Правильне тестування джерел живлення (частина 1) All-Electronics

З одного погляду

Ця серія статей, розділена на три частини, описує, як правильно перевіряється джерело живлення постійного та постійного струму та як можна забезпечити надійну роботу в самих різних умовах експлуатації.

Блок живлення є основою кожного електронного продукту. Тому необхідно перевірити їх експлуатаційні характеристики та їх проектні резерви, щоб створити високоякісний та надійний продукт. Якщо ви відмовитесь від цієї перевірки, ви ризикуєте неприємними ситуаціями, коли виходи з ладу трапляються лише в полі. Може трапитися так, що блок живлення задовільно працює за типових умов, але вже знаходиться на межі нормальної роботи. Якщо блок живлення нагрівається або охолоджується, або якщо його компоненти старіють, його властивості можуть змінюватися таким чином, що він виходить з ладу через надмірну конструкцію.

Якою б простою не була схема живлення, вона повинна бути перевірена кваліфікованою особою, щоб переконатися, що вона відповідає вимогам. Навіть коли потрібно писати програмне забезпечення та вимагати повної налагодження ПЛІС, важливо переконатися, що джерело живлення працює належним чином і що його конструкція має достатні резерви.

Перевірка джерела живлення не є складною. Однак потрібно точно знати, які тести необхідні та як правильно їх проводити. Тому проектувальники повинні розробити специфікацію випробування та план випробувань для відповідного джерела живлення. Специфікація випробування повинна включати всі допустимі робочі межі та різні умови експлуатації (температура, умови мережі тощо), за яких система повинна функціонувати. План випробувань, навпаки, описує процедуру, за допомогою якої можна забезпечити відповідність конструкції вимогам випробування.

Системні умови (мережа, навантаження тощо) та умови навколишнього середовища сильно варіюються в залежності від додатка. Індивідуальні технічні умови та плани випробувань різняться залежно від системи. Ця стаття не стосується проектних резервів, які необхідно враховувати при розробці високоякісних виробів, але передбачає розуміння правил випробувань. Ця компанія в першу чергу займається описом надійних методів, за допомогою яких її можна перевірити та перевірити, що конструкція відповідає або, якщо можливо, перевищує її технічні характеристики.

моделювання

Моделювання та моделювання компонентів пройшло довгий шлях, давши дизайнерам чудові інструменти для більш швидкого проектування джерел живлення. Зокрема, зі складними системами важко точно моделювати навантаження на систему, так що при моделюванні до певної міри потрібно покладатися на припущення. Коли навантаження з найрізноманітнішим імпедансом підключаються до ліній електроживлення у великих системах, блоки живлення можуть виявляти несподівану поведінку, яку можна виявити лише за допомогою точних випробувань. Інструменти моделювання, такі як Webench TI, допомагають швидко розробити надійний дизайн, який інженери можуть використовувати як чудову вихідну точку для побудови обладнання. Тим не менше, лише лабораторні випробування реальної схеми можуть дати точну інформацію про поведінку системи в крайніх точках заданих робочих умов.

Випробувальне обладнання

Обладнання, необхідне для правильної перевірки джерела живлення, залежить від типу ланцюга, який тестується, а також визначається наявним фінансовим бюджетом. У наведеному нижче списку перераховані деякі пристрої, які будуть розглянуті більш докладно пізніше:

Джерело постійного струму (якщо можливо у програмованій версії) з достатніми напругою та струмом для конструкції, що перевіряється.
Електронне або динамічне випробувальне навантаження з достатніми напругою та силою струму для системи. Слід використовувати програмовану версію з поступово змінним навантаженням.
Два вольтметра з достатньою точністю для заданих специфікацій.
Два амперметри (або низькоомічні резистори з додатковими вольтметрами). Амперметр можна замінити поточною функцією вимірювання електронного навантаження.
Осцилограф з пропускною здатністю не менше 500 МГц і зонд для вимірювання шуму.
АЧХ або мережевий аналізатор, придатний для вимірювання стабільності на джерелах живлення.

