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Consejos de medida con fuentes de alimentación - Las 10 etapas del diseño

Jueves, 24 de Agosto de 2017 10:36 Carlos Martinez
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1 1 wLas fuentes de alimentación son los caballos de tiro que hay detrás de todos los equipos electrónicos y eléctricos. Vienen en numerosas variedades para adaptarse a la gama de sistemas que alimentan. La carrera hacia diseños de fuentes de alimentación más pequeñas, más ecológicas y más baratas es más intensa que nunca.

Mayor eficiencia, mayores densidades de potencia, menor tiempo de comercialización, requisitos de estándares y reducción de costes están afectando tanto a diseños como a diseñadores. El diseño de una fuente de alimentación es un proceso complejo con numerosos pasos. Con este artículo, seguiremos un flujo de trabajo sencillo y proporcionaremos consejos de prueba en cada una de las 10 etapas de diseño. Esperemos que usted encuentre algunos que harán sus pruebas más eficaces y su vida un poco más fácil.
 
1 2 w1. Selección y caracterización de componentes
Tradicionalmente, las hojas de datos detalladas de los fabricantes de componentes han dado a los diseñadores todas las características operativas necesarias para un buen diseño de fuente de alimentación. Pero los requisitos cada vez más estrictos en nuevos diseños pueden requerir que el diseñador caracterice componentes más allá de los parámetros estándar de la hoja de datos.
- Los componentes de potencia críticos, tales como MOSFET, IGBT y diodos, deben seleccionarse para un parámetro clave optimizado, como una característica on-state, off-state o AC.
-Los componentes deben ser probados a través de rangos de temperatura más allá de las condiciones ideales definidas por la hoja de datos.
-Los componentes pasivos también deben ser probados para las condiciones del mundo real junto con los componentes activos.
Consejos para la medición:
-    Para medir pequeñas diferencias en las características on-state, como VTH (gate threshold voltage), gM (ganancia) y RDSON (on-resistance), utilice un instrumento capaz de conducir decenas de amperios para producir un voltaje medible. Como es sabido, para las mediciones de baja corriente off-state, tales como fugas (IDSS), utilice un instrumento capaz de obtener alta tensión para producir corriente medible.
-    Para BVDSS (breakdown voltage), tendrá que ser capaz de alimentar varias veces el voltaje de trabajo de su dispositivo.
-    Medir la capacitancia del dispositivo frente al voltaje (CISS, COSS, CRSS) en dispositivos sencillos de 2 terminales, o transistores complejos de 3 a 4 terminales, utilizando un sistema de medida de capacitancia capaz de probar en toda la gama de voltaje de operación DC del dispositivo. Los equipos LCR tradicionales puede medir la capacitancia, pero no a través de toda la tensión de funcionamiento.
Características de los equipos:
Los SourceMeters de Keithley actúan como 4 instrumentos en uno: fuente de voltaje / corriente, medidor de voltaje / corriente, barrido y carga programable del generador de funciones.
 Los SourceMeters de Keithley pueden medir las características IV en los componentes de μV a 3 kV y fA a 100 A. IVy software de pantalla táctil para la plataforma Android hace que sea fácil de comprobar las características IV en los componentes.

