Ako testovať dosku SMPS

Na overenie funkčnosti produktu a konštrukčných parametrov vyžaduje napájací obvod sofistikované testovacie metódy a elektronické testovacie zariadenie. Na splnenie výrobkových noriem je potrebné zhromaždiť lepšie vedomosti o požiadavkách na testovanie SMPS. V tomto článku sa dozvieme, ako testovať obvod SMPS, a povieme si o niektorých z najzákladnejších testov SMPS a bezpečnostných normách, ktoré je potrebné dodržiavať pri ľahkom a efektívnom testovaní obvodu SMPS. Nasledujúce preskúmanie vám poskytne predstavu o najzákladnejších architektúrach napájacích zdrojov a ich testovacích procesoch.

Ak ste dizajnérom spoločnosti SMPS, môžete si tiež prečítať článok o tipoch na návrh dosiek plošných spojov SMPS a technikách znižovania EMI SMPS, o ktorých sme sa už zmienili skôr.

Základy testovania SMPS - body, ktoré treba pamätať

Obvody spínaného napájacieho zdroja (SMPS) zvyčajne spínajú veľmi vysoké napätie DC s automaticky nastaviteľným pracovným cyklom, aby regulovali výstupný výkon s vysokou účinnosťou. Týmto sa však zavedú obavy o bezpečnosť, ktoré môžu byť pre zariadenie škodlivé, ak sa o ne nebudete starať.

Vyššie uvedená schéma ukazuje napájací zdroj napájaný zo siete, ktorý využíva topológiu flyback na prevod vysokonapäťového jednosmerného prúdu na nízkonapäťový jednosmerný prúd. Schéma bola urobená, aby sme jasne pochopili stranu vysokého napätia a stranu nízkeho napätia. Na strane vysokého napätia máme poistku ako ochranné zariadenie, potom je sieťové napätie usmernené a filtrované vstupnými usmerňovacími diódami D1, D2, D3, D4 a kondenzátorom C2, čo znamená, že úroveň napätia medzi týmito linkami môže byť dosiahnuť v danom okamihu viac ako 350 V alebo viac. Inžinieri a technici by mali byť pri práci s týmito potenciálne smrteľnými úrovňami napätia veľmi opatrní.

Ďalšia vec, pri ktorej musíte byť veľmi opatrní, je filtračný kondenzátor C2, ktorý udržuje náboj dlho, aj keď je napájanie odpojené od elektrickej siete. Predtým, ako pristúpime k testovaniu obvodu SMPS, je potrebné tento kondenzátor správne vybiť.

Spínací tranzistor T2 je hlavný spínací tranzistor a T1 je pomocný spínací tranzistor. Pretože hlavný spínací tranzistor je zodpovedný za pohon hlavného transformátora, je veľmi pravdepodobné, že sa veľmi zahreje, a pretože sa dodáva s balíkom TO-220, existuje šanca, že v zasiahnutom dreze bude vysoké napätie. Prevádzkovateľ skúšky musí byť v tejto časti mimoriadne opatrný. Jedným z najdôležitejších parametrov, ktoré je potrebné vziať do úvahy, je časť transformátora. V schéme je označený ako T1, transformátor T1 v spojení s optočlenom OK1 poskytuje izoláciu od primárnej strany. V testovacej situácii, keď je sekundárna časť spojená so zemou a primárna časť pláva. Situácia pripojená k testovaciemu prístroju v primárnej časti spôsobí skrat k zemi, čo môže trvale poškodiť testovací prístroj. Okrem toho bežný prevodník spätného vedenia potrebuje na správne fungovanie minimálne zaťaženie, inak nie je možné správne regulovať výstupné napätie.

Testy napájania

Zdroje napájania sa používajú v rôznych výrobkoch. Výsledkom je, že výkon testu sa musí líšiť v závislosti od aplikácie. Napríklad testovacie nastavenie v návrhárskom laboratóriu sa vykonáva na overenie parametrov návrhu. Tieto skúšky si vyžadujú vysokovýkonné skúšobné zariadenie so správnym prostredím na kontrolu. Naproti tomu testovanie napájacieho zdroja vo výrobnom prostredí sa primárne zameriava na celkovú funkciu založenú na špecifikáciách určených počas fázy návrhu produktu.