Підготовка тестів

Після проектування та побудови джерела живлення з компонентами, призначеними для виробництва, його слід розташувати так, щоб вхід і вихід були доступні. Якщо це можливо, для першого тесту навантаження системи слід відключити. Таким чином можна перевірити максимальне та мінімальне навантаження, в той час як система залишається захищеною від можливих несправностей тестованого пристрою. Після перевірки правильної функції, можливо, ви захочете провести деякі тести з підключеним навантаженням системи - можливо, з електронним тестовим навантаженням, підключеним паралельно, для імітації гірших сценаріїв. Наприклад, вимірювання стабільності та шуму можна проводити краще при навантаженні реактивної системи, ніж при омічному випробувальному навантаженні.

Під час підготовки до випробувань слід прокласти лінії до входу та виходу блоку живлення для покращення доступності. Однак ці лінії повинні бути якомога коротшими і мати великий переріз, щоб на них було незначне падіння напруги. Який переріз необхідний детально, залежить від сили струму, але, як правило, кращі товсті кабелі. Вихідні з'єднання слід розміщувати безпосередньо по обидва боки останнього вихідного конденсатора, тоді як вхідні лінії повинні бути підключені поблизу вхідного конденсатора. Позначте лінії чітко, щоб уникнути зміни полярності.

Рисунок 1: За допомогою додаткового резистора зворотного зв'язку в конструкції джерела живлення можна встановити точки подачі та вимірювання для вимірювання стійкості. Texas Instruments

Більшість ланцюгів живлення містять контур управління, який подає вихідну напругу назад на вхід зворотного зв'язку мікросхеми регулятора. Для проведення вимірювань стабільності необхідно додати компонент, який дозволяє подавати сигнал від мережевого аналізатора (про це далі). Невеликий опір від 10 до 50 Ом можна вставити в петлю зворотного зв'язку, не викликаючи надмірної помилки вихідної напруги. Резистор з'єднаний між виходом і верхнім кінцем мережі зворотного зв'язку (рис. 1). Додатковий резистор слід розміщувати якомога ближче до верхнього резистора зворотного зв'язку. Короткі лінії довжиною менше 5 см повинні надходити від додаткового резистора, щоб можна було підключити мережевий аналізатор. Деякі дизайнери оснащують друковану плату свого джерела живлення цим резистором зворотного зв'язку та відповідними тестовими з'єднаннями з самого початку для спрощення тестування. Цей резистор можна опустити у виробництві та замінити дротовим мостом.

Рисунок 2: Експериментальна установка для вимірювання шуму та ефективності на перетворювачах постійної напруги. Texas Instruments

На малюнку 2 показано типове налаштування тесту, яке підходить для наступних тестів.

Точність та допуск вихідної напруги

Оскільки сучасні системи вимагають дедалі нижчих напруг живлення, вимоги до точності вихідної напруги зростають, оскільки схеми часто вимагають дуже жорстких допусків. На додаток до початкової точності також слід враховувати всі інші фактори, що впливають на загальну точність. Те, що входить у загальну існуючу межу напруги, розглядається нижче та у другій частині цієї серії.

Виміряти вихідну точність не складно, але вона ще не дає жодної інформації про найгіршу точність, яка виникає на виробництві через коливання вартості компонентів. Це одна з проектних меж, яку найкраще визначити за допомогою моделювання або ручних розрахунків. Пульсації та пов'язані з шумом коливання вихідної напруги (детальніше про це в частині 2) можуть бути виміряні та використані разом з початковою точністю найгіршого випадку, визначеною моделюванням або розрахунком, для визначення мінімальної та максимальної вихідної напруги в гірших умовах.

Для перевірки точності вихідної напруги необхідно встановити дві-три різні вхідні напруги.

Час запуску та перевитрата

Час, необхідний блоку живлення для забезпечення стабільної напруги на його виході, може значно змінюватися. Оскільки ця затримка у багатьох випадках не має наслідків для роботи системи, відповідне тестування може не мати значення. Іноді блок живлення також може бути спроектований таким чином, що він не запускається, поки вхідна напруга не перевищить певне значення. Ця напруга часто згадується в таблицях даних ІС як рівень блокування напруги. Далі наведено простий спосіб виміряти час, необхідний для запуску джерела живлення після подачі вхідної напруги. Також показано, як можна виміряти перевитрати на виході, пов’язані з увімкненням.

