Как измерить пульсации блока питания: Измерение пульсаций источника питания

Метрологические аспекты измерений уровня пульсаций в источниках питания постоянного тока

4 марта 2019

подписаться

подписаться

Константин Бондин,

генеральный директор

ООО «Профигрупп»

[email protected]

Андрей Зуйков,

инженер-метролог

Сергей Липатов,

инженер-конструктор

Каждое техническое средство обладает уникальными параметрами. В ходе практической деятельности выработаны методы по контролю и подтверждению данных параметров: испытания, проверки, калибровки, поверки. Созданы системы качества, программы постановки на производство и прочие регламенты, управляющие процессом выпуска продукции с требуемыми характеристиками.

На данный момент в отношении типовых агрегатов выпускаемых технических средств существуют стандартные методы контроля (измерений) их параметров, зафиксированные в ГОСТах и конструкторской документации, а также имеющие достаточную степень детализации и актуализируемые по мере необходимости в связи с появлением новых измерительных технологий и средств измерений.

Мы, производители такого типового технического средства, как источник питания (ИП) постоянного тока, были полностью уверены, что все методики измерений контролируемых параметров стандартизованы и апробированы тысячью пользователей и практически совершенны в методологическом плане. Но практическая деятельность заставила нас усомниться в данном утверждении.

Своеобразной темной лошадкой источников питания стал такой параметр, как пульсации электрического тока — достаточно распространённая техническая характеристика, активно применяемая при нормировании параметров источников питания. Методология его контроля проста как в техническом плане, так и в практической реализации.

Определение пульсаций выходного тока проводят методом косвенных измерений, определяя падение напряжения на нагрузке микровольтметром переменного напряжения В3-57 (рис. 1).

Рис. 1. Измерительная схема контроля пульсаций

В большинстве методик поверки определение погрешности прибора выполняется при максимальном выходном токе и напряжении, равном 90% от конечного значения диапазона измерений.

Определение пульсаций проводят в следующем порядке:

1. К выходу поверяемого прибора подключают катушку электрического сопротивления Р310, Р321 (в зависимости от выходного тока источника).
2. К потенциальным зажимам катушки подключают микровольтметр В3-57.
3. Органами управления поверяемого прибора устанавливают выходное напряжение, соответствующее 90% от конечного значения диапазона измерений.
4. Для получения максимального значения выходного тока и 90%-о уровня выходного напряжения с помощью нагрузки устанавливают требуемое значение сопротивления.
5. Измеряют пульсации напряжения, фиксируя показания микровольтметром В3-57.
6. За результат измерения принимают значение, рассчитанное по формуле:

ИП считается прошедшим поверку по данному пункту, если значение пульсации выходного тока в режиме стабилизации тока не превышает 5 мА среднеквадратического значения.

Однако реализация описанного метода различными пользователями при, казалось бы, широких допусках продемонстрировала огромный разброс данного параметра, зачастую превышая пределы допусков в десятки раз.

Несложное исследование данного метода измерения дало интересные результаты. Применение при контроле пульсаций двух номиналов катушек сопротивлений Р310: 0,01 Ом и 0,001 Ом показало тысячекратное изменение уровня пульсаций при использовании одного и того же режима работы ИП, хотя по закону Ома значения измеряемого переменного напряжения должны были отличаться не более чем в 10 раз. Опыты при применении катушки Р323 номиналом 0,0001 Ом подтвердили эту тенденцию и показали полную несостоятельность предложенного метода измерений.

Было замечено значительное уменьшение уровня пульсаций при применении скрутки измерительных проводов, что натолкнуло нас на мысль исследовать вопрос электромагнитной составляющей природы этого явления (рис. 2).

Рис. 2. Измерительный кабель В3-57. Применение скрутки измерительных проводов значительно влияет на результат измерений пульсаций

Нормированные уровни индустриальных помех, допускаемые для современной техники, определяются множеством ГОСТов в зависимости от специфики устройства. Общая методика определения данного уровня помех регламентирует контроль параметров на уровнях единиц мкВ на расстоянии 3 и 10 м от испытуемого изделия. Однако на практике средства измерений находятся в непосредственной близости друг от друга, и уровни фактических помех, воздействующих на измерительные цепи средств измерений, никем не контролируются и должным образом не учитываются.

Применительно к нашему случаю мы провели практическое исследование уровня помех, регистрируемых измерительной схемой при контроле пульсаций (В3-57), и пересчитали в величину уровня пульсаций. Полученные результаты объяснили разброс показаний, наблюдаемый при контроле пульсаций разными пользователями и лабораториями.

