Testuj przetwornice DC-DC za pomocą analizatora mocy DC N6705C Keysight Technologies


Technologia systemów zasilania stosowana w nowoczesnym sprzęcie elektronicznym stoi przed ekstremalnymi wyzwaniami ze względu na potrzebę dużej sprawności energetycznej systemu, zwłaszcza w urządzeniach zasilanych bateryjnie. Głównym elementem systemów zaangażowanych w konwersję i dostarczanie mocy jest przetwornica DC-DC, która przekształca nieregulowane zasilanie DC na stabilne o konkretnej wartości. Wielu projektantów chce zweryfikować lub scharakteryzować działanie konwertera DC-DC pod względem sprawności, regulacji obciążenia i zasilania, analizy współczynnika tłumienia zasilania (PSRR), odpowiedzi przejściowej, tętnienia i czasu włączenia. Wykonywanie tych testów na przetwornicach DC-DC w środowisku laboratoryjnym wymaga jednak różnych przyrządów testowych, takich jak multimetr cyfrowy (DMM), oscyloskop, zasilacz i obciążenie elektroniczne. Głównym wyzwaniem jest tutaj możliwość właściwej synchronizacji instrumentów w celu wykonania różnych pomiarów.

Ta nota aplikacyjna wyjaśnia, jak łatwo przeprowadzić testowanie konwertera DC-DC za pomocą analizatora mocy DC N6705C firmy Keysight Technologies i oscyloskopu serii MSOX2 / 3/4000. Oprogramowanie BenchVue firmy Keysight zapewnia platformę do opracowywania prostych testów automatycznych w celu pełnego scharakteryzowania konwertera DC-DC bez konieczności pisania kodu, co znacznie oszczędza czas.

Korzystanie z analizatora mocy DC N6705C i oprogramowania BenchVue do testowania parametrów przetwornika DC-DC

Ogólnie konfiguracja testu zależy od typu wykonywanego testu. Na przykład, aby scharakteryzować przetwornicę DC-DC, należy najpierw podłączyć ją między źródłem zasilania, a obciążeniem, aby odprowadzić prąd przetwornika (rysunek 1). Następnie należy zmierzyć napięcie i prąd na wejściu (odpowiednio V i I in.) I wyjściu (odpowiednio V out i I out). Wartości te składają się na moc wejściową (P in) i moc wyjściową (P out).


Rysunek 1 Podłączenie przetwornicy DC-DC
 
Charakterystykę prądu stałego można uprościć, zastępując zasilacz, multimetr cyfrowy i obciążenie elektroniczne analizatorem mocy DC N6705C. Wbudowana funkcja oferująca bardzo dokładne i elastyczne możliwości pomiarowe pomaga projektantom w przeprowadzaniu niezbędnych testów. N6705C może zawierać w sobie od jednej do czterech modułów pomiarowo zasilających (tzw. Źródło mierzące, 2 lub 4 kwadrantowe), DMM dla każdego kanału; oscyloskop pokazujący napięcie, prąd i moc w funkcji czasu, co umożliwia podglądanie sygnału w czasie rzeczywistym; oraz rejestrator danych - wszystko w jednym zintegrowanym pakiecie (Rysunek 2A). Każda z czterech charakterystyk wyjściowych jest określona przez moduł zasilania używany dla tego wyjścia. Dostępne są 34 różne moduły zasilania dla N6705C; ich parametry czynią je świetnym wyborem do szerokiej walidacji DC-DC z różnymi wartościami mocy. Oprogramowanie BenchVue umożliwia budowanie prostych sekwencji testowych dla przetwornic DC-DC z analizatorem zasilania N6705C bez potrzeby programowania. Intuicyjny interfejs użytkownika ułatwia podłączenie i synchronizację kilku instrumentów Keysight oraz umożliwia szybkie przechwytywanie i przeglądanie danych z aparatury pomiarowej(Rysunek 2B).


