Правилно тестване на захранващи устройства (част 1)

С един поглед

Тази поредица от статии, разделени на три части, описва как DC/DC захранването е правилно тествано и как може да се гарантира, че работи надеждно при най-различни условия на работа.

Захранването е в основата на всеки електронен продукт. Следователно трябва да проверите техните експлоатационни и дизайнерски резерви, така че да се създаде висококачествен и надежден продукт. Ако се откажете от тази проверка, рискувате от неприятни ситуации, когато неизправности на продукта се случват само на полето. Може да се случи захранването да работи задоволително при типични условия, но вече е на границата на нормалната работа. Ако захранването се нагрява или охлажда или ако компонентите му остареят, свойствата му могат да се променят по такъв начин, че да се повреди поради свръхпроектиране.

Колкото и проста да е веригата за захранване, тя трябва да бъде тествана от квалифицирано лице, за да се гарантира, че отговаря на изискванията. Дори когато трябва да се напише софтуер и се изисква пълно отстраняване на грешки на FPGA, важно е да се провери дали захранването работи правилно и дали неговият дизайн има адекватни резерви.

Тестването на захранване не е сложно. Трябва обаче да се знае точно какви тестове се изискват и как да се извършат правилно. Поради това дизайнерите трябва да изработят спецификация за изпитване и план за изпитване на съответното захранване. Спецификацията на теста трябва да включва всички допустими експлоатационни граници и различните работни условия (температура, мрежови условия и т.н.), при които системата трябва да функционира. Планът за изпитване, от друга страна, описва процеса, който може да се използва, за да се гарантира, че дизайнът отговаря на спецификацията на теста.

Условията на системата (мрежа, натоварване и т.н.) и условията на околната среда варират значително от едно приложение до друго. Индивидуалните спецификации на теста и плановете за тестване варират в зависимост от системата. Тази статия не разглежда проектните резерви, които трябва да се вземат предвид при проектирането на висококачествени продукти, но предполага, че правилата за изпитване са разбрани. Тази компания се занимава предимно с описанието на солидни методи, с които може да се провери и провери дали даден дизайн отговаря или, ако е възможно, надвишава неговите спецификации.

симулация

Моделирането и симулацията на компоненти са изминали дълъг път, давайки на дизайнерите страхотни инструменти за по-бързо проектиране на захранвания. По-специално при сложните системи е трудно да се симулира прецизно натоварването на системата, така че при симулациите трябва да се разчита до известна степен на предположенията. Когато товари с най-различен импеданс са свързани към захранващите линии в големи системи, захранващите блокове могат да проявят неочаквано поведение, което може да бъде открито само чрез прецизни тестове. Инструментите за симулация като Webench на TI помагат бързо да се излезе със солиден дизайн, който инженерите могат да използват като чудесна отправна точка за изграждане на хардуера. Независимо от това, само лабораторни тестове на реалната верига могат да дадат точна информация за поведението на системата в екстремните точки на посочените работни условия.

Тестовото оборудване

Оборудването, необходимо за правилно тестване на захранване, зависи от типа на тестваната верига и също се определя от наличния финансов бюджет. Следният списък изброява някои устройства, които ще бъдат обсъдени по-подробно по-късно:

Захранване с постоянен ток (ако е възможно в програмируема версия) с достатъчно напрежение и ток за конструкцията, която ще се тества.
Електронно или динамично тестово натоварване с достатъчно напрежение и сила на тока за системата. За предпочитане трябва да се използва програмируема версия с инкрементално променлив товар.
Два волтметра с достатъчна точност за дадените спецификации.
Два амперметра (или нискоомични резистори с допълнителни волтметри). Амперметър може да бъде заменен от текущата функция за измерване на електронен товар.
Осцилоскоп с честотна лента най-малко 500 MHz и сонда за измерване на шума.
Честотна характеристика или мрежов анализатор, подходящ за измерване на стабилността на захранванията.

