Vereinfachte Charakterisierung von DC/DC-Wandlern

Einleitung

DC-DC-Wandler sind weit verbreitete elektronische Bauteile, die Gleichstrom von einem Spannungsniveau in ein anderes umwandeln und dabei die Ausgangsspannung regeln Stromspannung. Der Ausgang liefert eine konstante Spannung an einen Stromkreis, unabhängig von Schwankungen der Eingangsspannung oder des Laststroms. Diese Energiemanagement-Systeme Die Geräte werden in einer Vielzahl elektronischer Produkte eingesetzt, darunter Laptops. Mobiltelefone und Messtechnik.

Angesichts des zunehmenden Drucks, Produkte zu entwickeln, die weniger Strom verbrauchen und eine längere Batterielebensdauer haben, müssen Ingenieure eine noch effizientere Energieumwandlung erzielen. Daher sind zahlreiche Messungen erforderlich, um die elektrischen Parameter von DC-DC-Wandlern zu beschreiben. Die durchgeführten Tests umfassen Leitungsregulierung, Lastregulierung, Genauigkeit der Eingangs- und Ausgangsspannung, Ruhestrom, Effizienz, Einschaltzeit, Welligkeit und Reaktion bei Störspitzen. Einige dieser Tests erfordern DC-Testgeräte zur Beschaffung und Messung; andere erfordern ein Oszilloskop, und einige erfordern möglicherweise beides.

In diesem Anwendungshinweis wird erklärt, wie Vereinfachen Sie das Testen von DC-DC-Wandlern mit einem Zweikanalsystem der Serie 2600B von Keithley System SourceMeter Source Measure Unit-Instrument und ein Tektronix MSO/

Serie DPO-5000 oder DPO-7000 Oszilloskop. Die für diese Bereiche entwickelte DPOPWR-Anwendungssoftware Unterstützt die Messung und Analyse von Parametern gängiger Energiemanagementgeräte. Abbildung 1 veranschaulicht eine typische Konfiguration zum Testen von DC-DC-Wandlern. Konverter.

Abbildung 1. Komplettlösung: MSO-5204-Zielfernrohr und 2612B-Zweikanal-Source Measure Unit für Testen von DC-DC-Wandlerschaltungen.

Der DC-DC-Wandler

DC/DC-Wandler eignen sich zur Erzeugung von Ausgangsspannungen. die entweder höher oder niedriger als die Eingangsspannung sind. Ein Stufenabstieg (oder Bock) Der Wandler erzeugt eine Ausgangsspannung, die niedriger ist als die Eingangsspannung; ein Aufwärtswandler Ein Aufwärtswandler (Boost-Wandler) erzeugt eine Ausgangsspannung, die höher ist als die Eingangsspannung. Idealerweise sollte diese Umwandlung mit hoher Effizienz durchgeführt werden, um Folgendes zu vermeiden: Energieverschwendung. Abbildung 2 ist ein vereinfachtes Diagramm eines DC/DC-Wandlers. Der V_IN- Anschluss ist der Eingangsspannungsanschluss des Geräts, der bezogen auf den gemeinsamen GND-Anschluss. Der V_OUT- Anschluss ist der geregelte Ausgangsspannung bezogen auf den gemeinsamen Anschluss.

Abbildung 2. Vereinfachtes Diagramm eines DC-DC-Wandlers.

Verwendung von SMUs der Serie 2600B für den DC-DC-Wandler Parameterprüfung

Typischerweise erfolgt die elektrische Charakterisierung von DC/DC-Wandlern beinhaltet das Erzeugen und Messen der Eingangsspannung (V_IN), das Messen des Eingangs Strom (I_IN), Messung der Ausgangsspannung

(V_OUT) und einen Laststrom aufnehmen (I_OUT). Aus diesen Messungen lassen sich der Wirkungsgrad und weitere Parameter bestimmen. Die Effizienz ist für die meisten Konstruktionen wichtig, insbesondere für batteriebetriebene. Produkte, da es sich direkt auf die Laufzeit des Geräts auswirkt. Der Der Wirkungsgrad eines Wandlers ist das Verhältnis von Ausgangsleistung zu Eingangsleistung.

Traditionell war die DC-Charakterisierung dieser Geräte erforderlich die Verwendung einiger digitaler Labor-Multimeter, einer Gleichspannungsnetzteil und einer Elektronik laden. Die DC-Charakterisierung kann jedoch vereinfacht werden, indem alle ersetzt werden Diese elektronischen Instrumente verfügen über ein einziges Zweikanalsystem der Serie 2600B SourceMeter Source Measure Unit. SMUs eignen sich ideal zum Testen einer Vielzahl von IV-Parametern. DC-DC-Wandler, weil sie sowohl Strom als auch Spannung liefern und messen können. sowie als elektronische Last fungieren. Ein Instrument verwenden anstatt Mehrere Einheiten vereinfachen die Testimplementierung, die Software und Synchronisation sowie geringerer Platzbedarf im Rack oder auf der Werkbank.