Rysunek 2 A) Analizator N6705C B)Interfejs Benchvue

Test Sprawności
Zwykle najważniejszym testem dla przetwornika DC-DC jest sprawność. Zwłaszcza w przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie, ponieważ sprawność ma bezpośredni wpływ na żywotność urządzenia. Sprawność przekształtnika to stosunek mocy wyjściowej do mocy wejściowej. Aby uruchomić test, użyj jednego kanału N6705C jako napięcia wejściowego i monitoruj prąd wejściowy, a także użyj innego kanału, skonfigurowanego jako obciążenie, ustawiając go na pobór prądu jednocześnie zmierząc napięcie na wyjściu przetwornika. Użyj BenchVue, aby skonfigurować przebieg testu. W tym konkretnym przykładzie przetwornica DC-DC została skonfigurowana tak, aby podawała na wyjściu stałe napięcie 15 V. Sprawność mierzono przy trzech różnych wartościach napięcia wejściowego: 6 V, 9 V i 12 V. Kanał obciążenia został skonfigurowany do przemiatania prądu obciążenia od 0 do 10 mA i zmierzyć napięcie wyjściowe. Rysunek 3A przedstawia schemat blokowy przedstawiający test skonfigurowany w BenchVue, Rysunek 3B przedstawia wyniki.


Rysunek 3 A) Przebieg testu w BenchVue B) Wyniki 

Test regulacji obciążenia
Test regulacji obciążenia mierzy zdolność konwertera DC-DC do utrzymania określonego napięcia wyjściowego, gdy prąd obciążenia (Iload) zmienia się przy stałym napięciu wejściowym. Aby wykonać ten test, po włączeniu zasilania testowanego urządzenia, powoli zmieniaj obciążenie wyjściowe między określonymi minimalnymi i maksymalnymi wartościami prądu. Zmierzone zmiany napięcia wyjściowego powinny mieścić się w zakresie określonym w specyfikacji technicznej produktu. Do konfiguracji testowej użyj tego samego połączenia, które zostało użyte do testu sprawności. Rysunek 4A przedstawia konfigurację w BenchVue, którego można użyć do uruchomienia testu regulacji obciążenia. Rysunek 4B przedstawia typowy wynik tego testu, gdy stałe napięcie wejściowe jest przyłożone przy napięciu 9 V, a kanał N6705C jest skonfigurowany do przemiatania prądu od 0 do 50 mA.


Rysunek 4. A) Przebieg testu regulacji obciążenia BenchVue, B) Wyniki testu regulacji obciążenia

Test regulacji zasilania
Test regulacji zasilania przedstawia zdolność konwertera DC-DC do utrzymania określonego napięcia wyjściowego, podczas gdy napięcie wejściowe zmienia się w określonym zakresie napięć. Aby przeprowadzić ten test, ustaw źródło zasilania wejściowego na wartość mieszczącą się w zakresie specyfikowanym przez producenta. Monitorując napięcie wyjściowe, powoli zmieniaj napięcie wejściowe między określoną wartością minimalną i maksymalną. Zmierzone zmiany napięcia wyjściowego powinny mieścić się w zakresie określonym w specyfikacji technicznej produktu. W tym teście kanał N6705C na napięciu wejściowym przetwornicy DC-DC przemiata określony zakres napięcia, podczas gdy kanał na wyjściu przetwornika DC-DC mierzy napięcie wyjściowe. Rysunek 5A przedstawia konfigurację w BenchVue. Rysunek 5B pokazuje typowy wynik tego testu dla napięcia wejściowego od 2 do 12 V, drugi kanał mierzył napięcie wyjściowe przetwornika DC-DC.


Rysunek 5. A) Konfiguracja BenchVue, B) Wyniki testu

Oprócz testów parametrów DC wykonywanych przez SMU( Source Measure Unit), niektóre testy wymagają użycia oscyloskopu do scharakteryzowania parametrów AC przetwornika DC-DC. Testy te obejmują pomiar tętnienia, czas rozruchu i odpowiedź przejściową. Aby przeprowadzić te testy wykorzystaj oscyloskop serii 3000T lub 4000X z aplikacją do pomiarów mocy.


