Sie werden auch in der Stromversorgung für Telekommunikation, Datenkommunikation sowie medizinische und industrielle Anwendungen eingesetzt. Die Eingangs- und Ausgangsspannungen und Leistungsbereiche können stark variieren. Die folgenden Testbeschreibungen sind typisch für die meisten DC/DC-Wandler, erheben jedoch keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Diese Tests können manuell mit der entsprechenden Ausrüstung oder automatisch durch die Kombination der Ausrüstung in einem automatisierten Testsystem (ATS) mit Standard- oder anwendungsspezifischer Software durchgeführt werden. Die Tests dienen der Bestätigung, dass die DC/DC-Wandler innerhalb ihrer spezifizierten Grenzen arbeiten, und können zur Verifizierung während der Produktentwicklungsphase, der Fertigungsphase, der Inspektionsphase oder der Zertifizierungsphase verwendet werden. Die Abbildung (rechts) zeigt ein typisches automatisiertes Testsystem für DC/DC-Wandler.
Die Expertise von Chroma Systems Solutions im Bereich der Leistungsprüfgeräte hat dem Unternehmen geholfen, Prüfgeräte, Software und Zubehör für präzise und detaillierte Tests einer Vielzahl von Leistungsprodukten, einschließlich DC/DC-Wandlern, zu entwickeln. Die Prüfgeräte von Chroma sind speziell für Funktions-, Sicherheits- und Zuverlässigkeitsprüfungen konzipiert.
Die gängigsten Tests für DC2DC-Wandler sind im Folgenden aufgeführt:
Funktionstests:
Testbeschreibung Zugehörige Chroma-Geräte
1. Ein-/Ausschaltzeit und Timing von Ein- und Ausgängen (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
2. Ausgangs-Haltezeit (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
3. Eingangsspannungsbereich, Netzspannungsregelung (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
4. Ausgangsspannungsbereich, Lastregelung (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
5. Transientes Verhalten des Ausgangs (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
6. Ausgangsrauschen PARD, (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
7. Ausgangsüberstromschutz, (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
8. Überspannungsschutz, (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A)
9. Betriebstemperatur, OTP (Chroma 51101, 54100)
10. Simulation benutzerdefinierter Lastwellenformen (Chroma 63600, 63200A)
11. Effizienz (Chroma 62000P, 62000H, 62000B, 63600, 63200A, 6620
12. Ausgangstrimmung
1. Spannungsfestigkeit (DCWV) & Isolationswiderstand (IR) (Chroma 19050, 19070, 19032)
1. Eingangsspannungspegel während des Ein- und Ausschaltens sowie der Testzeiten:
DC/DC-Wandler haben einen festgelegten Betriebsspannungsbereich. Um sicherzustellen, dass DC/DC-Wandler über den gesamten Eingangsspannungsbereich ordnungsgemäß funktionieren, werden sie mit einem einstellbaren oder programmierbaren Gleichstromnetzteil getestet, das die Eingangsspannung und -leistung bereitstellt.
Am Ausgang des DC2DC-Wandlers wird eine elektronische Gleichstromlast verwendet, um den Laststrom am Ausgang einzustellen und das Gerät zu simulieren, das vom DC2DC-Wandler versorgt werden soll.
Um den minimalen Eingangsspannungspegel beim Start zu testen, wird der DC2DC-Wandler mit der nominalen Eingangsspannung eingeschaltet und mit der maximal spezifizierten Ausgangsstromstärke bzw. -leistung über die elektronische Last betrieben.
Die Eingangsspannung wird dann so lange verringert, bis die Ausgangsspannung der Einheiten zu sinken beginnt oder der minimale Eingangsspannungswert erreicht ist.
