Повышение эффективности, увеличение удельной мощности, сокращение времени выхода на рынок, требования стандартов и снижение затрат влияют как на проектирование, так и на разработчиков. Проектирование источника питания — сложный процесс, состоящий из множества этапов. В этой статье мы рассмотрим простой алгоритм и дадим советы по тестированию на каждом из 10 этапов проектирования. Надеемся, вы найдете среди них что-то, что сделает ваше тестирование более эффективным и немного упростит вашу работу.
 
1 2 в1. Выбор и характеризация компонентов.
Традиционно подробные технические характеристики от производителей компонентов предоставляли разработчикам все необходимые рабочие характеристики для качественного проектирования источника питания. Но все более жесткие требования к новым разработкам могут потребовать от разработчика характеризации компонентов за пределами стандартных параметров, указанных в техническом описании.
- Критические силовые компоненты, такие как MOSFET, IGBT и диоды, следует выбирать по оптимизированному ключевому параметру, например, по характеристике в открытом состоянии, в закрытом состоянии или по характеристике переменного тока.
- Компоненты следует тестировать в диапазонах температур, выходящих за рамки идеальных условий, определенных в техническом описании.
Пассивные компоненты также следует тестировать в реальных условиях наряду с активными компонентами.
Рекомендации по измерениям:
- Для измерения небольших различий в характеристиках в открытом состоянии, таких как VTH (пороговое напряжение затвора), gM (усиление) и RDSON (сопротивление в открытом состоянии), используйте прибор, способный выдавать десятки ампер для получения измеримого напряжения. Как известно, для измерения низких токов в закрытом состоянии, таких как ток утечки (IDSS), используйте прибор, способный генерировать высокое напряжение для получения измеримого тока.
- Для измерения BVDSS (напряжение пробоя) вам потребуется обеспечить подачу напряжения, в несколько раз превышающего рабочее напряжение вашего устройства.
- Измеряйте зависимость емкости устройства от напряжения (CISS, COSS, CRSS) на простых 2-выводных устройствах или сложных 3-4-выводных транзисторах, используя систему измерения емкости, способную проводить измерения во всем диапазоне постоянного рабочего напряжения устройства. Традиционное оборудование для измерения LCR может измерять емкость, но не во всем диапазоне рабочего напряжения.
Характеристики оборудования: Измерительные
приборы Keithley SourceMeters представляют собой четыре прибора в одном: источник напряжения/тока, вольтметр/амперметр, развертка и программируемый генератор функций нагрузки.
 Измерительные приборы Keithley SourceMeters могут измерять вольт-амперные характеристики компонентов в диапазоне от мкВ до 3 кВ и от фА до 100 А. Сенсорное программное обеспечение IVy для платформы Android упрощает проверку вольт-амперных характеристик компонентов.

2 команды2. Включение низковольтной цепи постоянного тока.
Следующий этап цикла проектирования — прототипирование. Ранние прототипы подвержены многочисленным сбоям. Многие проблемы могут возникнуть с адресацией платы, паяными соединениями, размещением компонентов и паразитными помехами, поэтому действуйте с осторожностью.
- Всегда используйте цифровой мультиметр для проверки наличия коротких замыканий на всех входных и выходных каскадах перед включением питания.
- Изолируйте низковольтную аналоговую и цифровую схемы на как можно больше подцепей и включайте питание платы прототипа по одной подцепи за раз.
- Изолируйте встроенный источник питания и проверьте выходное напряжение с нагрузкой и без нее. Убедитесь, что выходное напряжение и пульсации соответствуют ожидаемым значениям.
- Используйте прецизионный источник постоянного тока для питания отдельных низковольтных подцепей вместо использования встроенного источника питания. (Если встроенный источник питания имеет несколько выходов, используйте многоканальный изолированный источник постоянного тока.)
Советы по измерениям:
Используйте источник постоянного тока, который одновременно отображает запрограммированные настройки и фактически измеренные выходные значения, чтобы быстро определить, потребляют ли каскады постоянного тока слишком большой ток. В противном случае подключите цифровой мультиметр между блоком питания и тестируемым устройством, чтобы тщательно контролировать потребляемый ток. Если вам необходимо подать на тестируемую систему точное напряжение, используйте 4-проводной лабораторный блок питания с дистанционным измерением напряжения, чтобы исключить влияние падения напряжения в проводке между лабораторным блоком питания и тестируемой системой.

Характеристики оборудования:
Прецизионный измерительный источник питания Keithley 2280S способен измерять низкие токи в режиме ожидания с разрешением 10 нА и точностью 0,05%.


