Tápegységek megfelelő tesztelése (1. rész) Teljes elektronika
Ránézésre
Ez a három részre osztott cikksorozat leírja, hogy egy DC/DC tápegységet hogyan tesztelnek helyesen, és hogyan lehet biztosítani annak megbízható működését a legváltozatosabb üzemi körülmények között.
Az áramellátás minden elektronikus termék alapja. Ezért ellenőrizni kell teljesítményüket és tervezési tartalékaikat, hogy kiváló minőségű és megbízható termék jöjjön létre. Ha elhagyja ezt az ellenőrzést, akkor fennáll a kellemetlen helyzetek kockázata, amikor a termékhibák csak a terepen fordulnak elő. Előfordulhat, hogy az áramellátás tipikus körülmények között kielégítően működik, de már a normál működés határán van. Ha egy tápegységet felmelegítenek vagy lehűlnek, vagy ha az alkatrészei elöregednek, akkor a tulajdonságai megváltozhatnak úgy, hogy a túltervezés miatt meghibásodik.
Nem számít, milyen egyszerű egy áramellátási áramkör, azt képzett személynek kell tesztelnie annak biztosítása érdekében, hogy megfeleljen a követelményeknek. Még akkor is, ha a szoftvert meg kell írni, és az FPGA-k teljes hibakeresésére van szükség, fontos ellenőrizni, hogy az áramellátás megfelelően működik-e, és hogy a kialakítása megfelelő tartalékokkal rendelkezik-e.
Az áramellátás tesztelése nem bonyolult. Azonban pontosan tudnia kell, hogy milyen tesztekre van szükség, és hogyan kell azokat megfelelően elvégezni. A tervezőknek ezért ki kell dolgozniuk egy teszt specifikációt és egy teszt tervet az adott tápegységhez. A vizsgálati specifikációnak tartalmaznia kell az összes elfogadható működési határt és a különféle működési feltételeket (hőmérséklet, hálózati viszonyok stb.), Amelyek mellett a rendszernek működnie kell. A tesztterv viszont leírja azt az eljárást, amellyel biztosítható, hogy a tervezés megfeleljen a vizsgálati előírásoknak.
A rendszerfeltételek (hálózat, terhelés és így tovább) és a környezeti feltételek alkalmazásonként nagyon eltérnek. Az egyes vizsgálati előírások és vizsgálati tervek a rendszertől függően változnak. Ez a cikk nem foglalkozik a tervezési tartalékokkal, amelyeket figyelembe kell venni a kiváló minőségű termékek tervezésénél, de feltételezi, hogy a tesztszabályokat megértették. Ez a vállalat elsősorban olyan szilárd módszerek ismertetésével foglalkozik, amelyekkel ellenőrizhető és ellenőrizhető, hogy a tervezés megfelel-e, vagy ha lehetséges, meghaladja a specifikációkat.
szimuláció
Az alkatrészek modellezése és szimulációja nagy utat tett meg, így a tervezők nagyszerű eszközöket kaptak a tápegységek gyorsabb tervezéséhez. Különösen a bonyolult rendszerek esetében néha nehéz pontosan szimulálni a rendszer terhelését, így a szimulációk során bizonyos mértékig feltételezésekre kell támaszkodni. Ha a legkülönbözőbb impedanciájú terheléseket csatlakoztatják a nagy rendszerek tápvezetékeihez, akkor a tápegységek váratlan viselkedést mutathatnak, amelyet csak pontos vizsgálatokkal lehet detektálni. Az olyan szimulációs eszközök, mint a TI Webenchje, segítenek abban, hogy gyorsan kialakuljon egy szilárd tervezés, amelyet a mérnökök kiváló kiindulópontként használhatnak a hardver felépítéséhez. Mindazonáltal csak a valós áramkör laboratóriumi vizsgálatai adhatnak pontos információkat a rendszer viselkedéséről a meghatározott működési feltételek szélső pontjain.
A vizsgáló berendezés
Az áramellátás helyes teszteléséhez szükséges berendezés a tesztelt áramkör típusától függ, és a rendelkezésre álló pénzügyi költségvetés is meghatározza. Az alábbi lista felsorol néhány eszközt, amelyekről később részletesebben tárgyalunk:
- Egyenáramú tápegység (ha lehetséges programozható változatban) elegendő feszültséggel és áramerősséggel a tesztelendő tervhez.
- Elektronikus vagy dinamikus tesztterhelés megfelelő feszültséggel és áramerősséggel a rendszer számára. Lehetőleg egy fokozatosan változtatható terhelésű programozható verziót kell használni.
- Két voltmérő kellő pontossággal a megadott specifikációkhoz.
- Két ampermérő (vagy kis ohmos ellenállás további feszültségmérőkkel). Az ampermérőt egy elektronikus terhelés aktuális mérési funkciójával lehet helyettesíteni.
- Legalább 500 MHz sávszélességű oszcilloszkóp és szonda a zajméréshez.
- Tápegységek stabilitásának mérésére alkalmas frekvenciaválasz vagy hálózati elemző.