Um sicherzustellen, dass der DC/DC-Wandler unter maximaler Ausgangslast funktioniert, sollte die Eingangsspannung auf den Minimalwert eingestellt und der Wandler unter Messung von Ausgangsspannung und -strom wiederholt ein- und ausgeschaltet werden. Dabei sollten sowohl die Ausgangsspannung als auch deren Restwelligkeit und Rauschen gemessen werden, um festzustellen, ob die Einstellung der minimalen Eingangsspannung die Stabilität oder Restwelligkeit der Ausgangsspannung beeinflusst.
Es ist wichtig, die Fernsensoranschlüsse am Gleichstromnetzteil zu verwenden, um sicherzustellen, dass die Spannung am DC/DC-Wandler auf die korrekte Spannung eingestellt ist, und dieselben Fernsensoranschlüsse an der Gleichstromlast zu verwenden, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers korrekt gemessen wird. (Siehe Abbildung 1)
Diese Konfiguration eignet sich zum Testen und Messen von Einschaltzeit, Ausschaltzeit und Haltezeiten. (Siehe Abbildungen 2 und 3) Das Oszilloskop dient zur Messung von Restwelligkeit und Stoppspannung. Alternativ kann die Gleichstromlast Chroma 63600 mithilfe der Funktion „Digitalisierte Messung“ die Signalverläufe für angelegte Spannung und Stromstärke mit einer Abtastzeit von nur 2 µs messen und anzeigen.
Die Einschaltzeit gibt die Zeitspanne an, die vom Erreichen der minimalen Eingangsspannung bis zum Einliegen der Ausgangsspannung innerhalb der Regelungsgrenzen vergeht. Die Ausschaltzeit gibt an, wann die Eingangsspannung unter den festgelegten Mindestwert fällt und der Ausgang sich abschaltet oder auf null Volt absinkt. (Siehe Abbildung 2)
2. Haltezeittest:
Der Haltezeittest kann mit der in Abbildung 1 gezeigten Konfiguration durchgeführt werden. Dieser Test ermittelt die Zeit, die benötigt wird, bis die Eingangsspannung unter die minimale Eingangsspannung und die Ausgangsspannung unter die minimale Toleranz der geregelten Ausgangsspannung fällt (siehe Abbildung 3). Er zeigt außerdem, wie gut der DC/DC-Wandler kleinere Unterbrechungen und Spannungseinbrüche am Eingang verkraftet und den Betrieb fortsetzt. Verfügt der DC/DC-Wandler über einen Fehlererkennungseingang, kann dieser zum Auslösen des Tests verwendet werden. Die Chroma 63600-Last kann diesen Trigger nutzen, um die Haltezeit ohne Oszilloskop zu erfassen und zu messen.
3. Ausgangsspannungsregelung:
Dieser Test bestätigt, dass die Ausgangsspannung innerhalb der spezifizierten Regelungsgrenzen bleibt, wenn die Eingangsspannung vom minimalen zum maximalen Betriebsspannungsbereich gemäß den Spezifikationen des DC/DC-Wandlers variiert wird. Während dieses Tests wird die Ausgangslast typischerweise auf ihren Nennstrom oder den spezifizierten Maximalwert eingestellt.
Die Ausgangsspannung wird überwacht und die gesamte Spannungsabweichung aufgezeichnet, während die Eingangsspannung vom spezifizierten Minimal- zum Maximalwert variiert wird. Einige Spezifikationen geben die Ausgangstoleranz als Spannung (z. B. 3,3 V DC ± 0,02 V) oder als Prozentsatz (z. B. 3,3 V ± 0,5 %) an. Abbildung 1 zeigt den typischen Versuchsaufbau.
Bei ausreichender Messgenauigkeit der Ausgangslast und der DC-Eingangsquelle sind keine externen Messgeräte wie Digitalmultimeter (DMM) oder Datenerfassungssysteme (DAQ) zur Messung von Spannung, Strom und Leistung erforderlich. Die 63600-Lasten und 62000P-Gleichstromnetzteile von Chroma ermöglichen präzise Spannungs-, Strom- und Leistungsmessungen, wodurch ein externes Digitalmultimeter überflüssig wird. Einige Testsysteme verfügen über ein Oszilloskop, um die Stabilität der Ausgangsspannung während der Prüfung zu bestätigen. Die Formel in Abbildung 4 zeigt, wie die Ausgangsregelung in Prozent berechnet werden kann.