Анализ гостированных методов измерений пульсаций, выполняемых при помощи осциллографа по ГОСТ 18953-73, показал незаконность использования данного метода в настоящее время, но на практике измерение по ГОСТ 18953-73 практически не применяется в утвержденных методиках поверки. Ранее действующий ГОСТ отменен и внедрен международный ГОСТ Р 54364-2011 (IEC 61204:2001) «Низковольтные источники питания постоянного тока. Эксплуатационные характеристики», регламентирующий новые подходы в контроле пульсаций:

• дифференциальный метод измерения;
• метод испытания нагрузочной вилкой.

Практическое применение данных методов вызвало больше вопросов, чем их отмена: при их использовании зафиксировать какие-либо критические уровни пульсаций не удалось. ТаРис. 3. Оснастка для контроля пульсаций по ГОСТ Р 54364-2011 ким образом, создается впечатление, что любой выпускаемый сегодня ИП гарантированно не имеет критических уровней пульсаций (рис. 3).

Рис. 3. Оснастка для контроля пульсаций по ГОСТ Р 54364-2011

Метод испытания нагрузочной вилкой (рис. 4) показал свою низкую чувствительность, начинающуюся на уровне 3 мА. При этом метод определяется чувствительностью токового пробника (токовых клещей) при контролируемом уровне пульсаций по току в диапазоне 2–5 мА.

Рис. 4. Метод испытания нагрузочной вилкой

Анализ методик измерений других производителей, в том числе иностранного производства, поражает многообразием применяемых способов. В зависимости от технического исполнения и мощности ИП разнятся и методы контроля данного параметра:

• при помощи осциллографа с закрытым входом;
• включением в измерительную цепь ИП обратной полярности;
• при помощи дифференциальных пробников;
• применением нагрузочных вилок и токовых клещей;
• применением токовых шунтов и электронных нагрузок;
• использованием ферритовых колец в измерительной схеме;
• снятием показаний непосредственно с нагрузочных сопротивлений.

В конечном итоге все указанные методы сводятся к контролю уровня переменного напряжения.

Проведя анализ схемотехнических решений в исполнении источников питания, мы пришли к выводу, что пульсации постоянного тока — это характеристика стабилизатора ИП в режиме стабилизации тока. Пульсации тока выражены безразмерной величиной относительно величины рабочего тока и определяются двумя факторами:

• режимом работы источника питания;
• номиналом постоянного тока, генерируемого ИП.

Анализ составляющих формулы (1) показывает, что величина постоянного и переменного тока напрямую зависит от нагрузки, на которую работает ИП, разного поведения одной и той же нагрузки для постоянного и переменного тока (активной и реактивной составляющей).

При производстве универсальных источников питания нет информации о специфике будущей рабочей нагрузки, и при настройке и регулировке используется нагрузка, имеющая в большей части активную составляющую. Логично выглядит идея, что и при проведении контрольных операций с источником питания следует применять аналогичную нагрузку, имеющую в большей степени активную составляющую.

Анализ методов контроля пульсаций показывает активное применение электронных нагрузок. Функционал данных устройств, безусловно, удобен для воспроизведения необходимых режимов работы ИП. Но для контроля параметров пульсаций ИП критичным параметром становятся собственные пульсации и стабильность работы электронных нагрузок, которые в должном объеме никто не исследовал. Поэтому применение в методиках контроля пульсаций данных устройств, по нашему мнению, неприемлемо. В процессе производства ИП для контроля технических параметров нами было разработано устройство, максимально учитывающее специфику измерительной задачи, — реостат электронно-управляемый (РЭУ), технические характеристики которого приведены в таблице.

В основу конструкторского решения реализации РЭУ легли реальные сопротивления, серийно выпускаемые отечественной промышленностью. Подбор номиналов и нагрузочной способности данных резисторов определяется режимом работы источника в контролируемой точке. Избыток тепла, выделяемого на нагрузке, отводится из корпуса РЭУ при помощи принудительной вентиляции.

Запас по мощности на нагрузочных сопротивлениях, низкие требования к точности задания номинала сопротивления и система внутреннего мониторинга измерений — система защиты позволяет использовать измерительные точки других режимов работы РЭУ для более тщательного исследования поведения управляющей системы источника питания и корректности функционирования во всем диапазоне работы, исключая возможность повреждения РЭУ.

Фактически при поверке (проверке, калибровке) ИП необходимо проверить (изучить):

• поведение управляющей системы источника питания;
• корректность функционирования во всем диапазоне работы.

