Точно тестирање на напојувања (Дел 1) Цело електроника

На прв поглед

Оваа серија статии, поделена на три дела, опишува како DC/DC напојувањето е правилно тестирано и како може да се осигура дека работи сигурно во најразновидните услови на работа.

Напојувањето е основа на секој електронски производ. Затоа е потребно да се проверат нивните перформанси и нивните резерви на дизајн за да се создаде квалитетен и сигурен производ. Ако се откажете од оваа верификација, ризикувате да имате непријатни ситуации кога дефекти на производот се случуваат само на терен. Може да се случи напојувањето да работи задоволително во типични услови, но веќе да е на границата на нормалното работење. Ако напојувањето се загрева или лади, или ако неговите компоненти стареат, неговите својства можат да се променат на таков начин што не успее поради преголемото димензионирање.

Без оглед колку е едноставно струјното коло за напојување, треба да го тестира квалификувано лице за да се осигура дека ги исполнува барањата. Дури и кога треба да се напише софтвер и потребно е целосно дебагирање на FPGA, важно е да се провери дали напојувањето работи правилно и дека неговиот дизајн има соодветни резерви.

Тестирањето на напојувањето не е комплексно. Сепак, важно е да се знае точно кои тестови се потребни и како да се извршат правилно. Затоа, дизајнерите треба да изготват спецификација за тест и план за тест за соодветното напојување. Спецификацијата на тестот треба да ги вклучува сите прифатливи работни граници и различните работни услови (температура, мрежни услови и така натаму) под кои системот мора да функционира. Планот за тестирање, од друга страна, ја опишува постапката со која може да се обезбеди дека дизајнот ги исполнува спецификациите на тестот.

Системските услови (мрежа, оптоварување и така натаму) и условите на животната средина многу варираат од една до друга апликација. Индивидуалните спецификации на тестот и плановите за тестирање варираат во зависност од системот. Овој напис не се занимава со резервите на дизајнот што мора да се земат предвид при дизајнирање производи со висок квалитет, но претпоставува дека прописите за тестот се разбрани. Оваа компанија првенствено се занимава со опис на цврсти методи со кои може да се провери и потврди дали дизајнот ги исполнува или, доколку е можно, ги надминува неговите спецификации.

симулација

Моделирањето и симулацијата на компонентите поминаа далеку, давајќи им на дизајнерите одлични алатки за побрзо дизајнирање на напојувања. Особено со комплексни системи, понекогаш е тешко прецизно да се симулира оптоварувањето на системот, така што во симулациите треба да се потпреме на претпоставките до одредена мера. Ако оптоварувањата со најразновидна импеданса се поврзани со линиите за напојување во големи системи, единиците за напојување можат да покажат неочекувано однесување што може да се открие само преку прецизни тестови. Алатките за симулација, како што е Webench на TI, брзо доаѓаат до солиден дизајн што инженерите можат да го користат како одлична почетна точка за градење на хардверот. Како и да е, само лабораториските тестови на реалното коло можат да обезбедат точни информации за однесувањето на системот во екстремни точки на наведените услови за работа.

Опремата за тестирање

Опремата потребна за правилно тестирање на напојувањето зависи од видот на колото што се тестира и исто така се определува од расположивиот финансиски буџет. Следната листа наведува неколку уреди за кои подетално ќе се дискутира подоцна:

Напојување со еднонасочна струја (ако е можно во програмабилна верзија) со доволен напон и струја за да се тестира дизајнот.
Електронско или динамично оптоварување со тест со доволен напон и јачина на струја за системот. Пожелно е да се користи програмабилна верзија со постепено променливо оптоварување.
Два волтметри со доволна точност за дадените спецификации.
Два амперметри (или отпорници со низок отпор со дополнителни волтметри). Амперметрот може да се замени со тековната функција за мерење на електронско оптоварување.
Осилоскоп со ширина на опсег од најмалку 500 MHz и сонда за мерење на бучава.
Одговор на фреквенција или мрежен анализатор погоден за мерења на стабилноста на напојувањето.

