Hogyan tesztelhetünk egy SMPS tápegységet

A termék működőképességének és tervezési paramétereinek ellenőrzéséhez az áramellátás áramköréhez kifinomult vizsgálati módszerekre és elektronikus tesztberendezésekre van szükség. A termék szabványainak teljesítése érdekében jobb ismereteket kell gyűjteni az SMPS tesztelési követelményekről. Ebben a cikkben megtudhatjuk, hogyan kell tesztelni az SMPS áramkört, és beszélni kell az SMPS legalapvetőbb tesztjeiről és azokról a biztonsági normákról, amelyeket be kell tartani az SMPS áramkör egyszerű és hatékony teszteléséhez. A következő vizsgálat képet ad a legalapvetőbb tápegység-architektúrákról és azok tesztelési folyamatáról.

Ha Ön SMPS tervezőmérnök, akkor olvassa el az SMPS NYÁK-tervezési tippek és az SMPS EMI csökkentési technikák című cikket is, amelyekről mindkettőt korábban tárgyaltuk.

Az SMPS tesztelés alapjai - emlékezetes pontok

A kapcsolt üzemmódú tápegységek (SMPS) áramkörei általában nagyon magas feszültségű DC-t kapcsolnak automatikusan beállítható munkaciklussal annak érdekében, hogy a kimenő teljesítményet nagy hatékonysággal szabályozzák. De ez biztonsági aggályokat vet fel, amelyek károsak lehetnek a készülékre, ha nem gondoskodnak róla.

A fenti vázlat egy olyan hálózati tápegységet mutat be, amely a flyback topológiát használja a nagyfeszültségű DC alacsony feszültségű DC- vé történő átalakítására. A vázlatot a nagyfeszültségű és az alacsony feszültségű oldal egyértelmű megértése céljából készítettük. A nagyfeszültségű oldalon van egy biztosítékunk védőeszközként, majd a hálózati feszültséget a D1, D2, D3, D4 bemeneti egyenirányító diódák és a C2 kondenzátor kijavítják és szűrik, ez azt jelenti, hogy a vonalak közötti feszültségszint elérje a 350 V-ot vagy annál többet egy adott időpontban. A mérnököknek és a technikusoknak nagyon óvatosnak kell lenniük, miközben dolgoznak ezekkel a potenciálisan halálos feszültségszintekkel.

Egy másik dolog, ami nagyon körültekintő, a C2 szűrőkondenzátor, mivel sokáig tartja a töltést, még akkor is, ha az áramellátás le van választva a hálózatról. Mielőtt folytatnánk az SMPS áramkör tesztelését, ezt a kondenzátort megfelelően le kell tölteni.

A T2 kapcsoló tranzisztor a fő kapcsoló tranzisztor, a T1 pedig a kiegészítő kapcsoló tranzisztor. Mivel a főkapcsoló tranzisztor felelős a főtranszformátor meghajtásáért, nagy valószínűséggel nagyon felmelegszik, és mivel egy TO-220 csomaggal érkezik, akkor esélye van arra, hogy a találati mosogatóban nagy feszültség legyen. A tesztelőnek különösen körültekintőnek kell lennie ebben a szakaszban. Az egyik legfontosabb paraméter, amelyet figyelembe kell venni, a transzformátor szakasz. A sematikus ábrán T1-nek jelöljük, a T1 transzformátor az OK1 optocsatolóval együtt elkülönítést biztosít az elsődleges oldaltól. Olyan vizsgálati helyzetben, amikor a másodlagos szakasz a földhöz csatlakozik, és az elsődleges szakasz lebeg. Az a helyzet, amikor a próbadarabot összekötik az elsődleges szakaszban, rövidzárlatot okoz a földön, ami véglegesen károsíthatja a próbadarabot. Ettől eltekintve a tipikus repülési átalakítónak minimális terhelésre van szüksége a megfelelő működéshez, különben a kimeneti feszültség nem szabályozható megfelelően.

Tápellátási tesztek

A tápegységeket különféle termékekben használják. Ennek eredményeként a teszt teljesítményének az alkalmazástól függően eltérőnek kell lennie. Például a tervezési laboratóriumban elvégzik a tesztbeállítást a tervezési paraméterek ellenőrzésére. Ezekhez a vizsgálatokhoz nagy teljesítményű, megfelelő ellenőrzési környezettel rendelkező vizsgálati berendezésekre van szükség. Ezzel szemben a tápellátás tesztelése a termelési környezetekben elsősorban a teljes funkcióra összpontosít, a terméktervezés szakaszában meghatározott specifikációk alapján.