Для успешного выполнения этих задач РЭУ обладает следующими особенностями:

• нагрузочные сопротивления имеют запас по мощности;
• система внутреннего мониторинга измерений — система защиты позволяет безболезненно использовать измерительные нагрузочные номиналы соседних режимов работы РЭУ.

Плата коммутации выполнена на мощных транзисторах, исключающих процесс искрообразования и значительные потери на самом элементе. Конструкция плат выполнена с максимальным экранированием от генерирования собственных наводок на внешние проводники и улавливания внешних.

Конструктивно корпус РЭУ (рис. 5) выбран в исполнении, максимально исключающем прохождение внешних наводок внутрь корпуса. Разделение узлов и расположение их внутри корпуса минимизирует возможное взаимное влияние и распространение внутри корпуса потенциальных наводок. Измерительная часть дополнительно экранирована. Контрольный шунт выполнен из манганинового сплава, что в долгосрочной перспективе гарантирует стабильные характеристики его номинала.

Рис. 5. Реостат электронно-управляемый РЭУ-03

Внутренние источники питания, необходимые для работы цифровой части РЭУ, выполнены в индивидуальных модулях и отделены экранами от самих нагрузочных сопротивлений и измерительной части схемы.

Все эти конструкторские решения позволили нам минимизировать величины вероятных наводок до уровня десятых милливольт и миллиампер. Дальнейшая работа по уменьшению собственных наводок не представляется целесообразной, так как нормированные уровни контролируемых пульсаций составляют единицы милливольт (миллиампер).

Презентация данной нагрузки на выставках и общение с представителями заинтересованных организаций показали актуальность нашей разработки для практикующих метрологов и подсказали пути дальнейшей модернизации РЭУ, по окончании которой устройство можно будет использовать как для работы на переменном напряжении, так и для калибровки трансформаторов тока.

Таблица. Основные технические данные и характеристики РЭУ-03

Отладка источников питания постоянного тока с помощью осциллографа эконом класса

Авторы:

Андреас Гримм (Andreas Grimm — Sales Manager Europe Rohde & Schwarz),

Павел Струнин — Руководитель направления ООО «РОДЕ и ШВАРЦ РУС»

Стабильное электропитание – залог долгосрочной эксплуатации интегральных схем. И хотя в первую очередь это касается высококлассных интегральных схем, построенных на программируемых логических матрицах FPGA (ПЛИС), даже менее скоростные последовательные шины могут порождать значительные помехи. Быстрый анализ с помощью осциллографа эконом-класса помогает существенно улучшить производительность системы. Использование ряда оптимизированных настроек осциллографа позволяет заметно повысить результативность такого анализа.

В настоящей статье рассматриваются методы оптимизации анализа явлений, возникающих в источниках электропитания встраиваемых систем. Анализ на примере постоянного напряжения питания ПЛИС с CAN-интерфейсом выполняется с помощью осциллографа RTB2000.

1. Оптимизация настроек для измерения постоянного напряжения

Сначала выполним анализ постоянного напряжения без использования специальных настроек. На рисунке 1 показан пример измерения постоянного напряжения с помощью пассивного пробника (10:1), подключенного к источнику питания постоянного тока. Чтобы сигнал отобразился на экране прибора, масштаб по вертикали задан равным 1 В/дел; при этом для обнаружения пульсаций используется измерение размаха напряжения, включающее сбор статистических данных. Значение постоянного напряжения, измеренное встроенным вольтметром, равно 4,92 В. При этом среднее измеренное значение пульсаций составляет 179,90 мВ (отмечено красной окружностью с помощью встроенного инструмента аннотирования, используемого для документирования результатов).

Рисунок.1 Измерение постоянного напряжения без оптимизации настроек осциллографа

Почему же вертикальное разрешение осциллографа играет столь важную роль? В данном случае быстрая первоначальная оценка дает теоретическое разрешение осциллографа. Прибор RTB2000 использует 10-разрядный АЦП и, таким образом, поддерживает 1024 уровня принятия решений. Масштаб по вертикали равен 1 В/дел, что обеспечивает работу в полном диапазоне шириной 10 В. Как показывают расчеты, теоретическое разрешение осциллографа составляет приблизительно 10 мВ. И хотя кривая напряжения питания выглядит гладкой, средний уровень пульсаций, полученный более чем по 10 тыс. измерений, составляет 179,90 мВ, т. е. 3,5 % от уровня напряжения питания. Для повышения точности измерения установлено смещение канала 4,92 В, чувствительность 20 мВ/дел, что позволяет увеличить точность в 50 раз!