Rysunek 6. Oscyloskop Keysight z serii 4000X            

Test czasu rozruchu
Test czasu rozruchu mierzy opóźnienie między momentem podania napięcia wejściowego do przetwornika DC-DC a czasem potrzebnym do osiągnięcia ustalonego napięcia wyjściowego. W tym teście jeden kanał N6705C służy jako napięcie wejściowe, a jeden kanał oscyloskopu podłączony jest do wejścia przetwornika DC-DC. Kolejny kanał oscyloskopu jest podłączony do wyjścia przetwornika DC-DC. Korzystając z BenchVue, czas uruchomienia jest obliczany automatycznie. Można również pobrać dodatkowe pomiary sygnału (np. Czas narastania, czas opadania i napięcie międzyszczytowe).


Rysunek 7 Konfiguracja BenchVue

Test tętnienia
Przetwornica DC-DC ma różne wewnętrzne topologie używane przy różnych częstotliwościach przełączania, które są odzwierciedlone w wyjściowej częstotliwości tętnienia. Tętnienie napięcia wyjściowego jest mierzone jako odrzucony szum wejściowy na napięciu wyjściowym za pomocą oscyloskopu, z jednym kanałem na wejściu i jednym kanałem na wyjściu przetwornika. Analizator N6705C generuje przebieg arbitralny wymagany w tej aplikacji jako sygnał mieszany zawierający sygnał DC z tętnieniem, który jest używany do zasilania przetwornika DC-DC. Aby wykonać test tętnienia przetwornika DC-DC, jeden kanał N6705C został skonfigurowany jako generator przebiegów arbitralnych do odtwarzania sygnału DC z dodaną małą falą sinusoidalną kanał pierwszy oscyloskopu został podłączony do wejścia przetwornicy, drugi kanał oscyloskopu został podłączony do wyjścia. Amplituda napięcia dla fali sinusoidalnej wynosi 250 mV (v0), napięcie stałe 9 V (v1), a częstotliwość 250 Hz (f). Rysunek 8A przedstawia konfigurację przebiegu arbitralnego dla napięcia wyjściowego używanego jako napięcie wejściowe. Rysunek 8B przedstawia pomiar oscyloskopu


Rysunek 8. A) Zrzut ekranu analizatora mocy, B) Zrzut ekranu wyników

Inne testy konwertera DC-DC
Inną wbudowaną funkcją testową N6705C jest analiza widmowa, która umożliwia projektantom analizę składowych AC napięcia wyjściowego i pomiar w dziedzinie częstotliwości. Aby pokryć więcej zastosowań związanych z zasilaniem, takich jak hybrydowe pojazdy elektryczne (HEV), zasilacze bezprzerwowe (UPS) i wiele innych dwukierunkowych systemów energetycznych i urządzeń, które działają na poziomach mocy wielu kilowatów, można zastąpić N6705C zasilaczami N6900 / N7900 DC. Zasilacz DC APS obsługuje poziomy mocy do 2 kW przy użyciu tych samych metod, które przedstawiono w niniejszej nocie aplikacyjnej.

Podsumowanie
Testowanie konwertera DC-DC jest procesem, który zwykle wymaga kilku różnych przyrządów, oraz dodatkowego wysiłku potrzebnego do synchronizacji instrumentów razem. Przedstawione tutaj rozwiązanie Keysight jest elastyczne oraz posiada wbudowaną zdolność do stworzenia kompletnej konfiguracji do zasilania i testowania przetworników DC-DC w szerokim zakresie warunków testowych bez potrzeby programowania. Inne powiązane aplikacje, które mogą skorzystać na tym elastycznym rozwiązaniu, to testowanie regulatorów IC, testowanie zasilania i testy systemów ładowania.
 

Galeria