Átmeneti helyreállítási idő betöltése:

Az állandó feszültségű tápegység beépített visszacsatolási hurokkal rendelkezik, amely folyamatosan figyeli és stabilizálja a kimeneti feszültséget azáltal, hogy ennek megfelelően megváltoztatja az üzemi ciklust. Ha a visszacsatolás és a vezérlő áramkör közötti késés a kritikus értéket éri el egység-nyereség keresztezésénél, akkor az áramellátás instabillá válik és oszcillálni kezd. Ezt az időkésleltetést szögeltérésként mérjük, és a fáziseltolás mértékeként határozzuk meg. Egy tipikus tápegységnél ez az érték 180 fokos fáziseltolás a bemenet és a kimenet között.

Terhelésszabályozási teszt:

A terhelésszabályozás egy statikus paraméter, amelyben teszteljük a tápegység kimeneti határát a terhelés áramának hirtelen megváltozása szempontjából. Állandó feszültségű tápegységnél a vizsgálati paraméter az állandó áram. Míg állandó áramú tápegységben ez az állandó feszültség. Ezen paraméterek tesztelésével meghatározhatjuk a tápegység képességét, hogy ellenálljon a terhelés gyors változásainak.

Áramkorlát-teszt:

Tipikus áramkorlátozott áramellátás esetén a tesztet egy állandó feszültségű tápegység áramkorlátozó képességeinek megfigyelésére végzik. A tényleges áramkorlát rögzíthető, vagy változtatható a tápegység típusától és igényétől függően.

A hullámzás és a zaj tesztje:

Egy tipikusan jó minőségű tápegységet vagy sok audio minőségű, kiváló minőségű tápegységet tesztelnek kimenetük hullámzásának és zajának mérésére. Ennek a tesztnek a leggyakoribb neve PARD (Periodic and Random Deviation) néven ismert. Ebben a tesztben folyamatosan mérjük a kimeneti feszültség periodikus és véletlenszerű eltérését korlátozott sávszélesség mellett más paraméterekkel együtt, mint a bemeneti feszültség, a bemeneti áram, a kapcsolási frekvencia és a terhelési áram. Egyszerűbben fogalmazva, ennek a folyamatnak a segítségével elmondhatjuk, hogy a kimeneti egyenirányító és szűrő szakasz után megmérjük az alsó AC kapcsolt zajt és hullámzást.

Hatékonysági teszt:

A tápegység hatékonysága egyszerűen a teljes kimeneti teljesítmény és a teljes bemeneti teljesítmény aránya. A kimeneti teljesítmény egyenáramú, ahol a bemeneti teljesítmény váltóáramú, ezért ennek eléréséhez a bemenő teljesítmény valódi RMS-értékét kell megszereznünk. Jó minőségű, valódi RMS képességekkel rendelkező wattmérő használható, ennek a tesztnek az elvégzésével a tesztelő megértheti az áramellátás általános tervezési paramétereit, ha a mért hatékonyság nem fér el egy kiválasztott topológia számára, akkor ez egyértelműen jelzi a rosszul tervezett áramellátás vagy hibás alkatrészek kiadása.

Indítási késleltetés teszt:

A tápegység indítási késleltetése annak az időnek a mérése, amely ahhoz szükséges, hogy a tápegység kimenete stabil legyen. A kapcsoló tápegység számára ez az idő nagyon fontos a kimeneti feszültség megfelelő szekvenálásához. Ez a paraméter fontos szerepet játszik az érzékeny elektronikus berendezések és érzékelők áramellátásában is. Ha ezt a paramétert nem kezelik megfelelően, tüskék képződéséhez vezet, amelyek tönkretehetik a kapcsoló tranzisztorokat vagy akár a csatlakoztatott kimeneti terhelést. Ez a probléma könnyen megoldható egy „soft start” áramkör hozzáadásával, amely korlátozza a kapcsolási tranzisztor kezdeti áramát.

Túlfeszültség leállítás:

A tipikusan jó tápellátást úgy tervezték, hogy leálljon, ha a tápegység kimeneti feszültsége meghaladja egy bizonyos küszöbszintet, ha nem, ez káros lehet a terhelés alatt álló eszközre.

Tipikus SMPS tesztelési beállítás

Az összes szükséges paraméter törlése után végre áttérhetünk az SMPS áramkör tesztelésére. Egy jó SMPS tesztelő padnak rendelkeznie kell általánosan elérhető tesztelő és biztonsági felszereléssel, amely minimalizálja a biztonsági aggályokat.