4. Ausgangslastregelung:
Um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers innerhalb der vorgegebenen Toleranz geregelt wird, wird die Last innerhalb der Produktspezifikationen vom minimalen bis zum maximalen Strom variiert und die absolute Spannungsdifferenz berechnet. Aus dieser Spannungsdifferenz wird die prozentuale Abweichung ermittelt und mit den vorgegebenen Lastregelungsgrenzen verglichen. Abbildung 5 zeigt die Formel zur Berechnung dieses Wertes als Prozentsatz der gemessenen Lastregelung. 
5. Einschwingverhalten und Spannungsabweichung der Ausgangsspannung:
Dieser Test ermittelt das Ansprechverhalten der Ausgangsspannung auf plötzliche Stromänderungen. Gemessen werden die maximale Spannungsabweichung und die Zeit, die die Spannung benötigt, um in den geregelten Toleranzbereich der Nennausgangsspannung zurückzukehren. Abbildung 6 zeigt die gepulste Strom- und Spannungsabweichung. Die elektronische Gleichstromlast wird auf minimalen und maximalen Strom eingestellt, und die Anstiegsgeschwindigkeit wird anschließend für die Anstiegs- und Abfallzyklen während der Stromübergänge angepasst. Frequenz und Tastverhältnis können ebenfalls für den gepulsten Strom eingestellt werden. Die Lasten 63600 und 63200A von Chroma können mit allen erforderlichen Einstellungen für dynamische Belastung und Frequenzen bis zu 50 kHz mit einem programmierbaren Tastverhältnis von 1 % bis 99 % programmiert werden.
6. Ausgangsspannungsrauschen und -welligkeit:
Ausgangswelligkeit und -rauschen bzw. periodische Zufallsabweichung (PARD) geben Aufschluss über die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers und dessen Fähigkeit, Welligkeit und Rauschen zu filtern. Unterschiedliche DC/DC-Wandler weisen unterschiedliche interne Schaltfrequenzen auf, die sich in der Ausgangswelligkeitsfrequenz widerspiegeln. Hochfrequentes Rauschen kann durch Transienten in den internen Schaltkreisen entstehen. Ausgangsrauschen und -welligkeit werden mit einem Oszilloskop oder der elektronischen Last Chroma DC 63600 gemessen, die die Ausgangswelligkeit mithilfe der Funktion „Digitalisierte Messung“ anzeigen kann. Um fehlerhafte Rauschmesswerte zu vermeiden, ist es wichtig, die Länge des Massekabels an der Spannungssonde zu minimieren. Abbildung 7 zeigt einen Screenshot der Ausgangsspannungswelligkeit eines DC/DC-Wandlers.
7. Überstromschutz am Ausgang:
Der Überstromschutz am Ausgang von DC/DC-Wandlern schützt sowohl den Wandler selbst als auch das angeschlossene Gerät, wenn die Last den maximalen Nennstrom des Wandlers überschreitet. Es gibt verschiedene Methoden zum Schutz vor Überstrom, am häufigsten werden jedoch die Strombegrenzung mittels Foldback und die gepulste Strombegrenzung, oft auch als Hiccup-Mode-Strombegrenzung bezeichnet, angewendet.
Die Unterschiede zwischen den beiden Methoden sind:
Strombegrenzung mit Rückkopplung: Wenn der Laststrom den eingestellten Wert für die Strombegrenzung überschreitet, beginnt die Ausgangsspannung zu sinken und begrenzt den an die Last abgegebenen Ausgangsstrom.