Рисунок.2. Более точные результаты измерения, полученные благодаря правильным настройкам системы вертикального отклонения и передовой технологии построения входного каскада.

Как видно из рисунка 2, среднее значение, рассчитанное при измерении размаха напряжения, теперь равно 68,28 мВ. Это значение приблизительно в 2,5 раза меньше того, которое было получено при начальном измерении, и намного точнее – разрешение 10-разрядного АЦП в этом случае составляет около 0,2 мВ.

2. Идентификация помех источника питания постоянного тока

Вторым этапом является идентификация и сопоставление помех, вносимых в постоянное напряжение другими событиями. Просматривая изменения сигнала, отраженные на рисунке 2, сложно идентифицировать эти помехи, поскольку масштаб по временной оси выбран не оптимально. Общепризнанным подходом является выполнение захвата сигнала в интервалах большей длительности, что позволяет увеличить вероятность обнаружения связанных событий, которые зачастую возникают в медленных сигналах. Типовым источником связанных событий во встраиваемых системах является преобразователь переменного тока в постоянный (AC/DC). Возникновение таких событий может быть связано с частотой электросети (50 Гц в странах Европы). Для идентификации подобных последовательностей необходимо установить масштаб по временной оси 10 мс/дел. На рисунке 3 такая конфигурация используется совместно с дополнительным окном масштабирования. Верхняя кривая позволяет идентифицировать последовательность событий, возникающих приблизительно каждые 25 мс. Нижняя кривая представляет сигнал, увеличенный в 1000 раз. Для указания дополнительных обнаруженных выбросов, возникающих приблизительно каждые 15 мкс, используется встроенный инструмент аннотирования осциллографа RTB2000. Таким образом, на экране прибора отображаются два периодических события.

Рисунок. 3. Связанные события, повторяющиеся с низкой и высокой частотами, захватываются с использованием долговременной памяти.

Оба периодических события могут быть отображены на одном экране благодаря встроенной в прибор RTB2000 стандартной памяти для собранных данных объемом 10 млн отсчетов на канал, позволяющей работать на стабильно высокой частоте дискретизации. В рассматриваемом примере это означает, что захват выполняется в полном интервале 120 мс с частотой дискретизации 62,5 млн отсчетов/с. Другими словами, обеспечивается возможность идентификации событий в наносекундном диапазоне, т. е. возможность надежного обнаружения событий, повторяющиеся с высокой частотой. В настоящей статье основное внимание уделяется анализу первопричин возникновения более длительных периодических событий, которые появляются с меньшей частотой и обладают амплитудой, меняющейся в широких пределах.

Осциллограф смешанных сигналов RTB2000 опционально поддерживает до 16 цифровых входных каналов, а также функцию синхронизации и декодирования сигналов последовательной шины CAN. Один из таких цифровых каналов используется для захвата телеграмм шины CAN. Декодирование сигналов этого протокола выполняется с использованием аппаратного ускорения и цветовой схемы, позволяющей идентифицировать адреса записи/чтения, данные и все остальные биты сообщения шины CAN. На снимке экрана, приведенном на рисунке 4, показан сигнал цифрового канала, а также декодированная телеграмма шины CAN вместе с напряжением источника питания постоянного тока.

Рисунок. 4. Одновременное отображение аналогового постоянного напряжения, а также данных протокола шины CAN в виде цифрового и декодированного сигналов.

Последовательность событий, появляющихся в постоянном напряжении каждые 25 мс, может быть непосредственно связана с телеграммой шины CAN. Каждый раз, когда ПЛИС начинает передачу данных по шине CAN, нагрузка на источник питания постоянного тока возрастает, что и приводит к появлению пульсаций. Если посмотреть на изменения постоянного напряжения в окне масштабирования, можно заметить, что основные пульсации возникают вследствие переключения битов, однако степень влияния этого процесса сложно оценить из-за наложенного шума. В рассматриваемом примере можно выделить пульсации, вызываемые исключительно переключением битов, выполнив синхронизацию по отдельному адресу шины CAN и/или данным и задействовав способность ИУ передавать повторяющиеся сообщения шины CAN. Прибор RTB2000 настроен на синхронизацию по периодической телеграмме шины CAN и выполняет усреднение по нескольким выборкам. Полученные результаты показаны на рисунке 5.

Рисунок. 5. Использование усреднения для удаления части пульсаций постоянного напряжения, не связанных с переключением битов.

Процедура усреднения позволяет удалить все шумы, не связанные с переключением битов. Пульсации постоянного напряжения, вызванные передачей сигналов по шине CAN, теперь изолированы, а их уровень составляет 49,20 мВ.