Az izolációs transzformátor:

A leválasztó transzformátor az SMPS áramkör elsődleges szakaszának elektromos leválasztására szolgál. Elszigetelt állapotban bármilyen földelő szondát közvetlenül csatlakoztathatunk, az áramellátás nagyfeszültségű oldalát tagadva. Ez kiküszöböli a közvetlen földzárlat lehetőségét.

Az automatikus transzformátor:

Az autotranszformátor használható az SMPS áramkör bemeneti feszültségének lassú növelésére, miközben az áram figyelése megakadályozhatja a katasztrofális meghibásodást. Más helyzetben kis- és nagyfeszültségű helyzetek szimulálására használható, így szimulálhatjuk azokat a helyzeteket, amikor a hálózati feszültség hirtelen megváltozik, ez segít megérteni az SMPS viselkedését ezekben a körülményekben. Általánosságban elmondható, hogy egy univerzális névleges tápegység 85 V és 240 V tartományok között tesztelhető egy autotranszformátor segítségével, nagyon egyszerűen tesztelhetjük az SMPS áramkör kimeneti jellemzőit.

A sorozat izzó:

A soros villanykörte jó gyakorlat az SMPS áramkör tesztelésénél, egy alkatrész bizonyos meghibásodása felrobbanhat MOSFET-ekhez. Ha robbanó MOSFET-re gondolsz, akkor ezt jól olvastad! A MOSFET felrobban nagyáramú tápegységekben. Tehát egy sorozatos izzó megakadályozhatja a MOSFET robbantását.

Az elektronikus terhelés:

Bármely SMPS áramkör teljesítményének teszteléséhez terhelésre van szükség, míg bizonyos nagy teljesítményű ellenállások minden bizonnyal a legkönnyebb módja bizonyos terhelhetőség tesztelésének. De szinte lehetetlen tesztelni a kimeneti szűrőszakaszt változó terhelés nélkül, ezért válik szükségessé az elektronikus terhelés, mivel a terhelés lineáris változtatásával könnyen mérhetjük a kimeneti zajt különböző terhelési körülmények között.

Az Arduino segítségével saját, állítható elektronikus terhelést is létrehozhat, amelyet kis fogyasztású SMPS tesztelésre lehet használni. Elektronikus terhelés segítségével könnyedén megmérhetjük a kimeneti szűrő teljesítményét, és erre azért van szükség, mert egy rosszul megtervezett kimeneti szűrő egy bizonyos terhelési állapotban párosíthatja a harmonikát és a zajt a kimeneten, ami nagyon rossz az érzékenyeknek elektronika.

Az SMPS tesztelése nagyfeszültségű differenciálszondával

Míg a feszültségmérés könnyen elvégezhető egy leválasztó transzformátor segítségével, de jobb megoldás a differenciálszonda használata a nagyfeszültségű mérésekhez. A differenciálszondáknak két bemenete van, és mérik a bemenetek közötti feszültségkülönbséget. Ezt úgy teszi meg, hogy az egyik bemenet feszültségét minden beavatkozás nélkül kivonja a földsínekből.

Az ilyen típusú szondáknak magas a közös módú elutasítási arányuk (CMRR), ami javítja a szonda dinamikus tartományát. Egy általános SMPS áramkörben az elsődleges oldali kapcsolók nagyon magas, 340 V kapcsolási feszültséggel és viszonylag gyors átmeneti idővel rendelkeznek. Ez abban az esetben, ha zajt generál, ezekben a helyzetekben, ha megpróbáljuk megmérni a bemeneti jelet a MOSFET kapujában, akkor a magas zajt kapjuk, mint egy bemeneti kapcsoló jelet. Ezt a problémát könnyen kiküszöbölhetjük magas CMRR-értékű nagyfeszültségű differenciálszondával, amely elutasítja a zavaró jeleket.

Következtetés

A fejletlen tápegység tervezése és tesztelése biztonsági problémákat vet fel. A cikkben bemutatottak szerint azonban a bevett gyakorlat és a tesztelő berendezések bizonyosan jelentősen csökkenthetik a kockázatot.

Remélem, tetszett a cikk, és valami hasznosat tanult. Ha bármilyen kérdése van, hagyja őket az alábbi megjegyzés részben, vagy fórumunkon keresztül további technikai kérdéseket tehet fel.