Jak otestovat desku zdroje napájení smps

K ověření funkčnosti produktu a konstrukčních parametrů vyžaduje napájecí obvod složité zkušební metody a elektronické zkušební zařízení. Pro splnění produktových standardů je nutné shromáždit lepší znalosti o požadavcích na testování SMPS. V tomto článku se naučíme, jak testovat obvod SMPS, a probereme některé z nejzákladnějších testů SMPS a bezpečnostní normy, které je třeba dodržovat, aby bylo možné testovat obvod SMPS snadno a efektivně. Následující zkouška vám poskytne představu o nejzákladnějších architekturách napájení a jejich testovacím procesu.

Pokud jste konstruktér SMPS, můžete si také přečíst článek o tipech pro návrh desek plošných spojů SMPS a technikách redukce EMI SMPS, o nichž jsme již dříve hovořili.

Základy testování SMPS - body k zapamatování

Spínané napájecí zdroje (SMPS) obvody normálně spínají velmi vysoké napětí DC s automaticky nastavitelným pracovním cyklem, aby regulovaly výstupní výkon s vysokou účinností. Tím však vznikají obavy o bezpečnost, které mohou být pro zařízení škodlivé, pokud se o ně nebude postaráno.

Výše uvedené schéma ukazuje síťový napájecí zdroj, který využívá topologii flyback k převodu vysokonapěťového stejnosměrného proudu na nízkonapěťové stejnosměrné napětí. Schéma bylo vytvořeno tak, aby jasně chápalo stranu vysokého napětí a stranu nízkého napětí. Na straně vysokého napětí máme jako ochranné zařízení pojistku, poté je síťové napětí usměrněno a filtrováno vstupními usměrňovacími diodami D1, D2, D3, D4 a kondenzátorem C2, což znamená, že úroveň napětí mezi těmito linkami může dosáhnout v daném časovém okamžiku více než 350 V nebo více. Inženýři a technici by při práci s těmito potenciálně smrtelnými úrovněmi napětí měli být velmi opatrní.

Další věcí, na kterou je třeba být velmi opatrný, je filtrační kondenzátor C2, který udržuje náboj po dlouhou dobu, i když je napájecí zdroj odpojen od sítě. Než přistoupíme k testování obvodu SMPS, je nutné tento kondenzátor správně vybít.

Spínací tranzistor T2 je hlavní spínací tranzistor a T1 je pomocný spínací tranzistor. Vzhledem k tomu, že hlavní spínací tranzistor je zodpovědný za řízení hlavního transformátoru, je velmi pravděpodobné, že se velmi zahřeje, a protože je dodáván s pouzdrem TO-220, existuje šance, že na dřezu bude vysoké napětí. Testovací operátor musí být v této části zvlášť opatrný. Jedním z nejdůležitějších parametrů, které je třeba vzít na vědomí, je sekce transformátoru. Ve schématu je označen jako T1, transformátor T1 ve spojení s optočlenem OK1 zajišťuje izolaci od primární strany. V testovací situaci, kdy je sekundární část připojena k uzemnění a primární část je plovoucí. Situace spojující testovací přístroj v primární sekci způsobí zkrat k zemi, který může trvale poškodit testovací přístroj. Kromě toho potřebuje typický zpětný převodník minimální zátěž, aby správně fungoval, jinak nelze výstupní napětí správně regulovat.

Testy napájení

Napájecí zdroje se používají v různých výrobcích. Výsledkem je, že se výkon testu musí lišit v závislosti na aplikaci. Například nastavení testu v návrhové laboratoři se provádí k ověření parametrů návrhu. Tyto zkoušky vyžadují vysoce výkonné zkušební zařízení se správným kontrolním prostředím. Naproti tomu testování napájení v produkčním prostředí se primárně zaměřuje na celkovou funkci založenou na specifikacích určených během fáze návrhu produktu.

Načíst přechodnou dobu zotavení:

Napájecí zdroj s konstantním napětím má zabudovanou zpětnou vazbu, která průběžně monitoruje a stabilizuje výstupní napětí změnou pracovního cyklu. Pokud se zpoždění mezi zpětnovazebním a řídicím obvodem přiblíží kritické hodnotě při jeho křížení jednoty a zisku, napájení se stane nestabilním a začne oscilovat. Toto časové zpoždění se měří jako úhlový rozdíl a je definováno jako stupeň fázového posunu. U typického napájecího zdroje je tato hodnota 180 stupňů fázového posunu mezi vstupem a výstupem.

Test regulace zatížení:

Regulace zátěže je statický parametr, ve kterém testujeme výstupní limit napájecího zdroje na náhlou změnu zátěžového proudu. U napájecího zdroje s konstantním napětím je testovacím parametrem konstantní proud. Při napájení konstantním proudem je to konstantní napětí. Testováním těchto parametrů můžeme určit schopnost napájecího zdroje odolat rychlým změnám v zátěži.

Test aktuálního limitu:

V typickém proudově omezeném napájecím zdroji se zkouška provádí, aby se sledovaly proudové omezovací schopnosti napájecího zdroje s konstantním napětím. Skutečný proudový limit může být fixní nebo se může měnit v závislosti na typu a požadavku na napájení.

Test na zvlnění a hluk:

Typicky kvalitní napájecí zdroj nebo mnoho vysoce kvalitních napájecích zdrojů pro audio se testuje, aby se změřilo jejich zvlnění a šum na výstupu. Nejběžnější název tohoto testu je známý jako PARD (periodická a náhodná odchylka). V tomto testu měříme periodickou a náhodnou odchylku výstupního napětí na omezenou šířku pásma spolu s dalšími parametry, jako je vstupní napětí, vstupní proud, spínací frekvence a proud zátěže neustále. Jednoduše řečeno, pomocí tohoto procesu měříme spodní AC vázaný šum a zvlnění po fázi usměrnění a filtrování výstupu.