A vizsgálatok előkészítése
Miután a tápegységet megtervezték és megépítették a gyártásra szánt alkatrészekkel, úgy kell elhelyezni, hogy a bemenet és a kimenet hozzáférhető legyen. Ha lehetséges, az első teszthez le kell választani a rendszer terhelését. Ily módon a maximális és a minimális terhelés tesztelhető, miközben a rendszer védve marad a tesztelt eszköz esetleges meghibásodásaitól. Miután ellenőrizte a megfelelő funkciót, érdemes elvégeznie néhány tesztet a rendszer terhelésével - esetleg párhuzamosan csatlakoztatott elektronikus tesztterheléssel a legrosszabb esetek szimulálására. Például a stabilitás és a zaj mérése jobban elvégezhető a reaktív rendszer terhelésével, mint az ohmos vizsgálati terheléssel.
A vizsgálatok előkészítése érdekében a jobb hozzáférhetőség érdekében vezetékeket kell lefektetni a tápegység bemenetére és kimenetére. Ezeknek a vonalaknak azonban a lehető legrövidebbeknek kell lenniük, és nagy keresztmetszettel kell rendelkezniük, hogy csekély legyen a feszültségesés. Hogy melyik keresztmetszetre van szükség részletesen, az az aktuális szilárdságtól függ, de általában a vastagabb kábeleket részesítik előnyben. A kimeneti csatlakozásokat közvetlenül az utolsó kimeneti kondenzátor mindkét oldalán kell elhelyezni, míg a bemeneti vezetékeket a bemeneti kondenzátor közelében kell csatlakoztatni. Jelölje meg egyértelműen a vonalakat a fordított polaritás elkerülése érdekében.
1. ábra: Egy további visszacsatoló ellenállással táp- és mérőpontok állíthatók be a stabilitási mérésekhez tápegység-kivitelben. Texas Instruments
A legtöbb áramellátási áramkör tartalmaz egy vezérlőhurkot, amely a kimeneti feszültséget visszajuttatja a szabályozó IC visszacsatoló bemenetére. A stabilitási mérések elvégzéséhez hozzá kell adni egy olyan alkatrészt, amely lehetővé teszi a hálózati elemzőből származó jel betáplálását (erről bővebben később). A visszacsatoló hurokba kis, 10-50 ohmos ellenállás vezethető be anélkül, hogy túlzott kimeneti feszültséghibát okozna. Az ellenállás a kimenet és a visszacsatoló hálózat felső vége között van összekötve (1. ábra). A kiegészítő ellenállást a lehető legközelebb kell elhelyezni a felső visszacsatolási ellenálláshoz. 5 cm-nél rövidebb rövid vonalaknak kell jönniük a kiegészítő ellenállásból, hogy a hálózati elemző csatlakoztatható legyen. Egyes tervezők az áramellátás áramköri lapját ezzel a visszacsatolási ellenállással és a megfelelő tesztcsatlakozásokkal eleve felszerelik a tesztelés egyszerűsítése érdekében. Ezt az ellenállást el lehet hagyni a gyártás során, és dróthíddal lehet helyettesíteni.
2. ábra: Kísérleti beállítás az egyenfeszültség-átalakítók zaj- és hatékonyságmérésére. Texas Instruments
A 2. ábra egy tipikus tesztelrendezést mutat be, amely alkalmas a következő tesztekre.
A kimeneti feszültség pontossága és tűrése
Mivel a modern rendszerek egyre alacsonyabb tápfeszültséget igényelnek, a kimeneti feszültség pontosságára vonatkozó követelmények egyre növekszenek, mivel az áramkörök gyakran nagyon szigorú tűréseket igényelnek. A kezdeti pontosság mellett az összes többi tényezőt is figyelembe kell venni, amely befolyásolja az általános pontosságot. Ami a teljes meglévő feszültséghatárba kerül, e sorozat alatt és a második részben foglalkozunk vele.
A kimeneti pontosság mérése nem nehéz, de még nem nyújt információt a legrosszabb pontosságról, amely a gyártásban bekövetkezik az alkatrészek értékének ingadozása miatt. Ez az egyik tervezési határ, amelyet legjobban szimulációval vagy kézi számításokkal lehet meghatározni. A kimeneti feszültség hullámzásával és zajával kapcsolatos ingadozásai (erről bővebben a 2. részben) mérhetők és felhasználhatók a szimulációval vagy számítással meghatározott legrosszabb kezdeti pontossággal a legkisebb és legnagyobb kimeneti feszültség legrosszabb esetekben történő meghatározásához.
A kimeneti feszültség pontosságának teszteléséhez két vagy három különböző bemeneti feszültséget kell beállítani.
Indítási idő és túllépés
Az az idő, amely alatt a tápegység stabil feszültséget biztosít a kimenetén, jelentősen változhat. Mivel ennek a késleltetésnek sok esetben nincs következményes hatása a rendszer működésére, a vonatkozó tesztnek nem lehet jelentősége. Időnként egy tápegység úgy is megtervezhető, hogy csak akkor induljon el, ha a bemeneti feszültség meghalad egy bizonyos értéket. Ezt a feszültséget az IC-k adatlapjain gyakran feszültség alatti blokkolási szintnek nevezik. Az alábbiakban bemutatjuk az áramellátás beindulásához szükséges idő mérésének egyszerű módját a bemeneti feszültség bekapcsolása után. Bemutatták azt is, hogy miként lehet mérni a bekapcsolással kapcsolatos túllépéseket a kimeneten.
