaťaženia (pravdepodobné straty jadra) a je možné ho ďalej znížiť znížením hodnoty L. Texas Instruments

Chyba: pozemné slučky

Pri meraní napájacích zdrojov sa často stáva chybou, že zem osciloskopu je pripojená k potenciálu, ktorý je nad alebo pod potenciálom zeme. To spôsobí, že prúd bude prúdiť do alebo z osciloskopu. Takéto uzemňovacie slučky môžu nielen spôsobiť značné chyby merania, ale aj poškodiť meracie prístroje. Pri pripájaní uzemnenia osciloskopu k zdroju napájania je preto potrebná opatrnosť.

Druhá časť sa zaoberá vhodnými metódami vzorkovania na meranie hluku, ako aj prechodových javov siete a záťaže, rušivých vplyvov spínania na výstupe a signálnych kriviek v spínacom uzle.