Une efficacité accrue, des densités de puissance plus élevées, des délais de mise sur le marché plus courts, des exigences normatives et des réductions de coûts ont un impact sur la conception et le travail des concepteurs. Concevoir une alimentation électrique est un processus complexe comportant de nombreuses étapes. Dans cet article, nous suivrons un flux de travail simple et fournirons des conseils de test pour chacune des 10 étapes de conception. Nous espérons que vous y trouverez des astuces pour rendre vos tests plus efficaces et vous simplifier la vie.
 
1. Sélection et caractérisation des composants
Traditionnellement, les fiches techniques détaillées des fabricants de composants fournissaient aux concepteurs toutes les caractéristiques de fonctionnement nécessaires à une bonne conception d'alimentation. Cependant, les exigences de plus en plus strictes des nouvelles conceptions peuvent contraindre le concepteur à caractériser les composants au-delà des paramètres standard des fiches techniques.
- Les composants de puissance critiques, tels que les MOSFET, les IGBT et les diodes, doivent être sélectionnés en fonction d'un paramètre clé optimisé, comme une caractéristique à l'état passant, à l'état bloqué ou en courant alternatif.
- Les composants doivent être testés sur des plages de température supérieures aux conditions idéales définies par la fiche technique.
Les composants passifs doivent également être testés dans des conditions réelles, au même titre que les composants actifs.
Conseils de mesure :
- Pour mesurer de faibles différences dans les caractéristiques à l'état passant, telles que VTH (tension de seuil de grille), gM (gain) et RDSON (résistance à l'état passant), utilisez un instrument capable de fournir plusieurs dizaines d'ampères pour produire une tension mesurable. Comme on le sait, pour les mesures de faibles courants à l'état bloqué, tels que le courant de fuite (IDSS), utilisez un instrument capable de générer une tension élevée pour produire un courant mesurable.
- Pour la BVDSS (tension de claquage), vous devrez pouvoir fournir plusieurs fois la tension de fonctionnement de votre composant.
- Mesurez la capacité du composant en fonction de la tension (CISS, COSS, CRSS) sur des composants simples à 2 bornes ou des transistors complexes à 3 ou 4 bornes, à l'aide d'un système de mesure de capacité capable de tester sur toute la plage de tension de fonctionnement continue du composant. Les équipements LCR traditionnels peuvent mesurer la capacité, mais pas sur toute la plage de tension de fonctionnement.
Caractéristiques de l'équipement :
Les SourceMeters Keithley font office de quatre instruments en un : source de tension/courant, voltmètre/ampèremètre, fonction de balayage et charge de générateur de fonctions programmable.
 Les SourceMeters Keithley peuvent mesurer les caractéristiques courant-tension (IV) des composants de μV à 3 kV et de fA à 100 A. Le logiciel tactile IVy pour la plateforme Android facilite la vérification des caractéristiques IV des composants.

2. Mise sous tension du circuit CC basse tension.
L'étape suivante du cycle de conception est le prototypage. Les premiers prototypes sont sujets à de nombreuses défaillances. De nombreux problèmes peuvent survenir au niveau de l'adressage de la carte, des soudures, du placement des composants et des interférences parasites ; il convient donc de procéder avec prudence.
- Avant la mise sous tension, vérifiez systématiquement l'absence de courts-circuits sur tous les étages d'entrée et de sortie à l'aide d'un multimètre numérique.
- Isolez les circuits analogiques et numériques basse tension en autant de sous-circuits que possible et mettez sous tension la carte prototype, un sous-circuit à la fois.
- Isolez l'alimentation intégrée et testez la sortie avec et sans charge. Vérifiez que la tension et l'ondulation de sortie sont conformes aux attentes.
- Utilisez une alimentation CC de précision pour alimenter les sous-circuits basse tension individuels au lieu de vous fier à l'alimentation intégrée. (Si l'alimentation intégrée possède plusieurs sorties, utilisez une alimentation CC isolée multicanaux.)
Conseils de mesure :
Utilisez une alimentation CC qui affiche simultanément les paramètres programmés et les sorties mesurées afin de déterminer rapidement si les étages CC consomment un courant excessif. Sinon, connectez un multimètre numérique entre l'alimentation et le dispositif testé afin de surveiller précisément la consommation de courant. Lorsque vous devez fournir une tension précise au système testé, utilisez une alimentation de laboratoire à quatre fils avec détection à distance pour éliminer l'impact de toute chute de tension dans le câblage entre l'alimentation et le système testé.