2 equipos w2. Encendido de circuito DC de baja tensión
La siguiente etapa en el ciclo de diseño es la creación de prototipos. Los primeros prototipos son propensos a numerosos modos de fallo. Muchas cosas pueden salir mal con el direccionamiento de la placa, las juntas de soldadura, la colocación de los componentes y los parásitos, así que proceda con cautela.
-    Utilice siempre un multímetro digital para comprobar si hay cortocircuitos en todas las etapas de entrada y salida antes de encender.
-    Aísle el circuito analógico y digital de baja tensión en tantos subcircuitos como sea posible y encienda la placa del prototipo, un sub-circuito cada vez.
-    Aislar la fuente de alimentación a bordo y probar la salida con y sin carga. Compruebe si la tensión de salida y la ondulación son las esperadas.
-    Utilice una fuente de alimentación DC de precisión para alimentar los subcircuitos individuales de baja tensión en lugar de depender de la fuente de alimentación a bordo. (Si la fuente de alimentación integrada tiene varias salidas, utilice una fuente de alimentación DC con múltiples canales aislados).
Consejos para la medición:
Utilice una fuente de alimentación DC que muestre simultáneamente los ajustes programados y las salidas reales medidas para indicar rápidamente si las etapas de DC están dibujando demasiada corriente. De lo contrario, conecte un DMM entre la fuente de alimentación y el dispositivo bajo prueba para vigilar de cerca el consumo de corriente. Cuando necesite proporcionar un voltaje preciso a su sistema bajo prueba, utilice una fuente de alimentación de banco de detección remota de 4 hilos para eliminar el impacto de cualquier caída de tensión en el cableado entre la fuente de alimentación del banco y su sistema en prueba.

Características de los equipos:
La fuente de alimentación de medición de precisión 2280S de Keithley puede medir bajas corrientes de estado de modo de reposo con una resolución de 10 nA y una precisión del 0,05%.


3 2 w3. Encendido del circuito AC de alto voltaje
Ahora que todos los circuitos de bajo voltaje han sido comprobados, es hora de encender los circuitos de alta tensión. Esta es la etapa en la que su prototipo verá alta tensión por primera vez.
-    Siempre es una buena idea aislar las etapas de alto voltaje de todas las etapas de bajo voltaje durante el primer encendido.
-    Considere el uso de una fuente de alimentación AC con limitación de corriente. Comience siempre desde el voltaje AC más bajo para su diseño. Esto ayudará a reducir los chispazos debido a la mala soldadura, mal montaje o errores de diseño de la PCB.
-     Mediante el uso de tensiones diferenciales y de corriente de medida apropiada, mida el voltaje y la corriente de entrada AC.
-    Utilice un scope o un analizador de potencia en la entrada AC con el registro habilitado antes de encender el dispositivo bajo prueba por primera vez. Capture las corrientes de arranque y los transitorios.
-    Una vez comprobado el estado de potencia de alta tensión, active el circuito de control de baja tensión para obtener una imagen completa.
Consejos para la medición:
Para utilizar una sonda de corriente de sujeción para medir el consumo de baja corriente de entrada AC de su sistema descargado, puede aumentar la corriente vista por la sonda. Simplemente haga un bucle del conductor de línea a través de la sujeción más de una vez. ¡Recuerde dividir su lectura actual por el número de vueltas! . Utilice un analizador de potencia con una función de registro continuo para registrar la corriente de arranque. En el caso de un fallo catastrófico durante el encendido, al menos tendrá algunos datos para investigar las posibles causas.
Características de los equipos:
El Analizador de Potencia PA1000 ofrece el modo de corriente de arranque para medir el pico durante el arranque de corriente. El software DPOPWR ofrece una amplia suite de análisis de potencia que puede ayudarle a medir y depurar los parámetros de alimentación AC de entrada durante el encendido.

4 w4. Depuración del circuito de control digital y analógico
Esta es la etapa en la que se comprueba la lógica de control. Ésta es probablemente la parte más importante y más compleja del diseño donde usted tiene que comprobar la apropiada respuesta de compensación, voltaje, sincronización y frecuencia.
-     Medir la señal de modulación en el controlador del dispositivo de conmutación durante el encendido para verificar la frecuencia de conmutación adecuada, el ancho de pulso y el ciclo de trabajo en diferentes cargas.
-     Compruebe la respuesta de frecuencia del bucle incorporando una señal de barrido de frecuencia a través de un transformador de inyección de banda ancha en el bucle de control.
-    Utilice un analizador de respuesta de frecuencia para medir la ganancia y la fase del circuito.
Consejos para la medición:
Controle las tensiones de entrada y salida, así como señales de feedback o de control para verificar que la respuesta del bucle (por ejemplo, damping crítico) sea la esperada durante los cambios de voltaje de entrada y carga de salida. Supervise las tensiones y corrientes de entrada y salida junto con las señales de control para verificar el funcionamiento de circuitos tales como arranque suave, protección contra cortocircuito, apagado y retroceso de corriente (current fold-back). Para fuentes de alimentación controladas digitalmente, capture y muestre las visualizaciones, correlacionada en tiempo, de las señales de control del bus serie, analógico, digital para visualizar el funcionamiento del sistema y verificar que el sistema de control funciona según lo diseñado.