3. Сравнение результатов измерений, полученных с помощью различных методов

В настоящей статье с помощью осциллографа эконом-класса с полосой пропускания 300 МГц и 10-разрядным АЦП продемонстрировано, как оптимизация настроек систем вертикального и горизонтального отклонения позволяет понять первопричины возникновения пульсаций напряжения источника питания постоянного тока. Объем памяти для сбора данных также имеет большое значение, поскольку частота возникновения большинства связанных событий по своей природе меньше частоты сигналов ИУ. Кроме того, поддержка возможности синхронизации (запуска) по конкретным телеграммам последовательной шины позволяет определить основные причины возникновения событий и выполнить точные измерения пульсаций. На рисунке 6 показано непосредственное сравнение трех видов настроек с иллюстрацией измерительных процедур.

Рисунок 6 Непосредственное сравнение измерений.

Уровень пульсаций напряжения источника питания постоянного тока, определенный в рамках начального измерения, составил приблизительно 180 мВ. Оптимизация настроек системы вертикального отклонения показала, что пульсации находились в диапазоне приблизительно 68 мВ. Наконец, в качестве основной причины возникновения пульсаций была идентифицирована передача данных по шине CAN. Все это стало возможным лишь благодаря использованию долговременной памяти и функции захвата сигналов шины CAN. После синхронизации по конкретным данным шины CAN и усреднения полученных результатов измеренный уровень пульсаций напряжения источника питания постоянного тока, вызванных переключением битов, составил приблизительно 49 мВ, т. е. около 1 % от номинального напряжения.

Rohde & Schwarz

Как измерять пульсации и переходные процессы в источниках питания

Двумя наиболее распространенными характеристиками при оценке источника питания являются пульсации и переходные процессы . Хотя они могут показаться простыми измерениями, есть два важных аспекта, которые следует учитывать для получения правильных данных. Первый — это метод измерения при использовании пробника осциллографа, а второй относится к конкретным условиям, при которых задаются эти данные.

Надлежащие методы измерения с использованием пробника осциллографа

Прежде чем пытаться измерить пульсации или переходные процессы, следует обсудить некоторые общие сведения о пробниках с помощью осциллографа. Поскольку величина интересующего сигнала, как правило, измеряется в милливольтах, любой внутренний сигнал, который усиливается, или внешний сигнал, который принимается, может легко скрыть или исказить сигнал и привести к неверным результатам. Чрезвычайно важно смягчить это с помощью надлежащих методов измерения зонда.

Самое важное, что тестер может сделать для обеспечения хороших измерений, — это свести к минимуму контур заземления, создаваемый пробником. Петля, создаваемая обратным трактом пробника, вызывает индуктивность, которая может усиливать внутренний шум и улавливать внешний шум. Датчики обычно поставляются с заземляющим зажимом типа «крокодил», подобным показанному на изображении ниже. Несмотря на простоту подключения, эти зажимы заземления приводят к большим петлям заземления, которые не рекомендуются для этих измерений. Вместо этого есть два распространенных и предпочтительных метода создания небольшого контура заземления: метод «наконечник и корпус» и метод «скрепки».

Большая петля заземления, вызванная длинным заземляющим зажимом

Метод наконечника и цилиндра удаляет почвенное покрытие и зажим зонда, оставляя наконечник и ствол зонда открытыми. Затем на кончик пробника подается выходное напряжение, а цилиндр наклоняют так, чтобы он соприкасался с землей в точке, очень близкой к наконечнику. Недостаток этого метода заключается в том, что доступные точки зонда или точки, к которым можно применить и наконечник, и цилиндр, могут быть не идеальными и/или находиться на расстоянии от любого выходного конденсатора. В идеале пробник должен располагаться как можно ближе к выходному конденсатору.

Идеальная установка для метода наконечника и цилиндра

С другой стороны, метод скрепки использует метод наконечника и цилиндра и добавляет небольшую катушку провода с коротким проводом к стволу. Это создает на зонде наконечник, похожий на пинцет, что обеспечивает более гибкое расположение зонда при сохранении небольшой площади петли.

Идеальная установка для метода скрепки

Хотя это не единственные методы получения хорошего сигнала, следует приложить усилия, чтобы контур заземления был как можно меньше, независимо от выбранного метода. Для получения дополнительной информации посмотрите наше видео, демонстрирующее эти методы зондирования.