Načítať prechodnú dobu zotavenia:

Napájací zdroj s konštantným napätím má zabudovanú spätnoväzbovú slučku, ktorá nepretržite monitoruje a stabilizuje výstupné napätie príslušnou zmenou pracovného cyklu. Ak sa oneskorenie medzi spätnoväzbovým a riadiacim obvodom priblíži ku kritickej hodnote pri jeho krížení unity-gain, napájanie sa stane nestabilným a začne kmitať. Toto časové oneskorenie sa meria ako uhlový rozdiel a je definované ako stupeň fázového posuvu. Pri typickom napájacom zdroji je táto hodnota 180 stupňov fázového posuvu medzi vstupom a výstupom.

Test regulácie zaťaženia:

Regulácia záťaže je statický parameter, v ktorom testujeme výstupnú hranicu napájacieho zdroja na náhlu zmenu zaťažovacieho prúdu. Pri napájaní s konštantným napätím je testovacím parametrom konštantný prúd. Zatiaľ čo v napájaní konštantným prúdom je to konštantné napätie. Testovaním týchto parametrov môžeme určiť schopnosť napájacieho zdroja odolávať rýchlym zmenám v záťaži.

Test súčasného limitu:

Pri typickom prúdovo obmedzenom napájacom zdroji sa test vykonáva s cieľom pozorovať súčasné obmedzujúce schopnosti napájacieho zdroja s konštantným napätím. Aktuálny prúdový limit môže byť pevný alebo môže byť premenlivý v závislosti od typu a požiadavky napájacieho zdroja.

Test na zvlnenie a hluk:

Na meranie zvlnenia a šumu na výstupe sa testuje zvyčajne kvalitný napájací zdroj alebo veľa kvalitných napájacích zdrojov. Najbežnejší názov tohto testu je známy ako PARD (periodická a náhodná odchýlka). V tomto teste meriame periodickú a náhodnú odchýlku výstupného napätia pri obmedzenej šírke pásma spolu s ďalšími parametrami, ako je vstupné napätie, vstupný prúd, spínacia frekvencia a prúd záťaže neustále. Jednoduchšie povedané, pomocou tohto procesu môžeme merať spodný AC spojený šum a zvlnenie po fáze usmernenia a filtrovania výstupu.

Test účinnosti:

Účinnosť zdroja je potom pomer medzi jeho celkovým výkonom delený jeho celkového príkonu. Výstupný výkon je DC, pričom vstupný výkon je AC, takže aby sme to dosiahli, musíme získať skutočnú RMS hodnotu vstupného výkonu. Môže sa použiť kvalitný wattmeter so skutočnými schopnosťami RMS. Týmto testom môže tester porozumieť celkovým konštrukčným parametrom napájacieho zdroja, ak je nameraná účinnosť mimo priestor pre zvolenú topológiu, potom je to jasná indikácia slabého výkonu. navrhnutý zdroj napájania alebo chybné diely.

Test oneskorenia spustenia:

Oneskorenie spustenia napájacieho zdroja je meranie času potrebného na dosiahnutie stabilného výkonu napájacieho zdroja. Pre spínaný zdroj je tento čas veľmi dôležitý pre správne poradie výstupného napätia. Tento parameter zohráva dôležitú úlohu aj pri napájaní citlivých elektronických zariadení a senzorov. Ak tento parameter nie je správne spracovaný, vedie to k vytvoreniu hrotov, ktoré môžu zničiť spínacie tranzistory alebo dokonca pripojenú výstupnú záťaž. Tento problém je možné ľahko vyriešiť pridaním obvodu „soft start“ na obmedzenie počiatočného prúdu pre spínací tranzistor.

Vypnutie prepätím:

Typicky dobrý napájací zdroj je navrhnutý tak, aby sa vypol, ak výstupné napätie napájacieho zdroja prekročí určitú prahovú hladinu, ak nie, môže to byť pre zariadenie pri zaťažení škodlivé.

Typické nastavenie testovania SMPS

Po vyčistení všetkých požadovaných parametrov môžeme konečne prejsť k testovaniu obvodu SMPS. Dobrá skúšobná stolica SMPS by mala mať bežne dostupné testovacie a bezpečnostné zariadenia, ktoré minimalizujú obavy o bezpečnosť.