Wie in Abbildung 3 gezeigt, verwenden Sie ein Source Measure Unit (SMU)-Kanal (CH1) am Eingangsanschluss und ein weiterer Source Measure Unit (SMU)-Kanal (CH2) an Der Ausgangsanschluss des DC-DC-Wandlers ersetzt mehrere Instrumente.

Abbildung 3. Parameterprüfung eines DC-DC-Wandlers mit zwei SMUs.

Obwohl die Charakterisierung von DC-DC-Wandlern Tests umfasst Es werden viele elektrische Parameter, Lastregelung und Netzregelung diskutiert. genauer, da es sich um sehr gängige Tests handelt.

Lastregelung

Lastregelungstests charakterisieren die Eigenschaften eines DC/DC-Wandlers. Fähigkeit, die spezifizierte Ausgangsspannung bei Laststrom aufrechtzuerhalten

(I_LOAD) variiert unter einer konstanten Eingangsspannung (V_IN). Der Lastregelungstest wird typischerweise über den gesamten Lastbereich durchgeführt. Ströme.

Abbildung 4 zeigt einen typischen Lastregelungstest mit zwei Source Measure Unit-Kanäle. Source Measure Unit CH1 liefert die Eingangsspannung und überwacht den Eingang Strom. Source Measure Unit CH2 wird als elektronische Last konfiguriert, indem es so eingestellt wird, dass es sinkt Strom (Quelle: negativer Strom). In diesem Modus wird die Source Measure Unit der Serie 2600B arbeitet im vierten Quadranten und senkt den Strom.

Die SMUs werden mithilfe der Fernerkennung konfiguriert, oder Vierdrahtanschluss. Durch die Verwendung einer Vierdrahtverbindung entfällt die Leitungslänge. Widerstand, der andernfalls die Messgenauigkeit beeinträchtigen würde. Mit dem Vierdraht Bei dieser Methode werden die Quellenausgänge über ein Paar Testleitungen (zwischen Ausgang HI und Ausgang LO), und der Spannungsabfall wird an einem zweiten Satz von Messleitungen gemessen. (über Sense HI und Sense LO hinweg). Die Sensorleitungen sollten so nah wie möglich aneinander angeschlossen werden. das Gerät so weit wie möglich, um sicherzustellen, dass der Leitungswiderstand nicht hinzugefügt wird Messung.

Abbildung 5 zeigt die Ergebnisse von ein typischer Lastregelungstest. In diesem speziellen Beispiel ist der DC-DC-Wandler wurde so konfiguriert, dass es eine konstante Ausgangsspannung von 3,6 V liefert. Source Measure Unit CH1 wurde auf Bias 5 V (nominal) eingestellt Wert) an die Spannungseingangsklemme. Source Measure Unit CH2 wurde für das Sweepen einer Last konfiguriert Strom von 0 bis –1A und Messung der resultierenden Ausgangsspannung. Diese Die Messungen wurden unter der Kontrolle des eingebetteten TSP^® durchgeführt. Express-Software, die schnelle und einfache IV-Tests ermöglicht. Benutzer können leicht Berechnen Sie den Lastregelungsprozentsatz anhand der IV-Daten.

Abbildung 5. Diagramm der Lastregulierung des DC-DC-Wandlers unter Verwendung eines Zweikanals 2612B SourceMeter Source Measure Unit Instrument.

Leitungsregulierung

Netzregelung ist die Fähigkeit eines DC/DC-Wandlers, Die vorgegebene Ausgangsspannung soll auch bei Variation der Eingangsspannung beibehalten werden. Der Die Ausgangsspannung sollte innerhalb weniger Millivolt konstant bleiben, während die Eingangsspannung Die Spannung wird innerhalb des vorgegebenen Eingangsspannungsbereichs variiert.

Für den Netzregelungstest sind beide SMUs angeschlossen an den DC-DC-Wandler auf die gleiche Weise wie beim Lastregelungstest. Bei diesem Test wird die Eingangsspannung jedoch über den angegebenen Eingangsbereich variiert. Der Spannungsbereich und die Ausgangsspannung werden gemessen. Der Laststrom beträgt typischerweise Auf 0A einstellen.

Abbildung 6 zeigt das Ergebnis aus einem typischen Leitungsregulierungstest. Dieser Test wurde mit einem Modell durchgeführt 2612B SMU. Ein Kanal des Modells 2612B (Source Measure Unit CH1) wurde für Sweep konfiguriert Spannung am Eingangsanschluss des Geräts.  Der zweite Kanal der Source Measure Unit (Source Measure Unit CH2) wurde konfiguriert, um die Ausgangsspannung zu messen. Aus den IV-Daten ergibt sich Folgendes: Der Leitungsregulierungsprozentsatz lässt sich leicht berechnen.