Características de los equipos:
El software DPOPWR puede ayudarle con el análisis de modulación en señales en señales PWM difíciles de medir.

5 1 w5. Características de conmutación de etapa de potencia
Después de verificar los circuitos de alta tensión, los circuitos de bajo voltaje y la lógica de control, es hora de comprobar las características de conmutación de la etapa de potencia.
-    Pruebe las características de conmutación en condiciones de carga, carga nominal y carga completa.
-    Asegúrese de que los tiempos de encendido, apagado, ciclo de trabajo y tiempos muertos de todos los interruptores (MOSFET, IGBT, etc.) sean los esperados basándose en cálculos de diseño.
-    Compruebe todas las señales VGS de ruido y baches, ya que cualquier fallo no deseado en este terminal puede provocar un encendido y disparo no deseados.
-    Dependiendo de la topología, compruebe el tiempo muerto para rectificadores de sincronización o H-bridges, para asegurarse de que no hay posibilidad de disparo.
-    Verifique las relaciones de sincronización entre los controladores de puerta y las señales relacionadas para asegurarse de que son como se esperaba.
5 2 wConsejos para la medición:
Utilice sondas diferenciales con una clasificación de tensión apropiada para medir con seguridad las señales no referenciadas a tierra. Si es difícil medir señales de puerta flotante, sondee la entrada del controlador de puerta para verificar tiempos muertos entre los FETs superior e inferior. Mida las corrientes en los puntos de voltaje mínimo para reducir el crosstalk.

Características de los equipos:
Los scopes de Tektronix proporcionan un modo de alta resolución para minimizar el ruido y asegurarse de que el encendido y apagado se pueden calcular con la mayor precisión posible.

6 1 w6. Pruebas de pérdida de conducción y conmutación
Las pérdidas de conmutación y conducción a través de interruptores de potencia y componentes magnéticos son los principales factores que contribuyen a la pérdida global de un sistema. Es importante minimizar estas pérdidas especialmente para diseños modernos de alta eficiencia.
-     El cálculo de las pérdidas de conmutación y conducción basadas en una hoja de datos puede ser engañosa, ya que no proporciona un perfil completo de pérdidas que tenga en cuenta las condiciones de funcionamiento y los parásitos del circuito.
-     Es importante comprobar el rectificador, los interruptores (MOSFETs, IGBTs, etc.) y los componentes magnéticos para las pérdidas, cuando el circuito está activo y cargado. Más a menudo que no, los componentes magnéticos están diseñados a medida. Al igual que los dispositivos de conmutación, es importante probar los componentes magnéticos en funcionamiento, para caracterizarlos adecuadamente.

Consejos para la medición:
Para medir las pérdidas de los interruptores, utilice un scope de alta resolución y recuerde alinear las sondas de voltaje y corriente. Utilice las funciones de filtrado y promediado para obtener resultados precisos durante un período determinado. Para medir la pérdida de conmutación en un osciloscopio, puede multiplicar el voltaje por corriente y tomar la media de la forma de onda de potencia resultante durante el encendido o apagado. Si usted tiene análisis de potencia, hará este proceso más fácil y más repetible.

Características de los equipos:
El software DPOPWR ofrece una excelente solución para la comprobación dinámica de la pérdida de potencia magnética y propiedades magnéticas como la inductancia y la curva B-H. DPOPWR proporciona técnicas automáticas de cálculo para medir las pérdidas repetidas de conmutación y conducción en conmutadores de alta potencia mientras están activos en el circuito.