Пульсация и шум

Пульсация — это неотъемлемая переменная составляющая выходного напряжения, вызванная внутренним переключением источника питания. Шум — это проявление паразитных помех в источнике питания, которые проявляются в виде высокочастотных всплесков напряжения на выходном напряжении. В спецификациях указано максимальное размах отклонения выходного напряжения, вызванное пульсациями и шумом. Как обсуждалось выше, важно использовать хорошие методы измерения, чтобы гарантировать, что измерение точно отражает пульсации и шум источника питания.

При тестировании пульсаций и шума необходимо помнить несколько условий. Во-первых, нагрузка оказывает значительное влияние на пульсации, поэтому важно, чтобы измерение проводилось при тех же условиях нагрузки, как правило, при полной нагрузке, как указано в техническом описании. Входное напряжение также влияет на пульсации, и тест следует проводить при всех интересующих входных напряжениях. В дополнение к электрическим параметрам многие производители указывают некоторые внешние конденсаторы (обычно это электролитические порядка 10 мкФ и керамические 0,1 мкФ), которые подключаются к выходу источника питания для целей измерения. . Щуп должен располагаться рядом с этими конденсаторами. Наконец, для этого измерения обычно указывается ограничение полосы пропускания канала осциллографа в 20 МГц.

Как правило, для выполнения этого теста требуется только один щуп осциллографа, при этом щуп помещается на выходной конденсатор или указанный внешний конденсатор с использованием описанных выше методов измерения щупа.

Пример плохих и хороших измерений пробника: измерение большой пульсации и шума контура заземления (слева) и метод «скрепки» (справа)

Переходная характеристика

Переходная характеристика представляет собой величину, на которую выходное напряжение может отклоняться из-за изменения нагрузки. При изменении нагрузки источник питания не может сразу отреагировать на новые условия и либо имеет слишком много запасенной энергии, либо ее недостаточно. За избыток энергии или недостаток энергии будут отвечать выходные конденсаторы. Они либо расходуют свой заряд, чтобы поддерживать нагрузку, вызывая снижение напряжения, либо накапливают избыточную энергию, вызывая увеличение напряжения. В течение нескольких циклов переключения источник питания адаптируется к накоплению только той энергии, которая необходима нагрузке, а выходное напряжение вернется к своему номинальному значению. При измерении переходной характеристики представляет интерес величина отклонения выходного напряжения от его номинального значения, время, необходимое для восстановления, или время, в течение которого напряжение выходит за указанные пределы регулирования.

В отличие от пульсаций и шума, условия которых ограничены нагрузкой и входным напряжением, переходная характеристика имеет несколько дополнительных условий, которые могут повлиять на ее измерение. Важными условиями, которые следует отметить, являются скорость нарастания приложенного шага нагрузки, начальный ток и конечный ток. Скорость нарастания оказывает большое влияние на переходную характеристику, потому что чем быстрее изменяется нагрузка, тем больше будет отклоняться выходной сигнал, прежде чем источник питания сможет отреагировать на изменяющиеся условия. Начальный и конечный текущие уровни также могут иметь значение. Источники питания часто ведут себя по-разному при небольших нагрузках, и переходный процесс, который пересекает эти области, может привести к тому, что источник питания будет реагировать иначе, чем если бы переходный процесс возник в одной области. Начальный и конечный токи вместе со скоростью нарастания также определяют время изменения тока и должны соответствовать заданным условиям.

Для измерения переходной характеристики пользователю потребуются два канала осциллографа. Первый щуп должен располагаться на выходе источника питания рядом с выходными контактами или точкой регулирования. Измерение выходного напряжения вдали от точки регулирования вызовет смещение постоянного тока между двумя состояниями нагрузки, вызванное падением напряжения в выходном кабеле. Второй датчик должен иметь ток или сигнал, синхронный с переходным изменением нагрузки. Этот пробник будет использоваться в качестве триггера, чтобы можно было четко увидеть результирующее отклонение выходного напряжения.

Измерение переходной характеристики с выходным напряжением (вверху) и нагрузкой (внизу)

Заключение

Пульсации и переходные процессы являются общей частью оценки источника питания. При измерении этих характеристик с помощью осциллографа важно, чтобы площадь контура пробника была минимальной, чтобы избежать искажения исследуемых сигналов. В дополнение к правильным методам измерения зонда, условия, при которых в таблице данных указаны эти измерения, также должны быть известны и соблюдаться, чтобы любое сравнение было достоверным.