Izolačný transformátor:

Izolačný transformátor je tu na elektrickú izoláciu primárnej časti obvodu SMPS. Keď je izolovaný, môžeme priamo pripojiť akúkoľvek zemnú sondu, čím sa neguje strana vysokého napätia napájacieho zdroja. To vylučuje možnosť skratu priamo na zem.

Autotransformátor:

Autotransformátor možno použiť na pomalé zvyšovanie vstupného napätia obvodu SMPS. Pritom pri monitorovaní prúdu možno zabrániť katastrofickej poruche. V inej situácii sa dá použiť na simuláciu situácií nízkeho a vysokého napätia. Takto môžeme simulovať situácie, pri ktorých sa náhle zmení sieťové napätie, čo nám pomôže pochopiť správanie SMPS v týchto podmienkach. Všeobecne platí, že univerzálny menovitý napájací rozsah v rozmedzí od 85V do 240V je možné testovať pomocou autotransformátora, výstupnú charakteristiku obvodu SMPS môžeme testovať veľmi ľahko.

Žiarovka série:

Žiarovka v sérii je dobrým postupom, pokiaľ ide o testovanie obvodu SMPS, určité zlyhanie komponentu môže viesť k výbuchu MOSFETov. Ak uvažujete o explodujúcom MOSFETe, čítate správne! MOSFET exploduje pri silnoprúdových zdrojoch napájania. Takže žiarovka v sérii môže zabrániť výbuchu MOSFETu.

Elektronická záťaž:

Na otestovanie výkonu ktoréhokoľvek obvodu SMPS je potrebné zaťaženie, zatiaľ čo nejaký vysoko výkonný rezistor je bezpochyby ľahký spôsob, ako otestovať určitú kapacitu zaťaženia. Ale je takmer nemožné otestovať výstupný filtračný oddiel bez meniaceho sa zaťaženia, preto je nevyhnutné elektronické zaťaženie, pretože môžeme ľahko merať výstupný šum pri rôznych podmienkach zaťaženia lineárnou zmenou zaťaženia.

Môžete si tiež vytvoriť vlastnú nastaviteľnú elektronickú záťaž pomocou Arduina, ktoré sa dá použiť na testovanie SMPS s nízkou spotrebou. Pomocou elektronickej záťaže môžeme ľahko zmerať výkonnosť výstupného filtra a je to nevyhnutné, pretože zle navrhnutý výstupný filter môže v určitom stave záťaže spájať harmonické a šumové hodnoty na výstupe, čo je pre citlivé veľmi zlé. elektronika.

Testovanie SMPS pomocou vysokonapäťovej diferenciálnej sondy

Meranie napätia je síce možné ľahko vykonať pomocou izolačného transformátora, ale lepším spôsobom je použitie diferenciálnej sondy na meranie vysokého napätia. Diferenciálne sondy majú dva vstupy a merajú rozdiel napätia medzi vstupmi. Robí to odpočítaním napätia na jednom vstupe od druhého bez akéhokoľvek zásahu od pozemných koľajníc.

Tieto typy sond majú vysoký pomer odmietnutia spoločného režimu (CMRR), ktorý zlepšuje dynamický rozsah sondy. V generickom obvode SMPS prepína primárna strana s veľmi vysokým spínacím napätím 340 V a relatívne rýchlym časom prechodu. Čo v prípade, že generuje šum, v týchto situáciách, ak sa pokúsime merať vstupný signál v bráne MOSFET, budeme hradiť skôr vysoký šum ako vstupný spínací signál. Tento problém je možné ľahko eliminovať použitím vysokonapäťovej diferenciálnej sondy s vysokou CMRR, ktorá odmieta rušivé signály.

Záver

Návrh a testovanie nedostatočne vyvinutého napájacieho zdroja môže predstavovať obavy z bezpečnosti. Ako je však uvedené v článku, bežná prax a testovacie zariadenie môžu určite výrazne znížiť riziko.

Dúfam, že sa vám článok páčil a dozvedeli ste sa niečo užitočné. Ak máte akékoľvek otázky, môžete ich zanechať v sekcii komentárov nižšie alebo použiť naše fóra na zverejnenie ďalších technických otázok.