Testarea corectă a surselor de alimentare (partea 1) All-Electronics

Dintr-o privire

Această serie de articole, împărțită în trei părți, descrie modul în care o sursă de alimentare DC/DC este testată corect și cum se poate asigura că funcționează fiabil în cele mai variate condiții de operare.

Alimentarea cu energie electrică este baza fiecărui produs electronic. Prin urmare, este necesar să le verificați performanța și rezervele de proiectare, astfel încât să se creeze un produs de înaltă calitate și de încredere. Dacă renunțați la această verificare, aveți riscul apariției unor situații neplăcute atunci când defecțiunile produsului apar doar pe teren. Se poate întâmpla ca o sursă de alimentare să funcționeze satisfăcător în condiții tipice, dar este deja la limita funcționării normale. Când o sursă de alimentare este încălzită sau răcită sau când componentele sale îmbătrânesc, proprietățile sale se pot schimba în așa fel încât să cedeze din cauza supradimensionării.

Indiferent cât de simplu este un circuit de alimentare, acesta trebuie testat de o persoană calificată pentru a se asigura că îndeplinește cerințele. Chiar dacă software-ul trebuie scris și este necesară depanarea completă a FPGA-urilor, este important să verificați dacă sursa de alimentare funcționează corect și că proiectarea sa are suficiente rezerve.

Testarea unei surse de alimentare nu este complexă. Cu toate acestea, trebuie să știm exact ce teste sunt necesare și cum să le efectuăm în mod corespunzător. Prin urmare, proiectanții ar trebui să elaboreze o specificație de testare și un plan de testare pentru sursa de alimentare respectivă. Specificația testului trebuie să includă toate limitele de funcționare acceptabile și diferitele condiții de funcționare (temperatură, condiții de rețea și așa mai departe) la care sistemul trebuie să funcționeze. Planul de testare, pe de altă parte, descrie procesul care poate fi utilizat pentru a se asigura că proiectul îndeplinește specificațiile de testare.

Condițiile sistemului (rețea, încărcare și așa mai departe) și condițiile de mediu sunt foarte diferite de la o aplicație la alta. Specificațiile și planurile de testare individuale variază în funcție de sistem. Acest articol nu tratează rezervele de proiectare care trebuie luate în considerare la proiectarea produselor de înaltă calitate, dar presupune că reglementările de testare sunt înțelese. Această companie este preocupată în primul rând de descrierea metodelor solide cu care poate fi verificată și verificată dacă un design îndeplinește sau, dacă este posibil, depășește specificațiile sale.

simulare

Modelarea și simularea componentelor au parcurs un drum lung, oferind designerilor instrumente excelente pentru proiectarea mai rapidă a surselor de alimentare. În special în cazul sistemelor complexe, uneori este dificil să simulăm cu precizie sarcina pe un sistem, astfel încât trebuie să ne bazăm pe ipoteze într-o anumită măsură în simulări. Dacă sarcinile cu cele mai variate impedanțe sunt conectate la liniile de alimentare în sistemele mari, unitățile de alimentare pot prezenta un comportament neașteptat care poate fi detectat doar prin teste precise. Instrumentele de simulare precum Webench de la TI ajută la elaborarea rapidă a unui design solid pe care inginerii îl pot folosi ca un punct de plecare excelent pentru construirea hardware-ului. Cu toate acestea, numai testele de laborator ale circuitului real pot furniza informații exacte despre comportamentul sistemului în punctele extreme ale condițiilor de operare specificate.

Echipamentul de testare

Echipamentul necesar pentru testarea corectă a unei surse de alimentare depinde de tipul de circuit testat și este, de asemenea, determinat de bugetul financiar disponibil. Următoarea listă listează câteva dispozitive care vor fi discutate mai detaliat mai târziu:

Sursa de curent continuu (dacă este posibil într-o versiune programabilă) cu tensiune și curent suficient pentru proiectarea care urmează să fie testată.
Sarcină de testare electronică sau dinamică cu tensiune și curent suficient pentru sistem. De preferință, ar trebui utilizată o versiune programabilă cu o sarcină variabilă incremental.
Două voltmetre cu precizie suficientă pentru specificațiile date.
Două ampermetre (sau rezistențe cu rezistență redusă cu voltmetre suplimentare). Un ampermetru poate fi înlocuit de funcția de măsurare curentă a unei sarcini electronice.
Osciloscop cu cel puțin 500 MHz lățime de bandă și sondă pentru măsurători de zgomot.
Răspuns în frecvență sau analizor de rețea adecvat pentru măsurători de stabilitate pe surse de alimentare.