Категории:
Основы
, Тестирование и анализ отказов

Вам также может понравиться

Изоляция, изоляция и рабочее напряжение

Блог о мощности

Подключение источников питания параллельно или последовательно для увеличения выходной мощности

Блог о мощности

USB Type-C, подача питания и программируемый блок питания

Блог о мощности

Есть комментарии по этому посту или темам, которые вы хотели бы видеть в будущем?

Отправьте нам письмо по адресу powerblog@cui. com

Как измерить пульсации источника питания с помощью осциллографа

Большинство настольных источников питания и основных регуляторов мощности, используемых в электронике, представляют собой импульсные регуляторы, которые могут быть дополнительно изолированы или не изолированы в зависимости от соображений безопасности. Источники питания или регуляторы мощности могут демонстрировать различные уровни шума в зависимости от требуемой стратегии заземления и подключений к нагрузкам. При тестировании настольного источника питания или встроенного регулятора мощности важно правильно измерить создаваемый шум.

Основным инструментом для измерения шума регулятора мощности является осциллограф и, возможно, анализатор спектра, если вы хотите посмотреть на спектр мощности шума. Чтобы помочь начинающим инженерам лучше справиться с шумом, который они могут ожидать в своей силовой электронике, в приведенном ниже руководстве описывается, как получить точные измерения шума источника питания с помощью осциллографа.

Шум источника питания на осциллографе

Осциллограф можно использовать для непосредственной выборки сигнала во временной области и отображения измерений пользователю. Для источника питания это требует добавления нагрузки к выходу и подключения к цепи стандартного широкополосного пробника. Полный список необходимых компонентов можно найти ниже:

• Пробник с требуемой полосой пропускания и коэффициентом затухания (подходит 10:1)
• Если возможно, используйте дифференциальный датчик для высокоточных измерений, в противном случае подходит несимметричный датчик
• Резистивная нагрузка, желательно с достаточно высоким сопротивлением для стабилизации регулятора

Соединения для этих измерений очень просты: подключите нагрузку к выходу источника питания и измерьте с помощью осциллографа. Для этого измерения требуется прецизионный резистор, способный выдерживать большую мощность рассеяния (порядка ~ 1 Вт), особенно если вы будете проводить это измерение при более высоких напряжениях. Затем выходной сигнал измеряется непосредственно на клеммах регулятора мощности.

С помощью этой конфигурации мы намерены измерить первичную форму сигнала переключения, связанную с катушкой индуктивности в первичной цепи импульсного регулятора. В более продвинутой изолированной системе, такой как резонансный преобразователь LLC, индуктор на первичной стороне, трансформатор и параллельный конденсатор будут определять частоту и интенсивность пульсаций, наблюдаемых на вторичной стороне. Батарея выходных конденсаторов (и значения ESR конденсаторов) будут определять величину пульсаций, измеренных на выходном порту.

Количественная оценка шума

При первоначальном включении источника питания и подаче сигнала во временной области на осциллограф форма сигнала будет иметь очень низкий уровень с некоторым смещением по постоянному току из-за настройки деления напряжения. Уменьшите настройки вольт на деление и время на деление, чтобы вывести пульсации в область просмотра и устранить основную составляющую пульсаций, связанную с катушкой индуктивности. Форма сигнала должна выглядеть как шум, наложенный на постоянное напряжение. Могут присутствовать большие пики, указывающие на события переключения, подобные тому, что измерено ниже.

Наблюдаются большие пики на выходе регулятора мощности.

Отсюда возможны три метрики шума, которые нам будут интересны:

• Основные частотные компоненты сигнала во временной области
• Пиковое напряжение или отклонение пикового напряжения от номинального постоянного тока
• Среднеквадратичное значение напряжения или стандартное отклонение от номинального значения постоянного тока

Размах напряжения или среднеквадратичное значение напряжения можно извлечь из автоматических измерений в большинстве осциллографов. Если ваш осциллограф не содержит автоматических измерений, вам потребуется использовать набор курсоров для отметки измерений или вам потребуется изменить деление по горизонтали/вертикали для проведения измерений.

Как правило, при работе в режиме непрерывной проводимости пульсация на выходе будет иметь полугладкую форму волны, которая имеет несколько треугольную форму. Он не будет идеально треугольным по двум причинам: высокочастотный спад на входе пробника и осциллографа и любая фильтрация нижних частот на выходе источника питания. Однако часто можно увидеть дополнительные частотные составляющие, наложенные поверх основной пульсации, связанной с катушкой индуктивности.