7 1 w7. Pruebas de Eficiencia y Especificaciones
El siguiente paso es ver si el diseño cumple con los estándares de eficiencia y otras especificaciones requeridas, como la regulación de líneas y cargas, ondulación, ruido, protección contra cortocircuitos y respuesta transitoria.
-     Mida la eficiencia usando un analizador de potencia multicanal de alta precisión mientras barre la potencia desde sin carga a carga completa usando una carga electrónica.
-    Para la regulación de la carga, utilice un DMM de alta precisión directamente en los terminales de entrada y salida de la fuente de alimentación y barra la carga desde el mínimo hasta el máximo. Es importante que la tensión de entrada se mantenga constante durante la prueba. Registre cualquier cambio en la tensión de salida en función de la carga para determinar la regulación de la carga.
-    La regulación de la línea se puede probar con una configuración similar donde la tensión de salida se mide a través de una carga constante, mientras que la entrada de voltaje AC varía desde el mínimo hasta el máximo. Esta prueba es especialmente importante para las fuentes de alimentación de entrada universal.
-    Compruebe si hay ruido y ondulación a plena carga usando un scope optimizado para mediciones de alta resolución o un multímetro de muestreo gráfico de alta precisión. El scope proporcionará, normalmente, mayor ancho de banda, pero el multímetro dará mayor precisión.

7 2 wConsejos para la medición:
 Para medir voltajes de bajo nivel como ondulación, minimice la atenuación de la sonda (1X o 2X, si es posible) para obtener la mejor relación señal / ruido en sus mediciones de osciloscopio. No confíe en la fuente AC ni en las lecturas de carga electrónicas para las pruebas de regulación de línea o carga. Utilice instrumentos de precisión directamente en los terminales de la fuente de alimentación para una mejor precisión de medición y para minimizar la caída a través de los cables de entrada y salida. Utilice un adaptador de sonda de muelle de tierra de baja inductancia o un accesorio similar al medir el ruido de alta frecuencia y la ondulación con un osciloscopio. Los cables de tierra de la sonda estándar actúan como antenas y capturan el ruido ambiental, generando errores significativos en las lecturas.
Características de los equipos:
El Tektronix PA3000 con una precisión del 0,04% y una capacidad de alimentación en reposo de 10mW, permite una medición precisa de la eficiencia y la potencia desde ninguna carga a plena carga.
Las cargas electrónicas Keithley 2380 DC pueden bajar una amplia gama de corrientes y de voltajes, en versiones 200 W, 250 W, y 750 W.
El multímetro gráfico de muestreo DMM7510 de Keithley tiene un digitalizador de 18 bits, 1 MS / s para capturar con precisión transitorios rápidos y ondulación pequeña.

8 1 w8. Pruebas de cumplimiento de la línea eléctrica
¡Felicidades! Su primer prototipo está en funcionamiento. Es hora de comprobar si el diseño cumplirá con las normas locales de línea eléctrica.
-    La mayoría de las fuentes de alimentación AC-DC están diseñadas para funcionar desde una toma eléctrica de pared AC y están sujetas a estrictos estándares de consumo de energía y de calidad de energía, tales como el IEC 62301 de consumo en reposo y los estándares IEC 61000-3-2 de armónicos de corriente. El cumplimiento de estas normas debe ser comprobado a principios del ciclo de diseño para evitar futuros dolores de cabeza.
-    Asegúrese de que el analizador de potencia que utiliza para probar los armónicos de corriente cumple con la norma IEC 61000-4-7 para las técnicas de medición.