Ebben az összefüggésben meg kell jegyezni, hogy a kezdő áram nagyobb, annál rövidebb a tápegység áramkörének indulási ideje. A magas indítási áramok azonban a rendszer feszültségének csökkenését okozhatják, különösen akkor, ha a rendszer általános teljesítménye korlátozott. A bemeneti feszültség csökkenése viszont problémákat okozhat a rendszer más részein. Szükség esetén a tervező egy speciális lágyindítási áramkört tud biztosítani, amely korlátozza a bekapcsolási sebességet. A lágyindítás részletei megtalálhatók a tápellátás-IC-k számos adatlapján.
A tápfeszültség-áramkör üzembe helyezésekor nem ritka, hogy a kimeneti feszültség kezdetben a névleges érték fölé emelkedik, és csak ezután rendeződik. Ezek az úgynevezett túllövések problematikusak lehetnek, ha a csatlakoztatott fogyasztó nem tudja elviselni a magasabb feszültségeket. A nem kívánt túllépés gyakran elkerülhető egy lágyindító áramkör hozzáadásával vagy egy meglévő megfelelő méretezésével.
Áramkorlátozás
Hatékonyság kiszámítása
Az áramellátás hatékonyságának kiszámításához elosztja az áramkörből kilépő energiát a bemeneten elnyelt energiával, és az eredményt megszorozza 100-val, hogy százalékot kapjon. A hatékonyság pontos mérése nem nehéz, de még a kis mérési hibák is nagy pontatlanságokat eredményeznek. A hatékonyság meghatározásának hibái általában az alább felsorolt okok egyikére vezethetők vissza.
Hiba: Pontatlan árammérés
Előfordulhat, hogy nem kap pontos eredményeket, ha az áramot digitális voltmérővel (DVM) méri. Egy adott DVM nagy pontosságot érhet el a feszültségméréseknél, de az áramméréseknél nem. Ezt ellenőrizni kell a gyártó műszaki adataiban. Másrészt egy alacsony ohmos, precíziós ellenállás, amelyet sorba kötnek a bemeneti és kimeneti vonalakkal, pontos feszültségmérést tesz lehetővé egy jó voltmérővel együtt. Például egy megfelelően méretezett ellenállás 0,1 ohm és 0,1% tűréssel lehetővé teszi az áram pontos mérését a milliamper tartománytól akár több amperig (I = U/R). Még egy jó minőségű dinamikus terhelés is lehetővé teszi az áram erősségének pontos mérését, de ehhez ellenőrizni kell az adott műszer pontossági információit.
Hiba: A bemeneti és kimeneti feszültség mérése rossz helyen
A hatékonyság mérésekor az egyik leggyakoribb hiba a szondák helytelen elhelyezése. Gyakran elfelejtik, hogy minden vonal ellenáll, és ezért bizonyos veszteségeket okoz. A tápegység bemeneti és kimeneti feszültségének mérésekor ezért fontos, hogy a méréseket közvetlenül az áramkör bemenetén és kimenetén végezzük. Ha viszont a feszültségforrásnál mér, akkor a bemeneti kábelen bekövetkező veszteségek oda vezethetnek, hogy a meghatározott hatékonyság alacsonyabb, mint a valóságban. A kimeneti feszültséget szintén közvetlenül az áramkör kimenetén kell mérni, ha lehetséges, még közvetlenül a kimeneti kondenzátorokon is. Ha viszont a mérést csak a csatlakoztatott terhelésnél hajtják végre, vagy ha a terhelésbe épített voltmérőt használják, akkor a hatékonyság szintje alacsonyabb, mint a valóságban.
Hiba a hatékonyságmérés során
3. ábra: A kapcsolási interferencia 41,5 mVpp 9 A kimeneti áram mellett, az interferencia feszültség 110 mVpp 53 MHz-en. A bemenő áramot 60 mA-en mértük terhelés nélkül (valószínű magveszteség), és az L csökkentésével tovább csökkenthető. Texas Instruments
Hiba: földelő hurkok
A tápegységek mérésekor gyakran elkövetik azt a hibát, hogy az oszcilloszkóp földje egy olyan potenciálhoz kapcsolódik, amely a föld felett vagy alatt van. Ez azt eredményezi, hogy egy áram áramlik az oszcilloszkópba vagy onnan. Az ilyen földhurkok nemcsak jelentős mérési hibákat okozhatnak, hanem károsíthatják is a mérőműszereket. Ezért körültekintően kell eljárni, amikor az oszcilloszkóp földelését a tápegységekhez csatlakoztatja.
A második rész a zaj, valamint a hálózati és terhelési tranziensek, a kimeneti kapcsolási zavarok és a kapcsolási csomópont jelgörbéinek mérésére alkalmas mintavételi módszerekkel foglalkozik.