[RAQ] Optymalna konfiguracja do pomiarów zasilacza

Pytanie:

Jak mogę się upewnić, że testuję mój zasilacz impulsowy w najlepszy możliwy sposób?

Odpowiedź:

Zanim projektant urządzeń zdecyduje się na wybór konkretnego zasilacza, na pewno będzie chciał go przetestować. Karta katalogowa układu przetwornicy impulsowej dostarcza cennych informacji o tym, jak kompletny zasilacz mógłby zachowywać się w rzeczywistości, ale zawiera parametry układu uzyskane w testach laboratoryjnych.

Symulatory obwodów, takie jak LTSpice, bywają przydatne i mogą pomóc w optymalizacji obwodu. Jednak symulacja nie jest w stanie zastąpić testowania rzeczywistego sprzętu. Wynika to z faktu, że występujące efekty pasożytnicze są albo trudne do oszacowania, albo też trudne w symulacji.

Z tego powodu zasilacze są dokładnie testowane w środowisku laboratoryjnym. Do tego celu wykorzystywana jest płytka prototypowa projektowana na miejscu lub też, w większości przypadków, gotowa płytka ewaluacyjna dostarczana przez producenta konkretnego układu zasilacza.

Rys. 1. Sposób podłączenia zasilacza w warunkach pracy

Podczas podłączania obwodu należy uwzględnić kilka czynników. Na rys. 1. pokazany został typowy schemat konfiguracji testowej. Testowany prototyp musi mieć podłączone zasilanie na wejściu i obciążenie na wyjściu. To może brzmieć trywialnie, ale występują tu istotne szczegóły, na które trzeba zwrócić uwagę.

Minimalizacja indukcyjności linii

Rys. 1. przedstawia schemat konfiguracji służącej do charakteryzacji przetwornicy. Chcemy bowiem testować zachowanie samego układu mocy, a nie wpływ przewodów łączących płytkę testową i zasilacz laboratoryjny lub wpływ obciążenia na wyjściu. Aby zniwelować wpływ przewodów, należy pamiętać o dwóch kwestiach. Po pierwsze, długość połączeń powinna być ograniczona do minimum – ponieważ krótsze linie mają mniejszą indukcyjność, niż długie linie. Po drugie, minimalizacja powierzchni wyznaczanej przez ścieżkę prądu pozwala dodatkowo zmniejszyć pasożytniczą indukcyjność. Oczywistym sposobem realizacji tego warunku jest skręcenie obu linii. Dzięki temu powierzchnia otaczane przez ścieżkę prądu zależy tylko od długości linii i grubości osłony kabla. Rys. 2. przedstawia podłączenie testowanej przetwornicy napięcia za pomocą skręconych par przewodów w celu zmniejszenia pasożytniczych indukcyjności linii.

Rys. 2. Praktyczna konfiguracja testowa z krótkimi, skręconymi przewodami

W zasilaczach impulsowych prąd zmienny występuje zarówno po stronie wejścia, jak i wyjścia. W zależności od topologii obwodu po stronie wejścia może pojawić się również prąd impulsowy, na przykład w przypadku przetwornic obniżających napięcie. Należy także przetestować zachowanie podczas uruchomienia układu i jego odpowiedź na skokowe zmiany obciążenia. W takich warunkach pracy przewody konfiguracji testowej również przenoszą składową AC.

Dodanie lokalnego układu przechowującego energię na wejściu

Jeśli zasilacz jest testowany pod kątem szybkiej odpowiedzi na skokowe zmiany obciążenia, badany układ musi dysponować odpowiednim zapasem energii. Źródło energii po stronie wejścia nie powinno stanowić w takiej sytuacji czynnika ograniczającego. Aby zapewnić spełnienie tego warunku, warto umieścić duży kondensator na wejściu zasilania. Na rysunku 1. kondensator ten został oznaczony kolorem zielonym. Dzięki niemu możliwe jest poprawne przeprowadzenie testów przy skokowej zmianie obciążenia.

Należy jednak upewnić się, że późniejsze użycie zasilacza będzie odpowiadało tym specyficznym warunkom. Wpływ układu magazynującego energię na wejście trzeba dobrze zrozumieć, aby odpowiednio dobrać kondensator na wejściu zasilania.

Innym efektem podłączenia dużego kondensatora jest opóźnienie transientów napięcia wejściowego obserwowanych przez badany układ. Zatem podczas testów gwałtownych zmian napięcia kondensator ten należy usunąć.

Podsumowując, nawet w przypadku pozornie prostych zadań związanych z projektowaniem zasilacza, takich jak podłączanie układu do urządzeń laboratoryjnych, należy pamiętać o występowaniu wielu różnych efektów. Linie zasilające badany obwód, jak też linie na jego wyjściach, powinny być traktowane jako elementy AC. Muszą zatem pozostać maksymalnie krótkie i skręcone, aby ograniczyć pasożytniczą indukcyjność. Nie jest to trudne do osiągnięcia przez projektanta, a pozwala przybliżyć wyniki testów do sytuacji, którą faktycznie chcemy testować. Im bardziej uda nam się ograniczyć wpływ systemu testowego, tym więcej będą warte otrzymane wyniki. Doświadczeni projektanci zasilaczy opracowali metody pozwalające skuteczniej testować badane układy. Jeśli czytelnik zastosuje się do wszystkich wskazówek zawartych w tym artykule, testy nie powinny sprawiać problemów.

O autorze

Frederik Dostal - Analog Devices

Studiował mikroelektronikę na Uniwersytecie w Erlangen (Niemcy). Pracę zawodową rozpoczął w branży zarządzania energią w 2001. Pracował jako inżynier aplikacyjny systemów zasilających, następnie 4 lata w Phoenix, w stanie Arizona, specjalizując się w systemach zasilania typu switch mode. Od roku 2009 pracuje w monachijskim oddziale Analog Devices jako Power Management Segment Regional Marketing Engineer na teren Europy. Jednym z jego głównych zadań jest prowadzenie seminariów technicznych z zakresu projektowania systemów zasilania.