Подготовка на тестови

Откако ќе се дизајнира и изгради напојување со компонентите наменети за производство, тој мора да биде поставен така што влезот и излезот се достапни. Ако е можно, оптоварувањето на системот треба да се исклучи за првиот тест. На овој начин, максималното и минималното оптоварување може да се тестираат додека системот останува заштитен од можна дефект на уредот што се тестира. Откако ќе се потврди правилната функција, можеби ќе сакате да извршите некои тестови со поврзано оптоварување на системот - можеби со електронско оптоварување на тестот поврзано паралелно за да симулирате сценарија во најлош случај. На пример, мерењата на стабилноста и бучавата можат да се извршат подобро со оптоварувањето на реактивниот систем отколку со омското тест оптоварување.

Како подготовка за тестовите, треба да се постават кабли до влезот и излезот на единицата за напојување за да се обезбеди подобра пристапност. Овие линии треба да бидат колку што е можно пократки и да имаат голем пресек за да има мал пад на напон преку нив. Кој пресек е неопходен детално, зависи од јачината на струјата, но генерално се претпочитаат подебели кабли. Излезните врски треба да бидат поставени директно од двете страни на последниот излезен кондензатор, додека влезните линии треба да бидат поврзани во близина на влезниот кондензатор. Јасно обележете ги линиите за да избегнете пресврт на поларитетот.

Слика 1: Со дополнителен отпорник на повратни информации, може да се постават точки за напојување и мерни точки за мерења на стабилноста во дизајнот на напојувањето. Тексас инструменти

Повеќето кола за напојување содржат контролна јамка која го напојува излезниот напон назад до влезот на повратна информација на ИЦ на регулаторот. За да се извршат мерења на стабилноста, мора да се додаде компонента што овозможува да се напојува сигнал од мрежен анализатор (повеќе за ова подоцна). Мал отпор од 10 до 50 оми може да се вметне во јамката за повратни информации без да се предизвика прекумерна грешка на излезниот напон. Отпорникот е поврзан помеѓу излезот и горниот крај на мрежата за повратни информации (Слика 1). Дополнителниот отпорник треба да се постави што е можно поблиску до горниот отпорник на повратна врска. Кратки линии долги помалку од 5 см треба да доаѓаат од дополнителниот отпорник за да може да се поврзе мрежниот анализатор. Некои дизајнери ја опремуваат плочката на струја со овој отпорник на повратни информации и соодветните тест врски од самиот почеток, со цел да се поедностави тестирањето. Овој отпорник може да се изостави во производството и да се замени со жичен мост.

Слика 2: Експериментално поставување за мерење на бучава и ефикасност на конвертори на еднонасочен напон. Тексас инструменти

Слика 2 прикажува типично поставување тест што е погодно за следниве тестови.

Точност и толеранција на излезен напон

Бидејќи современите системи бараат сè помал напон на напојување, побарувањата за точност на излезниот напон растат, бидејќи кола често бараат многу тесни толеранции. Покрај првичната точност, мора да се земат предвид и сите други фактори кои влијаат на целокупната точност. Она што влегува во вкупната постоечка граница на напон, се решава подолу и во вториот дел од оваа серија.

Не е тешко да се измери точноста на излезот, но ова сè уште не дава никакви информации за најточната точност што се јавува во производството поради флуктуациите на вредноста на компонентите. Ова е една од границите на дизајнот што најдобро се одредува со симулација или рачни пресметки. Флуктуациите на излезниот напон во врска со бранувањето и бучавата (повеќе за ова во Дел 2) може да се измерат и да се користат заедно со почетната точност во најлош случај утврдена со симулација или пресметка за да се одреди минималниот и максималниот напон на излез во најлоши услови.

За да се тестира точноста на излезниот напон, мора да се постават два или три различни влезни напони.

Време на стартување и надминување

Времето потребно за напојување за да се обезбеди стабилен напон на неговиот излез може значително да се разликува. Бидејќи ова одложување нема последични ефекти врз работата на системот во многу случаи, релевантниот тест не може да има никаква важност. Повремено, напојувањето исто така може да се дизајнира на таков начин што не започнува додека влезниот напон не надмине одредена вредност. Овој напон честопати се нарекува во листовите со податоци за IC како Ниво на заклучување под напон. Следното е едноставен начин за мерење на времето потребно за вклучување на напојувањето откако ќе се примени влезниот напон. Исто така е прикажано како може да се измерат прескокнувањата поврзани со вклучувањето на излезот.