Test účinnosti:

Účinnost napájecího zdroje je potom poměr mezi jeho celkovým výkonem dělený jeho celkového příkonu. Výstupní výkon je stejnosměrný, kde je vstupní výkon střídavý, takže k dosažení tohoto cíle musíme získat skutečnou RMS hodnotu vstupního výkonu. Lze použít kvalitní wattmetr se skutečnými schopnostmi RMS. Provedením tohoto testu může tester porozumět celkovým konstrukčním parametrům napájecího zdroje, pokud je pro vybranou topologii naměřená účinnost mimo prostor, pak je to jasná indikace špatně problém s navrženým napájením nebo vadnými součástmi.

Test zpoždění při spuštění:

Zpoždění při zapnutí napájecího zdroje je měření času potřebného ke stabilizaci výstupu napájecího zdroje. Pro spínaný napájecí zdroj je tato doba velmi důležitá pro správné řazení výstupního napětí. Tento parametr hraje důležitou roli také při napájení citlivých elektronických zařízení a senzorů. Pokud tento parametr není správně zpracován, vede to k tvorbě hrotů, které mohou zničit spínací tranzistory nebo dokonce připojenou výstupní zátěž. Tento problém lze snadno vyřešit přidáním obvodu „soft start“ k omezení počátečního proudu pro spínací tranzistor.

Vypnutí přepětí:

Typicky dobrý napájecí zdroj je navržen tak, aby se vypnul, pokud výstupní napětí napájecího zdroje překročí určitou prahovou úroveň, pokud ne, může to být pro zařízení při zatížení škodlivé.

Typické nastavení testování SMPS

Po vyjmutí všech požadovaných parametrů můžeme konečně přejít k testování obvodu SMPS, dobrá zkušební stolice SMPS by měla mít běžně dostupné testovací a bezpečnostní vybavení, které minimalizuje obavy o bezpečnost.

Izolační transformátor:

Oddělovací transformátor slouží k elektrické izolaci primární části obvodu SMPS. Když je izolován, můžeme přímo připojit jakoukoli zemní sondu, negující vysokonapěťovou stranu napájecího zdroje. Tím se eliminuje možnost zkratu přímo k zemi.

Auto-transformátor:

Autotransformátor lze použít k pomalému zvyšování vstupního napětí obvodu SMPS, přičemž při monitorování proudu lze zabránit katastrofickému selhání. V jiné situaci může být použit k simulaci situací nízkého napětí a vysokého napětí, můžeme tak simulovat situace, kdy se síťové napětí náhle změní, což nám pomůže pochopit chování SMPS v těchto podmínkách. Obecně lze univerzální jmenovitý napájecí rozsah v rozmezí od 85V do 240V testovat pomocí autotransformátoru, můžeme snadno otestovat výstupní charakteristiku obvodu SMPS.

Žárovka série:

Žárovka v sérii je dobrým postupem, pokud jde o testování obvodu SMPS, určité selhání součásti může vést k explozi MOSFETů. Pokud uvažujete o explodujícím MOSFET, čtete správně! MOSFET exploduje ve zdrojích vysokého proudu. Takže žárovka v sérii může zabránit výbuchu MOSFETu.

Elektronická zátěž:

K otestování výkonu jakéhokoli obvodu SMPS je nutná zátěž, zatímco některý vysoce výkonný rezistor je zcela jistě snadný způsob, jak otestovat určitou zátěžovou kapacitu. Je však téměř nemožné otestovat sekci výstupního filtru bez měnícího se zatížení, proto je nutné elektronické zatížení, protože můžeme snadno měřit výstupní šum za různých podmínek zatížení lineární změnou zatížení.

Můžete si také vytvořit vlastní nastavitelnou elektronickou zátěž pomocí Arduina, které lze použít pro testování SMPS s nízkou spotřebou. S pomocí elektronické zátěže můžeme snadno měřit výkon výstupního filtru a je to nutné, protože špatně navržený výstupní filtr za určitých podmínek zátěže může spojit harmonické a šumové na výstupu, což je velmi špatné pro citlivé elektronika.

Testování SMPS pomocí vysokonapěťové diferenciální sondy

Zatímco měření napětí lze provést snadno pomocí oddělovacího transformátoru, ale lepším způsobem je použití diferenciální sondy pro měření vysokého napětí. Diferenciální sondy mají dva vstupy a měří rozdíl napětí mezi vstupy. Dělá to odečtením napětí na jednom vstupu od druhého bez jakéhokoli zásahu ze zemních kolejnic.

Tyto typy sond mají vysoký poměr odmítnutí společného režimu (CMRR), který zlepšuje dynamický rozsah sondy. V obecném obvodu SMPS se primární strana přepíná s velmi vysokým spínacím napětím 340 V a relativně rychlou dobou přechodu. Což v případě, že generuje šum, v těchto situacích, pokud se pokusíme měřit vstupní signál v bráně MOSFET, budeme hradit spíše vysoký šum než vstupní spínací signál. Tento problém lze snadno eliminovat použitím vysokonapěťové diferenciální sondy s vysokou CMRR, která ruší rušivé signály.

Závěr

Návrh a testování nedostatečně rozvinutého napájecího zdroje může představovat bezpečnostní obavy. Jak je však ukázáno v článku, běžná praxe a testovací zařízení mohou určitě výrazně snížit riziko.

Doufám, že se vám článek líbil a naučili jste se něco užitečného. Máte-li jakékoli dotazy, můžete je zanechat v sekci komentářů níže nebo použít naše fóra k odeslání dalších technických otázek.