Pregătirea testelor

Odată ce o sursă de alimentare a fost proiectată și construită cu componentele destinate producției, aceasta trebuie poziționată astfel încât intrarea și ieșirea să fie accesibile. Dacă este posibil, sarcina sistemului trebuie deconectată pentru primul test. În acest fel, sarcina maximă și minimă poate fi testată în timp ce sistemul rămâne protejat de o eventuală defecțiune a dispozitivului supus testării. Odată ce funcția corectă a fost verificată, poate doriți să efectuați unele teste cu încărcarea sistemului conectată - posibil cu o sarcină de testare electronică conectată în paralel pentru a simula scenariile cele mai nefavorabile. De exemplu, măsurătorile de stabilitate și zgomot pot fi efectuate mai bine cu sarcina sistemului reactiv decât cu sarcina de testare ohmică.

Pentru pregătirea testelor, liniile ar trebui așezate la intrarea și ieșirea unității de alimentare din motive de accesibilitate mai bună. Aceste linii ar trebui, totuși, să fie cât mai scurte posibil și să aibă o secțiune transversală mare, astfel încât să existe o mică cădere de tensiune peste ele. Secțiunea care este necesară în detaliu depinde de puterea curentă, dar sunt preferate în general cabluri mai groase. Conexiunile de ieșire trebuie plasate direct pe ambele părți ale ultimului condensator de ieșire, în timp ce liniile de intrare ar trebui conectate în apropierea condensatorului de intrare. Marcați clar liniile pentru a evita polaritatea inversă.

Imaginea 1: Cu un rezistor de feedback suplimentar, punctele de alimentare și de măsurare pentru măsurători de stabilitate pot fi configurate într-un design al sursei de alimentare. Texas Instruments

Majoritatea circuitelor de alimentare conțin o buclă de control care alimentează tensiunea de ieșire înapoi la intrarea de feedback a unui regulator IC. Pentru a efectua măsurători de stabilitate, trebuie adăugată o componentă care permite alimentarea unui semnal de la un analizor de rețea (mai multe despre aceasta mai târziu). O rezistență mică de 10 până la 50 ohmi poate fi introdusă în bucla de feedback fără a crea o eroare de tensiune de ieșire excesivă. Rezistorul este conectat între ieșire și capătul superior al rețelei de feedback (Figura 1). Rezistorul suplimentar trebuie plasat cât mai aproape posibil de rezistorul de feedback superior. Liniile scurte cu o lungime mai mică de 5 cm ar trebui să provină de la rezistorul suplimentar, astfel încât analizorul de rețea să poată fi conectat. Unii designeri echipează placa de circuit a sursei lor de alimentare cu acest rezistor de feedback și conexiunile de testare corespunzătoare de la început pentru a simplifica testarea. Acest rezistor poate fi omis în producție și înlocuit cu o punte de sârmă.

Figura 2: Configurare experimentală pentru măsurători de zgomot și eficiență la convertoarele de tensiune DC. Texas Instruments

Figura 2 prezintă o configurație tipică de testare, care este potrivită pentru următoarele teste.

Precizia și toleranța tensiunii de ieșire

Deoarece sistemele moderne necesită tensiuni de alimentare tot mai mici, cerințele pentru precizia tensiunii de ieșire sunt în creștere, deoarece circuitele necesită adesea toleranțe foarte strânse. Pe lângă precizia inițială, trebuie luați în considerare toți ceilalți factori care afectează precizia generală. Ceea ce intră în limita generală de tensiune existentă este tratat mai jos și în a doua parte a acestei serii.

Nu este dificil să se măsoare acuratețea ieșirii, dar nu oferă încă nicio informație despre cea mai proastă precizie care apare în producție din cauza fluctuațiilor valorii componentelor. Aceasta este una dintre limitele de proiectare care se determină cel mai bine prin simulare sau calcule manuale. Fluctuațiile legate de zgomot și de zgomot în tensiunea de ieșire (mai multe despre aceasta în partea 2) pot fi măsurate și utilizate împreună cu cea mai slabă precizie inițială determinată prin simulare sau calcul pentru a determina tensiunea de ieșire minimă și maximă în condițiile cele mai nefavorabile.

Pentru a testa precizia tensiunii de ieșire, trebuie setate două sau trei tensiuni de intrare diferite.

Timp de pornire și depășire

Timpul necesar unei surse de alimentare pentru a furniza o tensiune stabilă la ieșire poate varia considerabil. Întrucât această întârziere nu are niciun efect consecvent asupra funcționării sistemului în multe cazuri, testul relevant nu poate avea nicio importanță. Ocazional, o sursă de alimentare poate fi proiectată în așa fel încât să nu pornească până când tensiunea de intrare a depășit o anumită valoare. Această tensiune este adesea denumită în fișele de date IC sub denumirea de nivel de blocare sub tensiune. Următoarea este o metodă simplă de măsurare a timpului necesar pentru pornirea unei surse de alimentare după aplicarea tensiunii de intrare. De asemenea, se arată cum pot fi măsurate depășirile legate de pornire la ieșire.