DPO-7000-Serie Oszilloskop für DC/DC-Wandlerprüfung

Zusätzlich zu den DC-Parametertests, die vom SMUs, einige DC-DC-Wandlertests erfordern die Verwendung eines Oszilloskops. Diese Klimaanlagen Zu den Tests gehören die Messung der Einschaltzeit, der Restwelligkeit, die Spektralanalyse und Einschwingverhalten. Bei vielen der Umfangstests können die SMUs die Eingabedaten liefern. Spannung und Laststrom. Abbildung 7 veranschaulicht einen typischen Test Konfiguration, die sowohl die SMUs als auch das an das Gerät angeschlossene Oszilloskop zeigt. Die Die verwendeten Tastköpfe hängen vom Gerät und vom gesamten Test ab Schaltung.

Um das Testen von Geräten zu vereinfachen, wurde Die optionale DPOPWR-Anwendungssoftware von scope bietet automatische Stromversorgung Messungen und Analysen für DC-DC-Wandler, AC-DC-Wandler, Leistung Stromversorgungen und andere Geräte zur Energieverwaltung. Diese Software, wenn sie mit einem Oszilloskope der Serien Tektronix MSO/DPO-5000 oder DPO-7000 können eine gemeinsame Stromversorgung bereitstellen. Messgerätemessungen und Berechnungen für magnetische, elektrische und Input-/Output-Analyse. Das folgende Beispiel testet die Einschaltzeit und Die Spektralanalyse des DC/DC-Wandlers kann dazu beitragen, die Fähigkeiten zu veranschaulichen. dieser Software.

Abbildung 7. Testen eines nicht isolierten DC/DC-Wandlers mit Oszilloskop und zwei SMUs.

Abbildung 8. Screenshot desEinschaltzeittests der DPOPWR-Software auf dem Oszilloskop MSO-5000 mit Anzeige der gemessenen Werte. Einschaltzeit (rot hervorgehoben).

Abbildung 9. Spektralanalysediagramm des DC-DC-Wandlers.

Einschaltzeit

Einer der integrierten Tests der DPOPWR-Anwendung Die Software ermittelt die Einschaltzeit des DC-DC-Wandlers. Der Anreiz Der Zeittest misst die Zeitverzögerung zwischen dem Anlegen der Eingangsspannung und dem Anlegen der Spannung an den Ausgang. das System und die Zeit, die benötigt wird, um eine stabile Ausgangsspannung zu erreichen.

 Für diesen speziellen Test ist Source Measure Unit CH1 von das Modell 2612B legte die Eingangsspannung an und Kanal 1 (CH1) des Oszilloskops über den Eingang des DC-DC-Wandlers angeschlossen.

Abbildung 8 zeigt das Ergebnis der zeitbasierten Messung. Beachten Sie, dass zusätzlich zum zeitbasierten grafischen Ergebnis oben auf der Auf dem Bildschirm, im Reiter „Ergebnisse“ der DPOPWR-Software, wurde die Einschaltzeit angezeigt. automatisch berechnet und angezeigt, wodurch reproduzierbare Messwerte gewährleistet werden, und Dadurch entfällt die Notwendigkeit für den Benutzer, die Zeit auf dem Bildschirm manuell abzumessen.

Spektralanalyse

Eine weitere integrierte Testfunktion, die Spektralanalyse. Diese Funktion ermöglicht die Analyse der unerwünschten Wechselstromkomponenten der Ausgangsspannung und Messung des Ausgangsrauschens/der Restwelligkeit im Frequenzbereich. Die Spektralanalyse Der Test analysiert, misst und zeigt die Wechselstromkomponente eines Signals basierend auf der ausgewählte Start-, Stopp- und Bandbreitenwerte.

Um ein Spektralanalysediagramm des DC-DC-Wandlers zu erstellen Der Konverter, Modell 2612B, lieferte die Eingangsspannung. Kanal 1 (CH1) des Das Oszilloskop war an den Geräteeingang angeschlossen, und Kanal 2 (CH2) war angeschlossen an die Geräteausgabe. Das resultierende Spektralanalysediagramm eines DC/DC-Wandlers ist wie in Abbildung 9 dargestellt. Diese Software stellt die Spannungsamplitude als ... dar. Funktion der Frequenz und zeigt die höchsten Spitzenwerte in einem Diagramm an. Bildschirm. Diese Messung deutet auf eine Schaltfrequenz von mehreren Millivolt hin. Restwelligkeit der Gleichspannung am Ausgang.

Detaillierte Informationen zur DPOPWR-Anwendung Die Software ist im Tektronix-Anwendungshinweis „Messung von Stromversorgungen“ verfügbar Analyse mit der DPOPWR-Anwendungssoftware.

Fazit

Das Testen von DC/DC-Wandlern erforderte traditionell mehrere Testinstrumente. Es handelt sich jedoch um ein einziges Zweikanalsystem der Serie 2600B Das Source Measure Unit Instrument vereinfacht die elektrische Charakterisierung von DC-DC Konverter, weil es mehrere Messgeräte in einer Einheit kombiniert. Kombination des Zweikanal-Source Measure Unit-Geräts der Serie 2600B mit einem MSO/DPO-5000 oder Das Scope der Serie DPO-7000 bietet eine umfassendere Lösung für Tests und Analyse von DC-DC-Wandlern.