HICCUP-Strombegrenzung: Diese Funktion trennt den Ausgang, sobald der Ausgangsstrom den festgelegten Grenzwert überschreitet, und verbindet ihn anschließend wieder. Wird der Grenzwert weiterhin überschritten, bleibt der Ausgang verbunden und getrennt; daher der Name dieses Modus (Hiccup-Modus).
Siehe Abbildung 8.
8. Ausgangsüberspannungsschutz:
Die meisten DC/DC-Wandler verfügen über eine integrierte Schutzschaltung, die den Ausgang trennt, sobald die Ausgangsspannung den Maximalwert überschreitet. Dieses System wird als Überspannungsschutz (OVP) bezeichnet. Diese Funktion schützt den DC/DC-Wandler vor zu hohen externen Spannungen am Ausgang. Bei DC/DC-Wandlern mit einstellbarem, begrenztem oder programmierbarem Ausgang kann die Ausgangsspannung bis zum Überschreiten des OVP-Punktes erhöht werden, wodurch die Schutzschaltung aktiviert wird. Bei DC/DC-Wandlern ohne einstellbaren Ausgang kann eine externe Spannungsquelle an den Ausgangsanschluss angeschlossen und bis zum Überspannungspunkt (OVP) erhöht werden. Anschließend wird die Spannung entfernt, um zu überprüfen, ob der Ausgang ausgelöst und getrennt wurde. Verfügt der DC/DC-Wandler über ein Überspannungssignal (OVP-Signal), lässt sich anhand dieses Signals feststellen, ob der Ausgang den Überspannungspunkt erkannt und die Verbindung getrennt hat. Die Ausgangsspannung wird überwacht, um den Zeitpunkt des Überspannungspunkts zu ermitteln und anschließend mit den festgelegten OVP-Grenzwerten zu vergleichen.
9. Betriebstemperatur und Übertemperaturschutz:
DC/DC-Wandler haben einen Betriebstemperaturbereich und viele verfügen über eine Übertemperaturschutzschaltung (OTP), die erkennt, wenn die Gerätetemperatur überschritten wird, und den Ausgang abschaltet. Mithilfe einer Klimakammer oder einer TEC-Plattform und eines Controllers kann die Temperatur des DC/DC-Wandlers erhöht und gesenkt werden, um den Betriebstemperaturbereich zu simulieren. Thermoelemente und Temperaturfühler oder Infrarot-Temperaturmessgeräte können verwendet werden, um die Temperaturen am Gehäuse des DC/DC-Wandlers zu messen. Während der Betriebstemperaturprüfung wird der DC/DC-Wandler mit maximalen Strom- und Leistungswerten belastet, und die Ausgangsspannung wird überwacht, um sicherzustellen, dass sie innerhalb der spezifizierten Grenzen bleibt.
Um den Übertemperaturschutz zu testen, wird die Gerätetemperatur entweder durch Erhöhung der Umgebungstemperatur oder durch Konvektion im Gerät erhöht.
Die Gerätetemperatur wird aufgezeichnet, während die Ausgangsspannung überwacht wird, bis der Übertemperaturschutz auslöst und der Ausgang getrennt wird. Anschließend wird das Gerät abgekühlt und die Eingangsspannung ein- und ausgeschaltet, um zu überprüfen, ob sich der DC/DC-Wandler vom Übertemperaturschutz erholt.
Abbildung 9 zeigt den für diesen Test erforderlichen Aufbau.