Caractéristiques de l'équipement :
L'alimentation de mesure de précision Keithley 2280S peut mesurer de faibles courants de veille avec une résolution de 10 nA et une précision de 0,05 %.

3. Mise sous tension du circuit haute tension alternatif.
Maintenant que tous les circuits basse tension ont été vérifiés, il est temps de mettre sous tension les circuits haute tension. C'est à cette étape que votre prototype sera soumis à la haute tension pour la première fois.
- Il est toujours recommandé d'isoler les étages haute tension de tous les étages basse tension lors de la première mise sous tension.
- Envisagez d'utiliser une alimentation CA à limitation de courant. Commencez toujours par la tension CA la plus basse prévue pour votre conception. Cela permettra de réduire les risques d'étincelles dues à des soudures ou à un assemblage incorrects, ou à des erreurs de conception du circuit imprimé.
- À l'aide de tensions de mesure différentielles et de courant appropriées, mesurez la tension et le courant CA d'entrée.
- Utilisez un oscilloscope ou un analyseur de puissance sur l'entrée CA avec l'enregistrement activé avant de mettre sous tension le dispositif testé pour la première fois. Enregistrez les courants d'appel et les transitoires.
- Une fois l'état de l'alimentation haute tension vérifié, activez le circuit de commande basse tension pour obtenir une vue d'ensemble complète.
Conseils de mesure :
Pour mesurer la faible consommation de courant alternatif de votre système à vide à l’aide d’une pince ampèremétrique, augmentez le courant mesuré par la sonde. Enroulez simplement le conducteur de ligne plusieurs fois autour de la pince. N’oubliez pas de diviser la valeur mesurée par le nombre de spires ! Utilisez un analyseur de puissance avec fonction d’enregistrement continu pour enregistrer le courant d’appel. En cas de panne grave au démarrage, vous disposerez ainsi de données pour en rechercher les causes.
Caractéristiques de l’équipement :
L’analyseur de puissance PA1000 propose un mode de mesure du courant de démarrage pour évaluer le courant de crête pendant le démarrage. Le logiciel DPOPWR offre une suite complète d’outils d’analyse de puissance permettant de mesurer et de déboguer les paramètres de puissance d’entrée alternatif au démarrage.

4. Débogage du circuit de commande numérique et analogique.
Cette étape consiste à tester la logique de commande. Il s'agit probablement de la partie la plus importante et la plus complexe de la conception, où il faut vérifier le décalage, la tension, la temporisation et la réponse en fréquence.
- Mesurez le signal de modulation au niveau du pilote du dispositif de commutation lors de la mise sous tension afin de vérifier la fréquence de commutation, la largeur d'impulsion et le rapport cyclique corrects sous différentes charges.
- Vérifiez la réponse en fréquence de la boucle en intégrant un signal de balayage de fréquence via un transformateur d'injection à large bande dans la boucle de commande.
- Utilisez un analyseur de réponse en fréquence pour mesurer le gain et la phase du circuit.
Conseils de mesure :
Surveillez les tensions d'entrée et de sortie, ainsi que les signaux de rétroaction ou de commande, afin de vérifier que la réponse de la boucle (par exemple, l'amortissement critique) est conforme aux attentes lors des variations de la tension d'entrée et de la charge de sortie. Surveillez les tensions et les courants d'entrée et de sortie, ainsi que les signaux de commande, afin de vérifier le fonctionnement des circuits tels que le démarrage progressif, la protection contre les courts-circuits, l'arrêt et la réduction de courant. Pour les alimentations à commande numérique, capturez et affichez des visualisations temporelles des signaux de commande de bus série, analogiques et numériques afin de visualiser le fonctionnement du système et de vérifier que le système de commande fonctionne comme prévu.