3 2 в3. Включение высоковольтной цепи переменного тока.
Теперь, когда все низковольтные цепи проверены, пришло время включить высоковольтные цепи. На этом этапе ваш прототип впервые столкнется с высоким напряжением.
- Всегда рекомендуется изолировать высоковольтные каскады от всех низковольтных каскадов во время первого включения питания.
- Рассмотрите возможность использования источника переменного тока с ограничением тока. Всегда начинайте с самого низкого напряжения переменного тока для вашей схемы. Это поможет уменьшить искрение из-за некачественной пайки, некачественной сборки или ошибок проектирования печатной платы.
- Используя соответствующие дифференциальные и токовые измерительные напряжения, измерьте входное напряжение и ток переменного тока.
- Используйте осциллограф или анализатор мощности на входе переменного тока с включенной записью перед первым включением тестируемого устройства. Зафиксируйте пусковые токи и переходные процессы.
- После проверки состояния высоковольтного питания включите низковольтную цепь управления, чтобы получить полную картину.
Советы по измерениям:
Чтобы использовать токовый зажим для измерения низкого входного переменного тока вашей системы без нагрузки, вы можете увеличить ток, регистрируемый зажимом. Просто пропустите линейный провод через зажим несколько раз. Не забудьте разделить показание тока на количество витков! Используйте анализатор мощности с функцией непрерывной регистрации для записи пускового тока. В случае катастрофического отказа во время запуска у вас, по крайней мере, будут данные для исследования возможных причин.
Особенности оборудования:
Анализатор мощности PA1000 предлагает режим измерения пускового тока для измерения пикового тока во время запуска. Программное обеспечение DPOPWR предлагает полный набор инструментов анализа мощности, которые помогут вам измерять и отлаживать параметры входного переменного тока во время запуска.

4 в4. Отладка цифровой и аналоговой схемы управления.
На этом этапе тестируется логика управления. Это, пожалуй, самая важная и сложная часть проектирования, где необходимо проверить правильность смещения, напряжения, временной и частотной характеристик.
- Измерьте модулирующий сигнал на драйвере коммутирующего устройства во время включения питания, чтобы проверить правильность частоты переключения, ширины импульса и коэффициента заполнения при различных нагрузках. - Проверьте
частотную характеристику контура, включив в контур управления сигнал частотной развертки через широкополосный инжекционный трансформатор.
- Используйте анализатор частотной характеристики для измерения коэффициента усиления и фазы схемы.
Советы по измерениям:
Контролируйте входные и выходные напряжения, а также сигналы обратной связи или управления, чтобы убедиться, что реакция контура (например, критическое демпфирование) соответствует ожидаемой при изменении входного напряжения и выходной нагрузки. Контролируйте входные и выходные напряжения и токи, а также сигналы управления, чтобы проверить работу таких схем, как плавный пуск, защита от короткого замыкания, отключение и обратное свертывание тока. Для источников питания с цифровым управлением необходимо захватывать и отображать синхронизированные по времени визуализации сигналов управления последовательной, аналоговой и цифровой шин, чтобы визуализировать работу системы и убедиться в том, что система управления функционирует должным образом.

Особенности оборудования:
Программное обеспечение DPOPWR может помочь вам в анализе модуляции ШИМ-сигналов, которые трудно измерить.

5 1 w5. Характеристики переключения силового каскада
После проверки высоковольтных цепей, низковольтных цепей и управляющей логики, настало время проверить характеристики переключения силового каскада.
- Проверьте характеристики переключения под нагрузкой, номинальной нагрузкой и при полной нагрузке.
- Убедитесь, что время включения, выключения, коэффициент заполнения и мертвое время всех переключателей (MOSFET, IGBT и т. д.) соответствуют ожидаемым значениям, рассчитанным на основе проектных параметров.
- Проверьте все сигналы VGS на наличие шума и скачков, поскольку любые нежелательные неисправности на этом выводе могут привести к нежелательному включению и срабатыванию защиты.
- В зависимости от топологии проверьте мертвое время для выпрямителей синхронизации или H-мостов, чтобы исключить возможность срабатывания защиты.
- Проверьте временные соотношения между драйверами затвора и соответствующими сигналами, чтобы убедиться, что они соответствуют ожидаемым значениям.
5 2 вСоветы по измерениям:
Используйте дифференциальные пробники с соответствующим номинальным напряжением для безопасного измерения сигналов, не заземленных. Если сложно измерить сигналы плавающего затвора, проверьте мертвое время между верхним и нижним полевыми транзисторами с помощью пробника на входе драйвера затвора. Для уменьшения перекрестных помех измеряйте токи в точках минимального напряжения.

Характеристики оборудования:
Осциллографы Tektronix имеют режим высокого разрешения для минимизации шума и обеспечения максимально точного расчета времени включения и выключения питания.