У зв'язку з цим слід зазначити, що пусковий струм тим більший, чим коротший час пуску ланцюга живлення. Однак високі пускові струми можуть призвести до падіння напруги в системі, особливо якщо загальна продуктивність системи обмежена. Падіння вхідної напруги, в свою чергу, може спричинити проблеми в інших місцях системи. При необхідності конструктор може запропонувати спеціальну схему плавного пуску, яка обмежує швидкість включення. Подробиці щодо плавного пуску можна знайти в багатьох технічних паспортах для ІС живлення.

Якщо ланцюг живлення введений в експлуатацію, нерідкі випадки, коли вихідна напруга спочатку піднімається вище номінального значення і лише потім осідає. Ці так звані перевищення можуть бути проблематичними, якщо підключений споживач не може переносити вищі напруги. Небажаних перевитрат часто можна уникнути, додавши схему плавного пуску або правильно встановивши розміри існуючої.

Обмеження струму

Розрахунок ефективності

Щоб розрахувати ефективність джерела живлення, ви ділите енергію, що виходить із ланцюга, на енергію, поглинену на вході, і помножте результат на 100, щоб отримати відсоток. Точне вимірювання ефективності не складно, але навіть невеликі похибки вимірювання призводять до великих неточностей. Помилки у визначенні ефективності, як правило, можна простежити за однією з причин, перелічених нижче.

Помилка: Неточне вимірювання струму

Можливо, ви не отримаєте точних результатів при вимірюванні струму цифровим вольтметром (DVM). Конкретний DVM може досягти високої точності для вимірювань напруги, але не для вимірювань струму. Це повинно бути перевірено в технічних даних виробника. З іншого боку, низькоомний прецизійний резистор, підключений послідовно до вхідних та вихідних ліній, може забезпечувати точні вимірювання струму в поєднанні з хорошим вольтметром. Наприклад, відповідний розмір резистора з 0,1 Ом та допуском 0,1% дозволяє проводити точні вимірювання струму від діапазону міліампер до декількох ампер (I = U/R). Навіть якісне динамічне навантаження може дозволити точні вимірювання сили струму, але інформацію про точність відповідного приладу потрібно перевіряти.

Помилка: вимірювання вхідної та вихідної напруги в неправильних місцях

Однією з найпоширеніших помилок при вимірюванні ефективності є неправильне розміщення щупів. Часто забувають, що кожна лінія має опір і тому спричиняє певні втрати. Тому при вимірюванні вхідної та вихідної напруги блоку живлення важливо проводити вимірювання безпосередньо на вході та виході ланцюга. Якщо, з іншого боку, вимірювати на джерелі напруги, втрати, що виникають на вхідному кабелі, можуть призвести до того, що визначена ефективність буде нижчою, ніж насправді. Вихідну напругу також слід вимірювати безпосередньо на виході схеми, по можливості навіть безпосередньо на вихідних конденсаторах. Якщо, навпаки, вимірювання проводяться лише на підключеному навантаженні або якщо використовується вольтметр, вбудований у навантаження, тут також отримують рівень ефективності, який нижчий, ніж насправді.

Помилка в процесі вимірювання ефективності

Рис. 3: Перешкоди перемикання складають 41,5 мВпп при вихідному струмі 9 А, напруги перешкод 110 мВпп при 53 МГц. Вхідний струм вимірювали при 60 мА без навантаження (ймовірні втрати в сердечнику) і може бути додатково зменшений зменшенням L. Texas Instruments

Помилка: заземлення петель

При вимірюванні джерел живлення часто допускається помилка в тому, що земля осцилографа підключена до потенціалу, який знаходиться вище або нижче земного потенціалу. Це призводить до течії струму до осцилографа або від нього. Такі петлі заземлення можуть не тільки спричинити значні похибки вимірювання, але й пошкодити вимірювальні прилади. Тому слід бути обережним при підключенні заземлення осцилографа до джерел живлення.

Друга частина стосується придатних методів вибірки для вимірювання шуму, а також перехідних процесів мережі та навантаження, перешкод перемикання на виході та кривих сигналу на комутаційному вузлі.