10. Simulation von benutzerdefinierten Lasten oder realen Lastwellenformen:
Einige DC/DC-Wandler werden in speziellen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Lasten dynamische Änderungen und ungewöhnliche Wellenformen aufweisen können. Um den DC/DC-Wandler unter realen Betriebsbedingungen zu testen, ist eine elektronische Last erforderlich, die die tatsächlichen Wellenformen der Lasten nachbilden kann. Chroma bietet eine Reihe von elektronischen DC-Lasten mit benutzerdefinierten Wellenformen bei Frequenzen bis zu 50 kHz und Anstiegsgeschwindigkeiten von 10 A/µs. Die Wellenformen können im Speicher der Lasten gespeichert und manuell oder per USB-, GPIB- oder LAN-Schnittstelle abgerufen werden. Abbildung 10 zeigt einen Screenshot der Chroma-Software, mit der Stromwellenformen auf 63600 Modular Loads und 63200A High-Power DC Electronic Loads geladen und repliziert werden können.
11. Wirkungsgrad:
Der Wirkungsgrad bestimmt die interne Verlustleistung des DC/DC-Wandlers und wie effizient die Eingangsleistung an den Ausgang übertragen wird. Dieser Test wird typischerweise bei der Nenneingangsspannung und mit der Nenn- oder Maximallast durchgeführt. Eingangs- und Ausgangsspannung, -strom und -leistung werden gemessen, und die Formel in Abbildung 11 dient zur Berechnung des prozentualen Wirkungsgrads. Dieser Wert wird anschließend mit den Wirkungsgradspezifikationen des DC/DC-Wandlers verglichen, um festzustellen, ob er innerhalb der vorgegebenen Grenzen liegt. Mit diesem Test lässt sich der Wirkungsgrad auch bei verschiedenen Leistungspegeln erfassen. Die Daten können grafisch dargestellt werden, um den Wirkungsgrad als Funktion der Ausgangsstromkurve zu zeigen. Die Datenerfassung erfolgt mit einem Mehrkanal-Leistungsanalysator oder durch Anschluss der Eingangsleistungsquelle und der Ausgangslast und anschließende Berechnung des Wirkungsgrads.
12. Anpassung der Ausgangskompensation:
Bei DC/DC-Wandlern mit einstellbaren Ausgängen oder Kompensationseinstellungen können Anpassungen manuell oder automatisch mithilfe programmierbarer Potentiometer oder programmierbarer Widerstandsarrays vorgenommen werden. Der Einstellbereich des Ausgangs kann durch Tests überprüft werden. Alle oben genannten Tests können durchgeführt werden, um die korrekte Funktion des DC/DC-Wandlers bei verschiedenen Spannungseinstellungen zu überprüfen.
Sicherheitstests:
1. AC/DC/DC-Sicherheitsprüfung (Hochspannungsprüfung):
DC/DC-Wandler können isoliert oder nicht isoliert sein. Bei isolierten DC/DC-Wandlern mit einer Trennstufe zwischen Ein- und Ausgang sind spezielle Prüfungen erforderlich, um die Funktionstrennung sicherzustellen.
Typischerweise muss ein DC/DC-Wandler einer Isolationsprüfung unterzogen werden, wenn die Eingangsspannung 60 V DC überschreitet.
Geräte mit Schutzleiteranschluss müssen zusätzlich einer Hochspannungsprüfung unterzogen werden. Diese Prüfung kann sowohl unter Wechsel- als auch unter Gleichstrombedingungen durchgeführt werden. Die Prüfung der dielektrischen Festigkeit ist in der Norm IEC 60950-1 spezifiziert, der Norm für Informationstechnische Geräte, die ein breites Spektrum an Geräten dieser Kategorie abdeckt.
Falls das Gerät eine Isolationsprüfung mittels dielektrischer Spannung erfordert, zeigen die Abbildungen 12a und 12b die erforderlichen Verdrahtungsdiagramme. Abbildung 12a könnte die Prüfung darstellen, die zur Bestimmung einer ausreichenden Isolation zwischen Ein- und Ausgang erforderlich ist. und Abbildung 12b könnte der Test sein, um die Isolation zwischen dem Eingang und einem beliebigen metallischen Teil des Gehäuses oder einer beliebigen geerdeten metallischen Oberfläche zu ermitteln.