 8 TIP wConsejos para la medición:
 Evite la espera y utilice soluciones de preacondicionamiento asequibles para comprobar si cumple con la marca CE, ENERGY STAR®, estándares IEC de reposo y armónicos. Esto ahorrará mucho tiempo y problemas más adelante en el ciclo de diseño. Pruebe el pre-cumplimiento temprano y a menudo.
Compruebe las conexiones cuando mida una alimentación en reposo baja y distorsionada. Un cableado incorrecto puede provocar errores significativos. Asegúrese de conectar siempre el canal del voltímetro en el lado de la fuente de la derivación de corriente para que no mida la corriente a través de la impedancia del voltímetro

Características de los Equipos:
Tektronix ofrece soluciones de pre-acondicionamiento para los armónicos de corriente IEC61000-3-2, soluciones de conformidad para la alimentación en reposo IEC62301 y ENERGY STAR, así como límites definidos por el usuario. El analizador de potencia PA1000 tiene una capacidad de medición de corriente de 20 μA que permite medir la energía en reposo hasta 5 mW. La Tektronix Breakout Box proporciona dos terminales separados para las mediciones del lado de la carga y de la fuente, lo que hace que sea fácil y seguro para lecturas precisas de baja potencia para las pruebas de energía en reposo.

9 w9. Resolución de problemas EMI y Pre-compatibilidad
Las pruebas EMI y RFI a menudo se ignoran en las primeras etapas del diseño debido a la dificultad y el gasto que implican. Esto puede dar lugar a sorpresas desagradables y retrasos en los proyectos a medida que vayan llegando los plazos.
-    Compruebe los problemas EMC al principio del ciclo de diseño para evitar cambios innecesarios en la placa y retraso en los plazos. Con un analizador de espectro y máscaras de compatibilidad EMI predefinidas, puede realizar pruebas de pre-compatibilidad y detectar problemas EMI antes de ir al laboratorio de pruebas.
-     Utilice un osciloscopio de dominio mixto (MDO) con un analizador de espectro incorporado y sondas de camp para localizar rápidamente las fuentes de EMI. Puede medir los picos espectrales y deducir las causas de origen, equipado con el osciloscopio y un esquema.
Consejos para la medición:
Utilice soluciones asequibles de pre-cumplimiento EMI para probar la compatibilidad EMC y RFI antes en la fase de prototipo para ahorrar tiempo y dinero a largo plazo. Utilice sondas de campo con scopes de dominio mixto o analizadores de espectro para localizar y ubicar fuentes de RF.
Características de los equipos:
Los osciloscopios de la serie MDO4000 pueden ayudarle a ver todo el sistema y medir las relaciones entre los eventos analógicos, digitales, de bus serie y las emisiones espectrales. El Tektronix RSA306 proporciona análisis de espectro en tiempo real y le permite detectar explosiones de EMI de corta duración. El tiempo de grabación prolongado ayuda a capturar ráfagas poco frecuentes.

10 equipos w10. Validación del diseño
Ahora que has probado a fondo tu primer prototipo, es hora de ponerse en marcha e ir a la próxima revisión.
-    Repita todos los pasos de prueba discutidos anteriormente como un chequeo de comprobación.
-    Cuando todo esté preparado, es hora de seguir avanzando en su diseño, y de comprobar su fiabilidad.
-    Pruebe la fuente de alimentación para todas las configuraciones de entrada. Esto es especialmente importante para las fuentes de alimentación de entrada universal.
-    Barra la carga desde ninguna carga a plena carga para probar su fuente de alimentación para todas las posibles condiciones de funcionamiento.
-    Ejecute una prueba de por vida utilizando cámaras medio-ambientales para comprobar el rendimiento real de su diseño.
Consejos para la medición:
Utilice una fuente AC con clasificaciones de entrada universal y una certificada para las pruebas IEC. Esto ayudará a asegurarse de que su producto pasará las pruebas de cumplimiento. Utilice un analizador de potencia en la entrada y salida de la fuente de alimentación para medir todos los parámetros de entrada AC como factor de potencia, factor de cresta, armónicos y corriente de pico, junto con la eficiencia del sistema.

10 pantallas wCaracterísticas de los equipos:
El software PWRVIEW con Analizadores de Potencia de Tektronix proporciona eficiencia, alimentación en reposo, armónicos y pruebas de consumo de energía (WHr) con una gran cantidad de funciones gráficas y de registro para validación de diseño a largo plazo.

 

Publicado en Convertronic Número 149

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