Подготовка на тестовете

След като захранването е проектирано и изградено с компонентите, предназначени за производство, то трябва да бъде разположено така, че входът и изходът да са достъпни. Ако е възможно, натоварването на системата трябва да бъде изключено за първия тест. По този начин максималното и минималното натоварване могат да бъдат тествани, докато системата остава защитена от възможни неизправности на тестваното устройство. След като правилната функция е проверена, може да искате да извършите някои тестове със свързано системно натоварване - вероятно с електронен тестов товар, свързан паралелно, за да симулирате най-лошите сценарии. Например, измерванията на стабилност и шум могат да се извършват по-добре при натоварване на реактивната система, отколкото при омично тестово натоварване.

При подготовката за тестовете трябва да се положат линии към входа и изхода на захранващия блок поради съображения за по-добра достъпност. Тези линии обаче трябва да бъдат възможно най-къси и да имат голямо напречно сечение, така че да няма малък спад на напрежението върху тях. Кое напречно сечение е необходимо в детайли, зависи от силата на тока, но обикновено се предпочитат по-дебели кабели. Изходните връзки трябва да бъдат поставени директно от двете страни на последния изходен кондензатор, докато входните линии трябва да бъдат свързани близо до входния кондензатор. Маркирайте линиите ясно, за да избегнете обръщане на полярността.

Фигура 1: С допълнителен резистор с обратна връзка, захранващите и измервателните точки за измервания на стабилността могат да бъдат настроени в захранващ дизайн. Texas Instruments

Повечето схеми на захранване съдържат контролна верига, която подава изходното напрежение обратно към входа за обратна връзка на IC на регулатора. За да се извършат измервания на стабилност, трябва да се добави компонент, който позволява подаването на сигнал от мрежов анализатор (повече за това по-късно). Малко съпротивление от 10 до 50 ома може да се вмъкне в контура за обратна връзка, без да се създава прекомерна грешка на изходното напрежение. Резисторът е свързан между изхода и горния край на мрежата за обратна връзка (Фигура 1). Допълнителният резистор трябва да бъде поставен възможно най-близо до горния резистор с обратна връзка. Късите линии с дължина по-малка от 5 cm трябва да идват от допълнителния резистор, за да може да се свърже мрежовият анализатор. Някои дизайнери оборудват платката на своето захранване с този резистор с обратна връзка и съответните тестови връзки от самото начало, за да опростят тестването. Този резистор може да се пропусне в производството и да се замени с теленен мост.

Фигура 2: Експериментална настройка за измерване на шум и ефективност на преобразуватели на постояннотоково напрежение. Texas Instruments

Фигура 2 показва типична настройка на теста, която е подходяща за следните тестове.

Точност и толеранс на изходното напрежение

Тъй като съвременните системи изискват все по-ниски захранващи напрежения, изискванията за точността на изходното напрежение нарастват, тъй като веригите често изискват много строги допустими отклонения. В допълнение към първоначалната точност трябва да се вземат предвид и всички други фактори, които влияят върху общата точност. Какво влиза в общото съществуващо ограничение на напрежението е разгледано по-долу и във втората част на тази серия.

Измерването на точността на изхода не е трудно, но все още не предоставя никаква информация за най-лошия случай на точност, която се появява в производството поради колебанията в стойността на компонентите. Това е една от границите на проектиране, която се определя най-добре чрез симулация или ръчни изчисления. Пулсациите и свързаните с шума колебания в изходното напрежение (повече за това в част 2) могат да бъдат измерени и използвани заедно с първоначалната точност в най-лошия случай, определена чрез симулация или изчисление, за да се определи минималното и максималното изходно напрежение при най-лоши условия.

За да се тества точността на изходното напрежение, трябва да се зададат две или три различни входни напрежения.

Време за стартиране и надхвърляне

Времето, необходимо на захранването, за да осигури стабилно напрежение на изхода му, може да варира значително. Тъй като това забавяне няма последващ ефект върху работата на системата в много случаи, съответният тест може да бъде без значение. Понякога захранването също може да бъде проектирано по такъв начин, че да не стартира, докато входното напрежение не надвиши определена стойност. Това напрежение често се нарича в информационните листове на IC като Ниво на блокиране на напрежението. По-долу е прост начин за измерване на времето, необходимо за стартиране на захранването след подаване на входното напрежение. Показано е също как свързаните с включването превишения могат да бъдат измерени на изхода.