În acest sens, trebuie remarcat faptul că curentul de pornire este mai mare, cu atât timpul de pornire al unui circuit de alimentare este mai scurt. Cu toate acestea, curenții mari de pornire pot cauza scăderea tensiunii sistemului, mai ales dacă performanța generală a sistemului este limitată. O scădere a tensiunii de intrare, la rândul său, poate provoca probleme în altă parte a sistemului. Dacă este necesar, proiectantul poate furniza un circuit special de pornire soft care limitează viteza de pornire. Detalii despre pornirea soft pot fi găsite în multe fișe de date pentru circuite integrate de alimentare.

Dacă un circuit de alimentare este pus în funcțiune, nu este neobișnuit ca tensiunea de ieșire să crească inițial peste valoarea nominală și numai apoi să se stabilească. Aceste așa-numite depășiri pot fi problematice dacă consumatorul conectat nu poate tolera tensiuni mai mari. Depășirile nedorite pot fi adesea evitate prin adăugarea unui circuit de pornire soft sau dimensionarea corectă a unui circuit existent.

Limitarea curentului

Calculul eficienței

Pentru a calcula eficiența unei surse de alimentare, împărțiți energia care iese din circuit la energia absorbită la intrare și înmulțiți rezultatul cu 100 pentru a obține un procent. Măsurarea precisă a eficienței nu este dificilă, dar chiar și mici erori de măsurare duc la inexactități mari. Erorile la determinarea eficienței pot fi de obicei urmărite înapoi la una dintre cauzele enumerate mai jos.

Eroare: măsurare incorectă a curentului

Este posibil să nu obțineți rezultate exacte atunci când măsurați curentul cu un voltmetru digital (DVM). Un anumit DVM poate obține o precizie ridicată pentru măsurătorile de tensiune, dar nu și pentru măsurătorile de curent. Acest lucru trebuie verificat în datele tehnice ale producătorului. Pe de altă parte, un rezistor de precizie cu ohmi mici conectat în serie cu liniile de intrare și ieșire poate permite măsurători precise de curent împreună cu un voltmetru bun. De exemplu, un rezistor dimensionat corespunzător cu 0,1 ohmi și 0,1% toleranță permite măsurători precise de curent din gama de miliampere până la mai mulți amperi (I = U/R). Chiar și o sarcină dinamică de înaltă calitate poate permite măsurări precise ale puterii curente, dar trebuie verificate informațiile de precizie ale instrumentului respectiv.

Eroare: măsurarea tensiunii de intrare și ieșire în locuri greșite

Una dintre cele mai frecvente greșeli la măsurarea eficienței este plasarea incorectă a sondelor. Se uită adesea că fiecare linie are o rezistență și, prin urmare, provoacă anumite pierderi. Atunci când măsurați tensiunea de intrare și ieșire a unei unități de alimentare cu energie, este, prin urmare, important să luați măsurătorile direct la intrarea și ieșirea circuitului. Dacă, pe de altă parte, măsurați la sursa de tensiune, pierderile care apar pe cablul de intrare pot duce la o eficiență determinată mai mică decât în realitate. Tensiunea de ieșire ar trebui, de asemenea, măsurată direct la ieșirea circuitului, dacă este posibil chiar și direct la condensatoarele de ieșire. Dacă, pe de altă parte, măsurarea se efectuează numai pe sarcina conectată sau dacă se folosește voltmetrul încorporat în sarcină, aici se obține un nivel de eficiență mai mic decât în realitate.

Eroare în cursul măsurării eficienței

Fig. 3: Interferența de comutare este de 41,5 mVpp la un curent de ieșire de 9 A, tensiunile de interferență sunt de 110 mVpp la 53 MHz. Curentul de intrare a fost măsurat la 60 mA fără sarcină (pierderi probabile de miez) și poate fi redus în continuare prin scăderea L. Texas Instruments

Eroare: bucle la sol

La măsurarea surselor de alimentare, se face greșeala adesea că solul osciloscopului este conectat la un potențial care se află deasupra sau sub potențialul solului. Acest lucru face ca un curent să curgă către sau din osciloscop. Astfel de bucle de masă pot provoca nu numai erori semnificative de măsurare, ci și deteriorarea instrumentelor de măsurare. Prin urmare, trebuie să aveți grijă atunci când conectați masa osciloscopului la sursele de alimentare.

A doua parte se referă la metode de eșantionare adecvate pentru măsurarea zgomotului, precum și tranzitorii de rețea și sarcină, perturbări de comutare la ieșire și curbe de semnal la nodul de comutare.