Caractéristiques de l'équipement :
Le logiciel DPOPWR peut vous aider dans l'analyse de modulation des signaux PWM difficiles à mesurer.

5. Caractéristiques de commutation de l'étage de puissance
Après avoir vérifié les circuits haute tension, les circuits basse tension et la logique de commande, il est temps de contrôler les caractéristiques de commutation de l'étage de puissance.
- Testez les caractéristiques de commutation sous charge, à charge nominale et à pleine charge.
- Assurez-vous que les temps d'ouverture, de fermeture, le rapport cyclique et les temps morts de tous les commutateurs (MOSFET, IGBT, etc.) sont conformes aux calculs de conception.
- Vérifiez l'absence de bruit et d'irrégularités sur tous les signaux VGS, car tout défaut indésirable à cette borne peut entraîner des ouvertures et des déclenchements intempestifs.
- Selon la topologie, vérifiez le temps mort des redresseurs temporisés ou des ponts en H afin d'éviter tout déclenchement intempestif.
- Vérifiez la synchronisation entre les pilotes de grille et les signaux associés pour vous assurer qu'elle est conforme aux attentes.
Conseils de mesure :
Utilisez des sondes différentielles avec une tension nominale appropriée pour mesurer en toute sécurité les signaux non référencés à la masse. S'il est difficile de mesurer les signaux de grille flottante, sondez l'entrée du pilote de grille pour vérifier le temps mort entre les transistors MOSFET supérieur et inférieur. Mesurez les courants aux points de tension minimale afin de réduire la diaphonie.

Caractéristiques de l'équipement :
Les oscilloscopes Tektronix offrent un mode haute résolution pour minimiser le bruit et garantir que la mise sous tension et hors tension peuvent être calculées avec la plus grande précision possible.

6. Essais de pertes par conduction et par commutation.
Les pertes par conduction et par commutation à travers les commutateurs de puissance et les composants magnétiques sont les principaux facteurs contribuant aux pertes globales d'un système. Il est important de minimiser ces pertes, notamment pour les conceptions modernes à haut rendement.
- Le calcul des pertes par conduction et par commutation à partir d'une fiche technique peut être trompeur, car il ne fournit pas un profil de pertes complet prenant en compte les conditions de fonctionnement et les effets parasites du circuit.
- Il est important de tester le redresseur, les commutateurs (MOSFET, IGBT, etc.) et les composants magnétiques afin de déterminer leurs pertes lorsque le circuit est sous tension et en charge. Le plus souvent, les composants magnétiques sont conçus sur mesure. À l'instar des dispositifs de commutation, il est important de tester les composants magnétiques en fonctionnement afin de les caractériser correctement.

Conseils de mesure :
Pour mesurer les pertes par commutation, utilisez un oscilloscope haute résolution et veillez à aligner correctement les sondes de tension et de courant. Utilisez les fonctions de filtrage et de moyennage pour obtenir des résultats précis sur une période donnée. Pour mesurer les pertes par commutation à l’oscilloscope, multipliez la tension par le courant et calculez la moyenne de la forme d’onde résultante lors de la mise sous tension ou hors tension. Si vous disposez d’un outil d’analyse de puissance, ce processus sera plus simple et plus reproductible.

Caractéristiques de l'équipement :
Le logiciel DPOPWR offre une solution optimale pour la vérification dynamique des pertes de puissance magnétique et des propriétés magnétiques telles que l'inductance et la courbe BH. DPOPWR propose des techniques de calcul automatisées pour la mesure des pertes par commutation et conduction répétées dans les commutateurs de puissance en fonctionnement.