Емкость пробника

Типичные частоты переключения переключающих элементов в источнике питания (синхронном или асинхронном) могут составлять от 100 кГц до 10 МГц. Пробник, используемый для измерения, добавит некоторую емкость к выходу импульсного регулятора, и это изменит внешний вид формы волны, видимой на осциллографе. В идеале пробник должен иметь полосу пропускания около 100 МГц с минимальной емкостью пробника (<100 пФ), чтобы получить наиболее точные измерения сигнала переключения.

Зачем нужна нагрузка?

Иногда считается, что нагрузку не следует включать при измерении пульсаций источника питания с помощью осциллографа. Включение нагрузки весьма важно для характеристики шума на выходе источника питания. Это связано с тем, что рабочие характеристики и, следовательно, форма волны шума, которую вы будете измерять, зависят от нагрузки, подключенной к источнику питания.

Как правило, настольные источники питания и регуляторы мощности предназначены для работы в режиме непрерывной проводимости, так что ток катушки индуктивности (ток, выходящий из коммутационного узла) всегда больше нуля. Блок питания также может быть специально спроектирован для работы в прерывистом режиме. В любом случае нагрузка должна соответствовать предполагаемому рабочему диапазону для

Если нагрузка слишком мала, то на выходе регулятора могут наблюдаться пики (звон). Если на выходе есть звон, то паразиты могут создавать недодемпфированные колебания, когда ток катушки индуктивности падает до нуля, после чего происходит обратное переключение на прямую проводимость. Результаты SPICE ниже показывают пример звона, который мог наблюдаться из-за работы в прерывистом режиме, а также чрезмерной индуктивности на выходе регулятора.

Периодически возбуждаемый звон на выходе схемы импульсного регулятора. Узнайте больше об этих глюках в этой статье.

В этом случае важно исследовать область катушки индуктивности с помощью датчика ближнего поля, чтобы увидеть, видны ли артефакты в шуме переключения, или использовать большую нагрузку и посмотреть, стабилизируется ли выходной сигнал. При некотором минимальном сопротивлении нагрузки работа схемы импульсного стабилизатора перейдет в непрерывный режим, и вызывные события должны прекратиться.

А как насчет пульсации шины питания в цифровых системах?

Используемый здесь метод можно использовать для измерения пульсаций на шине питания либо с помощью прямого измерения шин питания, либо с помощью датчика ближнего поля. Пробник ближнего поля может улавливать поля из других областей платы, поэтому предпочтительнее измерение непосредственно контактным пробником вдоль рельса. Обычно это делается с помощью коаксиального пробника, подключенного к SMA, и в идеале это должен быть импеданс, согласованный с входным импедансом осциллографа, чтобы правильно определить величину высокочастотных компонентов шума.

Другим фактором в этих измерениях являются нагрузочные характеристики цифровых компонентов. Шина питания в цифровой системе подключена к переключающему элементу, который переключается с высокого на низкий импеданс в зависимости от входного сигнала данных в буферной схеме CMOS. Таким образом, вы эффективно измеряете напряжение в цепи с очень низким импедансом, которая переключается очень быстро, а не измеряете нагрузку с фиксированным сопротивлением постоянному току.

Соединения для измерения PDN также отличаются от соединений, используемых для измерения выходного шума регулятора мощности. При проверке выходного шума источника питания выходной сигнал измеряется на выходной клемме схемы регулятора или модуля регулятора напряжения (VRM). В шине питания, питающей большой цифровой процессор, на входе Vcc/Vdd видны пульсации из-за коллапса шины питания, которые могут иметь любое количество умеренных частотных колебаний, не связанных с шумом переключения регулятора мощности.

Вы можете увидеть сильные всплески, подобные этому, на шине питания в цифровой системе.

Для измерения пульсаций на шине питания из-за переключения входов/выходов идеальным местом измерения будет выход шины питания. В реальности это часто бывает затруднительно из-за структуры PDN в печатной плате, поэтому нужно найти какую-то другую точку для подключения щупа. PDN может охватывать несколько уровней и может подключаться к большому процессору в нескольких точках. В качестве другого примера, PDN может разветвляться на разные рельсы, каждый из которых имеет свои собственные проблемы с целостностью питания в зависимости от импеданса передачи между рельсами.

Поскольку эти измерения намного сложнее и требуют более специализированного оборудования, это обсуждение будет оставлено для обсуждения в следующей статье. Однако, как правило, измерения можно проводить во временной области или в частотной области, последняя выполняется с помощью векторного анализатора цепей.

После того, как вы обнаружите какие-либо проблемы в ваших схемах импульсного стабилизатора и источнике питания, вы можете решить эти проблемы в своих схемах и топологии печатной платы, используя полный набор функций проектирования в OrCAD от Cadence.