6 1 w6. Испытания на потери проводимости и коммутации.
Потери проводимости и коммутации в силовых переключателях и магнитных компонентах являются основными факторами, влияющими на общие потери в системе. Важно минимизировать эти потери, особенно для современных высокоэффективных конструкций.
- Расчет потерь проводимости и коммутации на основе технических характеристик может ввести в заблуждение, поскольку он не дает полного профиля потерь, учитывающего условия эксплуатации и паразитные эффекты цепи.
- Важно проверять выпрямитель, переключатели (MOSFET, IGBT и т. д.) и магнитные компоненты на потери, когда цепь находится под напряжением и нагрузкой. Чаще всего магнитные компоненты разрабатываются индивидуально. Как и в случае с коммутирующими устройствами, важно проверять магнитные компоненты в рабочем состоянии для их правильной характеристики.

Советы по измерениям:
Для измерения потерь при переключении используйте осциллограф высокого разрешения и не забудьте выровнять щупы напряжения и тока. Используйте функции фильтрации и усреднения для получения точных результатов за заданный период. Для измерения потерь при переключении на осциллографе можно умножить напряжение на ток и усреднить полученную форму сигнала мощности во время включения или выключения питания. Если у вас есть возможности анализа мощности, этот процесс будет проще и более воспроизводимым.

Особенности оборудования:
Программное обеспечение DPOPWR предлагает отличное решение для динамической проверки потерь мощности на магнитном уровне и магнитных свойств, таких как индуктивность и кривая BH. DPOPWR предоставляет автоматизированные методы расчета для измерения потерь при многократном переключении и проводимости в мощных переключателях во время их работы в цепи.

7 1 w7. Проверка эффективности и соответствия техническим характеристикам.
Следующий шаг — проверка соответствия конструкции стандартам эффективности и другим необходимым техническим характеристикам, таким как стабилизация напряжения и нагрузки, пульсации, шум, защита от короткого замыкания и переходная характеристика.
- Измерьте эффективность с помощью высокоточного многоканального анализатора мощности, изменяя мощность от холостого хода до полной нагрузки с помощью электронной нагрузки.
- Для проверки стабилизации напряжения используйте высокоточный цифровой мультиметр непосредственно на входных и выходных клеммах источника питания и изменяйте нагрузку от минимума до максимума. Важно, чтобы входное напряжение оставалось постоянным во время теста. Запишите любые изменения выходного напряжения в зависимости от нагрузки, чтобы определить степень стабилизации напряжения.
- Стабилизацию напряжения можно проверить с помощью аналогичной установки, где выходное напряжение измеряется на постоянной нагрузке, в то время как входное переменное напряжение изменяется от минимума до максимума. Этот тест особенно важен для универсальных источников питания.
- Проверьте наличие шума и пульсаций при полной нагрузке с помощью осциллографа, оптимизированного для высокоточных измерений, или высокоточного мультиметра с дискретизацией графиков. Осциллограф, как правило, обеспечивает большую полосу пропускания, но мультиметр обеспечивает большую точность.

7 2 вРекомендации по измерениям:
 При измерении низковольтных сигналов, таких как пульсации, минимизируйте затухание щупа (по возможности, в 1 или 2 раза), чтобы получить наилучшее соотношение сигнал/шум при измерениях на осциллографе. Не полагайтесь на показания источника переменного тока или электронной нагрузки для стабилизации напряжения или проверки нагрузки. Используйте прецизионные приборы непосредственно на клеммах источника питания для повышения точности измерений и минимизации падения напряжения на входных и выходных проводах. Используйте адаптер с пружинным заземляющим щупом с низкой индуктивностью или аналогичный аксессуар при измерении высокочастотного шума и пульсаций с помощью осциллографа. Стандартные заземляющие провода щупа действуют как антенны и улавливают окружающий шум, что приводит к значительным ошибкам в показаниях.
Характеристики оборудования:
Tektronix PA3000 с точностью 0,04% и мощностью в режиме ожидания 10 мВт обеспечивает точное измерение КПД и мощности от холостого хода до полной нагрузки.
Электронные нагрузки постоянного тока Keithley 2380 могут работать в широком диапазоне токов и напряжений, в версиях мощностью 200 Вт, 250 Вт и 750 Вт.
Графический мультиметр Keithley DMM7510 с дискретизацией имеет 18-битный дигитайзер с частотой дискретизации 1 Мс/с, позволяющий точно фиксировать быстрые переходные процессы и небольшие пульсации.

8 1 w8. Проверка соответствия требованиям электросети.
Поздравляем! Ваш первый прототип запущен и работает. Теперь пришло время проверить, соответствует ли конструкция местным нормам электросети.
- Большинство источников питания переменного/постоянного тока предназначены для работы от стандартной розетки переменного тока и подлежат строгим стандартам энергопотребления и качества электроэнергии, таким как IEC 62301 для энергопотребления в режиме ожидания и IEC 61000-3-2 для гармоник тока. Соответствие этим стандартам следует проверять на ранних этапах проектирования, чтобы избежать проблем в будущем.
- Убедитесь, что используемый вами анализатор мощности для проверки гармоник тока соответствует стандарту IEC 61000-4-7 для методов измерения.