7. Tests d'efficacité et de conformité aux spécifications.
L'étape suivante consiste à vérifier que la conception répond aux normes d'efficacité et aux autres spécifications requises, telles que la régulation de ligne et de charge, l'ondulation, le bruit, la protection contre les courts-circuits et la réponse transitoire.
- Mesurez l'efficacité à l'aide d'un analyseur de puissance multicanal de haute précision, en faisant varier la puissance de la charge nulle à la pleine charge à l'aide d'une charge électronique.
- Pour la régulation de charge, utilisez un multimètre numérique de haute précision directement aux bornes d'entrée et de sortie de l'alimentation et faites varier la charge de sa valeur minimale à sa valeur maximale. Il est important que la tension d'entrée reste constante pendant le test. Enregistrez toute variation de la tension de sortie en fonction de la charge afin de déterminer la régulation de charge.
- La régulation de ligne peut être testée avec une configuration similaire où la tension de sortie est mesurée aux bornes d'une charge constante, tandis que la tension d'entrée alternative varie de sa valeur minimale à sa valeur maximale. Ce test est particulièrement important pour les alimentations à entrée universelle.
- Vérifiez le bruit et l'ondulation à pleine charge à l'aide d'un oscilloscope optimisé pour les mesures haute résolution ou d'un multimètre graphique de haute précision. L'oscilloscope offre généralement une bande passante plus large, mais le multimètre offre une meilleure précision.

Conseils de mesure :
 Lors de la mesure de tensions faibles, telles que l’ondulation, minimisez l’atténuation de la sonde (1X ou 2X si possible) afin d’obtenir le meilleur rapport signal/bruit possible lors de vos mesures à l’oscilloscope. N’utilisez pas les mesures d’une source CA ou d’une charge électronique pour la régulation de ligne ou les tests de charge. Utilisez des instruments de précision directement aux bornes de l’alimentation pour une meilleure précision de mesure et pour minimiser la chute de tension entre les câbles d’entrée et de sortie. Utilisez un adaptateur de sonde à ressort de masse à faible inductance ou un accessoire similaire lors de la mesure du bruit haute fréquence et de l’ondulation à l’oscilloscope. Les câbles de masse standard des sondes agissent comme des antennes et captent le bruit ambiant, ce qui entraîne des erreurs importantes dans les mesures.
Caractéristiques de l’équipement :
Le Tektronix PA3000, avec une précision de 0,04 % et une capacité de consommation en veille de 10 mW, permet une mesure précise du rendement et de la puissance, de la marche à vide à la pleine charge.
Les charges électroniques CC Keithley 2380 peuvent gérer une large gamme de courants et de tensions, en versions 200 W, 250 W et 750 W.
Le multimètre graphique à échantillonnage DMM7510 de Keithley possède un numériseur 18 bits, 1 MS/s pour capturer avec précision les transitoires rapides et les faibles ondulations.

8. Tests de conformité au réseau électrique :
Félicitations ! Votre premier prototype est opérationnel. Il est maintenant temps de vérifier sa conformité avec la réglementation locale relative au réseau électrique.
- La plupart des alimentations AC-DC sont conçues pour fonctionner sur une prise murale standard et sont soumises à des normes strictes de consommation et de qualité de l'énergie, telles que la norme IEC 62301 pour la consommation en veille et la norme IEC 61000-3-2 pour les harmoniques de courant. La conformité à ces normes doit être vérifiée dès les premières étapes de la conception afin d'éviter tout problème ultérieur.
- Assurez-vous que l'analyseur de puissance utilisé pour tester les harmoniques de courant est conforme à la norme IEC 61000-4-7 relative aux techniques de mesure.

 Conseils de mesure :
 Pour éviter les retards, utilisez des solutions de préconditionnement abordables afin de vérifier la conformité aux normes CE, ENERGY STAR® et aux normes CEI relatives au courant de repos et aux harmoniques. Vous gagnerez ainsi un temps précieux et éviterez bien des problèmes ultérieurement lors de la conception. Testez la préconformité régulièrement et dès le début du processus.
Vérifiez les connexions lors de la mesure d'une alimentation présentant un courant de repos faible et distordu. Un câblage incorrect peut entraîner des erreurs importantes. Assurez-vous toujours de connecter la voie du voltmètre à la source du shunt de courant afin de ne pas mesurer le courant à travers l'impédance du voltmètre.