Во врска со ова, треба да се забележи дека почетната струја е поголема, толку е пократко времето на стартување на колото за напојување. Сепак, високите почетни струи можат да предизвикаат пад на напонот на системот, особено ако вкупната изведба на системот е ограничена. Падот на влезниот напон, пак, може да предизвика проблеми на друго место во системот. Доколку е потребно, дизајнерот може да обезбеди специјално коло за мек старт што ја ограничува брзината на вклучување. Детали за мекиот старт може да се најдат во многу листови со податоци за ИЦ на напојување.

Ако е ставено во функција коло за напојување, не е невообичаено излезниот напон првично да се издигне над номиналната вредност и дури потоа да се смири. Овие таканаречени пречекорувања можат да бидат проблематични ако поврзаниот потрошувач не може да толерира поголеми напони. Несаканите пречекорувања честопати може да се избегнат со додавање на меко коло за стартување или правилно димензионирање на постојното.

Тековно ограничување

Пресметка на ефикасност

За да ја пресметате ефикасноста на напојувањето, поделете ја енергијата што излегува од колото со енергијата апсорбирана на влезот и помножете го резултатот со 100 за да добиете процент. Мерењето на ефикасноста прецизно не е тешко, но дури и малите грешки во мерењето резултираат во големи неточности. Грешките при утврдување на ефикасноста обично може да се пронајдат во една од причините наведени подолу.

Грешка: Неточно мерење на струјата

Можеби нема да добиете точни резултати кога ја мерите струјата со дигитален волтметар (DVM). Одреден DVM може да постигне висока точност за мерења на напон, но не и за тековни мерења. Ова мора да се провери во техничките податоци на производителот. Спротивно на тоа, прецизен отпорник со низок ом, кој е поврзан во серија со влезните и излезните линии, може да овозможи прецизни мерења на струјата заедно со добар волтметар. На пример, соодветно димензиониран отпорник со 0,1 оми и 0,1% толеранција овозможува прецизни мерења на струјата од опсегот на милиампер до неколку ампери (I = U/R). Дури и висококвалитетно динамичко оптоварување може да овозможи прецизни мерења на јачината на струјата, но информациите за точност на соодветниот инструмент мора да се проверат.

Грешка: Мерење на влезниот и излезниот напон на погрешни места

Една од најчестите грешки направени при мерење на ефикасноста е неправилно поставување на сондата. Честопати се заборава дека секоја линија има отпор и затоа предизвикува одредени загуби. При мерење на влезниот и излезниот напон на единицата за напојување, затоа е важно да се направат мерењата директно на влезот и излезот на колото. Ако, пак, мерите на изворот на напон, загубите што се појавуваат на влезниот кабел може да доведат до утврдената ефикасност да биде помала отколку во реалноста. Излезниот напон исто така треба да се мери директно на излезот од колото, ако е можно дури и директно на излезните кондензатори. Ако, пак, мерењето се врши само на поврзаниот товар или ако се користи волтметар вграден во товарот, тука се добива и ниво на ефикасност што е пониско отколку во реалноста.

Грешка во текот на мерењето на ефикасноста

Сл. 3: Пречки на пречки е 41,5 mVpp на излезна струја од 9 A, напонот на интерференција е 110 mVpp на 53 MHz. Влезната струја беше измерена на 60 mA без оптоварување (веројатно загуби на јадрото) и може дополнително да се намали со намалување на L. Тексас инструменти

Грешка: јамки за заземјување

При мерење на напојувањето, честопати се прави грешка што земјата на осцилоскопот е поврзана со потенцијал што е над или под потенцијалот на земјата. Ова предизвикува проток на струја до или од осцилоскопот. Таквите јамки на земјата може да предизвикаат не само значителни грешки во мерењето, туку и оштетување на мерните инструменти. Затоа треба да се внимава при поврзување на земјата на осцилоскопот со напојувањето.

Вториот дел се однесува на соодветни методи за земање примероци за мерење на бучавата, како и мрежните и преодните оптоварувања, нарушувања на прекинувачот на излезот и криви на сигналот на јазолот за вклучување.