 8 TIP wСоветы по измерениям:
 Избегайте задержек и используйте доступные решения для предварительной подготовки, чтобы проверить соответствие маркировке CE, стандарту ENERGY STAR® и стандартам IEC по работе в режиме ожидания и гармоническим искажениям. Это значительно сэкономит время и силы на более поздних этапах проектирования. Проверяйте соответствие на ранних этапах и регулярно.
Проверяйте соединения при измерении низкого и искаженного напряжения питания в режиме ожидания. Неправильная проводка может привести к значительным ошибкам. Всегда подключайте канал вольтметра к источнику тока шунта, чтобы не измерять ток через сопротивление вольтметра.

Характеристики оборудования:
Компания Tektronix предлагает решения для предварительной обработки данных в соответствии со стандартом IEC61000-3-2 по гармоникам тока, стандартами IEC62301 и ENERGY STAR по соответствию требованиям к мощности в режиме покоя, а также с возможностью задания пользователем предельных значений. Анализатор мощности PA1000 имеет измерительную способность по току 20 мкА, что позволяет измерять мощность в режиме покоя до 5 мВт. Блок управления Tektronix Breakout Box обеспечивает два отдельных клеммных разъема для измерения со стороны нагрузки и источника, что упрощает и делает безопасным получение точных показаний при низких мощностях во время тестирования мощности в режиме покоя.

9 в9. Поиск и устранение электромагнитных помех и предварительная проверка совместимости.
Тестирование на электромагнитные и радиочастотные помехи часто игнорируется на ранних этапах проектирования из-за сложности и дороговизны. Это может привести к неприятным сюрпризам и задержкам проекта по мере приближения сроков.
- Проверяйте наличие проблем с электромагнитной совместимостью на ранних этапах проектирования, чтобы избежать ненужных изменений печатной платы и срыва сроков. С помощью анализатора спектра и предопределенных масок совместимости с электромагнитными помехами вы можете провести предварительное тестирование на совместимость и выявить проблемы с электромагнитными помехами до обращения в испытательную лабораторию. -
Используйте осциллограф смешанного диапазона (MDO) со встроенным анализатором спектра и пробниками Camp для быстрого определения источников электромагнитных помех. Вы можете измерить пики спектра и определить первопричины, используя осциллограф и схему.
Советы по измерениям:
Используйте доступные решения для предварительной проверки на электромагнитную совместимость и радиочастотные помехи на ранних этапах прототипирования, чтобы сэкономить время и деньги в долгосрочной перспективе. Используйте полевые пробники с осциллографами смешанного диапазона или анализаторами спектра для обнаружения и точного определения источников радиочастотных помех.
Характеристики оборудования:
Осциллографы серии MDO4000 позволяют визуализировать всю систему и измерять взаимосвязи между аналоговыми, цифровыми событиями, событиями последовательной шины и спектральными излучениями. Tektronix RSA306 обеспечивает анализ спектра в реальном времени и позволяет обнаруживать кратковременные импульсы электромагнитных помех. Увеличенное время записи помогает фиксировать редкие импульсы.

10 команд10. Проверка конструкции
Теперь, когда вы тщательно протестировали свой первый прототип, пора переходить к следующей версии.
- Повторите все описанные выше этапы тестирования в качестве контрольного списка.
- Когда все будет готово, пора продолжить разработку конструкции и проверить ее надежность.
- Протестируйте блок питания для всех конфигураций входного напряжения. Это особенно важно для блоков питания с универсальным входным напряжением.
- Изменяйте нагрузку от холостого хода до полной нагрузки, чтобы протестировать блок питания во всех возможных условиях эксплуатации.
- Проведите испытание на долговечность в климатических камерах, чтобы проверить фактическую производительность вашей конструкции.
Советы по измерениям:
Используйте блок питания переменного тока с универсальными входными параметрами и сертифицированный для испытаний по стандарту IEC. Это поможет гарантировать, что ваш продукт пройдет испытания на соответствие стандартам. Используйте анализатор мощности на входе и выходе блока питания для измерения всех параметров входного переменного тока, таких как коэффициент мощности, коэффициент амплитуды, гармоники и пиковый ток, а также КПД системы.

10 экрановХарактеристики оборудования:
Программное обеспечение PWRVIEW от Tektronix с анализаторами мощности обеспечивает тестирование эффективности, мощности в режиме ожидания, гармоник и энергопотребления (Вт·ч) с широким спектром графических и регистрационных функций для долгосрочной проверки конструкции.

 

Опубликовано в журнале Convertronic, выпуск 149