Caractéristiques de l'équipement :
Tektronix propose des solutions de préconditionnement pour les harmoniques de courant IEC 61000-3-2, des solutions de conformité aux normes IEC 62301 et ENERGY STAR pour la consommation au repos, ainsi que des limites personnalisables. L'analyseur de puissance PA1000 possède une capacité de mesure de courant de 20 µA, permettant des mesures de consommation au repos jusqu'à 5 mW. Le boîtier de dérivation Tektronix offre deux bornes distinctes pour les mesures côté charge et côté source, simplifiant et sécurisant l'obtention de mesures précises à faible puissance pour les tests de consommation au repos.

9. Dépannage et précompatibilité CEM :
Les tests de compatibilité électromagnétique (CEM) et d'interférences radioélectriques (IRF) sont souvent négligés lors des premières phases de conception en raison de leur complexité et de leur coût. Cela peut entraîner des surprises désagréables et des retards de projet à l'approche des échéances.
- Vérifiez les problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) dès le début du cycle de conception afin d'éviter des modifications inutiles de la carte et des retards. À l'aide d'un analyseur de spectre et de masques de compatibilité CEM prédéfinis, vous pouvez effectuer des tests de précompatibilité et détecter les problèmes de CEM avant de vous rendre au laboratoire de test. -
Utilisez un oscilloscope à domaine mixte (ODM) avec analyseur de spectre intégré et sondes de terrain pour localiser rapidement les sources de CEM. Vous pouvez mesurer les pics spectraux et en déduire les causes profondes, à l'aide de l'oscilloscope et d'un schéma.
Conseils de mesure :
Utilisez des solutions de précompatibilité CEM abordables pour tester la compatibilité CEM et IRF plus tôt dans la phase de prototypage afin de gagner du temps et de l'argent à long terme. Utilisez des sondes de terrain avec des oscilloscopes à domaine mixte ou des analyseurs de spectre pour localiser et identifier précisément les sources RF.
Caractéristiques de l'équipement :
Les oscilloscopes de la série MDO4000 permettent de visualiser l'ensemble du système et de mesurer les relations entre les événements analogiques, numériques, de bus série et les émissions spectrales. Le Tektronix RSA306 assure l'analyse spectrale en temps réel et permet la détection des brèves perturbations électromagnétiques. La durée d'enregistrement étendue facilite la capture des perturbations peu fréquentes.

10. Validation de la conception
Maintenant que vous avez testé votre premier prototype en profondeur, il est temps de passer à la révision suivante.
- Répétez toutes les étapes de test décrites ci-dessus sous forme de liste de contrôle.
- Lorsque tout est prêt, il est temps de développer davantage votre conception et de tester sa fiabilité.
- Testez l'alimentation pour toutes les configurations d'entrée. Ceci est particulièrement important pour les alimentations à entrée universelle.
- Faites varier la charge de zéro à pleine charge pour tester votre alimentation dans toutes les conditions de fonctionnement possibles.
- Effectuez un test de durée de vie dans des chambres environnementales pour vérifier les performances réelles de votre conception.
Conseils de mesure :
Utilisez une alimentation CA avec des caractéristiques d'entrée universelles et certifiée pour les tests CEI. Cela contribuera à garantir que votre produit réussira les tests de conformité. Utilisez un analyseur de puissance à l'entrée et à la sortie de l'alimentation pour mesurer tous les paramètres d'entrée CA tels que le facteur de puissance, le facteur de crête, les harmoniques et le courant de crête, ainsi que le rendement du système.

Caractéristiques de l'équipement :
Le logiciel PWRVIEW de Tektronix avec analyseurs de puissance offre des tests d'efficacité, de puissance en veille, d'harmoniques et de consommation d'énergie (Wh) avec une multitude de fonctions graphiques et d'enregistrement pour la validation de conception à long terme.

Publié dans Convertronic, numéro 149