В тази връзка трябва да се отбележи, че пусковият ток е по-висок, толкова по-кратко е времето за стартиране на верига за захранване. Високите пускови токове обаче могат да доведат до спадане на напрежението в системата, особено ако цялостната производителност на системата е ограничена. Спадът на входното напрежение от своя страна може да причини проблеми на други места в системата. Ако е необходимо, дизайнерът може да осигури специална схема за плавен старт, която ограничава скоростта на включване. Подробности за плавното стартиране можете да намерите в много технически листове за интегрални схеми.

Когато електрическата верига е пусната в експлоатация, не е необичайно изходното напрежение първоначално да се повиши над номиналната стойност и едва след това да се уталожи. Тези така наречени превишения могат да бъдат проблематични, ако свързаният потребител не може да толерира по-високи напрежения. Нежеланите превишения често могат да бъдат избегнати чрез добавяне на схема за плавен старт или правилно оразмеряване на съществуваща.

Ограничение на тока

Изчисляване на ефективността

За да изчислите ефективността на захранването, разделете енергията, излизаща от веригата, на енергията, погълната на входа и умножете резултата по 100, за да получите процент. Точното измерване на ефективността не е трудно, но дори малките грешки в измерването водят до големи неточности. Грешките при определяне на ефективността обикновено могат да бъдат проследени до една от причините, изброени по-долу.

Грешка: Неточно измерване на тока

Възможно е да не получите точни резултати при измерване на тока с цифров волтметър (DVM). Конкретен DVM може да постигне висока точност за измерване на напрежението, но не и за измервания на ток. Това трябва да се провери в техническите данни на производителя. От друга страна, прецизен резистор с ниска ома, свързан последователно с входните и изходните линии, може да даде възможност за прецизни измервания на тока във връзка с добър волтметър. Например, подходящо оразмерен резистор с 0,1 ома и 0,1% толеранс позволява прецизни измервания на тока от милиамперния диапазон до няколко ампера (I = U/R). Дори висококачественото динамично натоварване може да позволи точни измервания на текущата сила, но информацията за точността на съответния инструмент трябва да се провери за това.

Грешка: Измерване на входното и изходното напрежение на грешни места

Една от най-честите грешки при измерване на ефективността е неправилното поставяне на сондата. Често се забравя, че всяка линия има съпротива и следователно причинява определени загуби. При измерване на входното и изходното напрежение на захранващ блок е важно да се правят измерванията директно на входа и изхода на веригата. Ако, от друга страна, измервате при източника на напрежение, загубите, възникващи на входния кабел, могат да доведат до определената ефективност по-ниска, отколкото в действителност. Изходното напрежение също трябва да се измерва директно на изхода на веригата, ако е възможно дори директно на изходните кондензатори. Ако, от друга страна, измерването се извършва само на свързания товар или ако се използва волтметърът, вграден в товара, тук също се получава ниво на ефективност, което е по-ниско, отколкото в действителност.

Грешка в хода на измерването на ефективността

Фиг. 3: Смущението при превключване е 41,5 mVpp при изходен ток 9 A, напрежението на смущения е 110 mVpp при 53 MHz. Входният ток е измерен при 60 mA без товар (вероятни загуби в сърцевината) и може да бъде допълнително намален чрез намаляване на L. Texas Instruments

Грешка: контури на земята

При измерване на захранвания често се допуска грешката, че земята на осцилоскопа е свързана с потенциал, който е над или под земния потенциал. Това води до протичане на ток към или от осцилоскопа. Такива контури на заземяването могат да причинят не само значителни грешки в измерването, но и да повредят измервателните уреди. Следователно трябва да се внимава при свързване на заземяването на осцилоскопа към захранващи устройства.

Втората част се занимава с подходящи методи за вземане на проби за измерване на шума, както и преходни процеси на мрежата и товара, смущаващи смущения на изхода и криви на сигнала в превключващия възел.