So testen Sie eine SMPS-Stromversorgungsplatine

Zur Überprüfung der Produktfunktionalitäten und Konstruktionsparameter erfordert ein Stromversorgungskreis ausgefeilte Prüfmethoden und elektronische Prüfgeräte. Um die Produktstandards zu erfüllen, müssen bessere Kenntnisse über die SMPS-Testanforderungen gesammelt werden. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie eine SMPS-Schaltung testen und einige der grundlegendsten Tests für SMPS sowie die Sicherheitsnormen erläutern, die zum einfachen und effizienten Testen einer SMPS-Schaltung eingehalten werden müssen. Die folgende Untersuchung gibt Ihnen einen Überblick über die grundlegendsten Stromversorgungsarchitekturen und deren Testprozess.

Wenn Sie ein SMPS Design Engineer sind, können Sie auch den Artikel über SMPS PCB Design Tips und SMPS EMI Reduction Techniques lesen, die wir beide zuvor besprochen haben.

Grundlagen des SMPS-Testens - Wichtige Punkte

Schaltnetzteile (SMPS) schalten normalerweise Gleichstrom mit sehr hoher Spannung und einem automatisch einstellbaren Arbeitszyklus, um die Ausgangsleistung mit hohem Wirkungsgrad zu regeln. Dies führt jedoch zu Sicherheitsbedenken, die für das Gerät schädlich sein können, wenn sie nicht behoben werden.

Das obige Schema zeigt ein netzbetriebenes Netzteil, das die Flyback-Topologie verwendet, um Hochspannungs-Gleichstrom in Niederspannungs-Gleichstrom umzuwandeln. Das Schema wurde erstellt, um die Hochspannungsseite und die Niederspannungsseite klar zu verstehen. Auf der Hochspannungsseite haben wir eine Sicherung als Schutzvorrichtung, dann wird die Netzspannung durch die Eingangsgleichrichterdioden D1, D2, D3, D4 und den Kondensator C2 gleichgerichtet und gefiltert, dh der Spannungspegel zwischen diesen Leitungen kann Erreichen Sie zu einem bestimmten Zeitpunkt mehr als 350 V oder mehr. Ingenieure und Techniker sollten bei der Arbeit mit diesen möglicherweise tödlichen Spannungspegeln sehr vorsichtig sein.

Eine andere Sache, bei der man sehr vorsichtig sein sollte, ist der Filterkondensator C2, da er die Ladung lange hält, selbst wenn die Stromversorgung vom Stromnetz getrennt ist. Bevor wir mit dem Testen der SMPS-Schaltung fortfahren, muss dieser Kondensator ordnungsgemäß entladen werden.

Der Schalttransistor T2 ist der Hauptschalttransistor und T1 ist der Hilfsschalttransistor. Da der Hauptschalttransistor für die Ansteuerung des Haupttransformators verantwortlich ist, wird er höchstwahrscheinlich sehr heiß, und da er mit einem TO-220-Gehäuse geliefert wird, besteht die Möglichkeit, dass die Hit-Senke Hochspannung aufweist. Der Testbetreiber muss in diesem Abschnitt besonders vorsichtig sein. Einer der wichtigsten zu beachtenden Parameter ist der Transformatorabschnitt. Im Schaltplan wird es als T1 bezeichnet, der Transformator T1 sorgt in Verbindung mit dem Optokoppler OK1 für eine Isolation von der Primärseite. In einer Testsituation, in der der Sekundärteil mit Masse verbunden ist und der Primärteil schwimmt. Die Situation, in der ein Prüfgerät im Primärteil angeschlossen wird, führt zu einem Kurzschluss nach Masse, der das Prüfgerät dauerhaft beschädigen kann. Abgesehen davon benötigt ein typischer Rücklaufwandler eine Mindestlast, um ordnungsgemäß zu funktionieren, da sonst die Ausgangsspannung nicht ordnungsgemäß geregelt werden kann.

Stromversorgungstests

Netzteile werden in einer Vielzahl von Produkten verwendet. Daher muss die Testleistung je nach Anwendung unterschiedlich sein. Beispielsweise wird der Testaufbau in einem Konstruktionslabor durchgeführt, um die Konstruktionsparameter zu überprüfen. Diese Tests erfordern Hochleistungstestgeräte mit einer geeigneten Kontrollumgebung. Im Gegensatz dazu konzentriert sich die Prüfung der Stromversorgung in Produktionsumgebungen in erster Linie auf die Gesamtfunktion auf der Grundlage der Spezifikationen, die während der Produktdesignphase festgelegt wurden.

Transiente Wiederherstellungszeit laden:

Das Konstantspannungsnetzteil verfügt über eine eingebaute Rückkopplungsschleife, die die Ausgangsspannung kontinuierlich überwacht und stabilisiert, indem das Tastverhältnis entsprechend geändert wird. Wenn sich die Verzögerung zwischen der Rückkopplungs- und Steuerschaltung an ihrem Übergang mit Einheitsverstärkung einem kritischen Wert nähert, wird die Stromversorgung instabil und beginnt zu schwingen. Diese Zeitverzögerung wird als Winkeldifferenz gemessen und als Grad der Phasenverschiebung definiert. Bei einer typischen Stromversorgung beträgt dieser Wert eine Phasenverschiebung von 180 Grad zwischen Eingang und Ausgang.

Lastregelungstest:

Die Lastregelung ist ein statischer Parameter, bei dem wir die Ausgangsgrenze der Stromversorgung auf eine plötzliche Änderung des Laststroms prüfen. Bei einer Konstantspannungsversorgung ist der Testparameter der Konstantstrom. Bei konstanter Stromversorgung ist dies die konstante Spannung. Durch Testen dieser Parameter können wir die Fähigkeit des Netzteils bestimmen , den schnellen Änderungen der Last standzuhalten.

Strombegrenzungstest:

Bei einer typischen strombegrenzten Stromversorgung wird der Test durchgeführt, um die Strombegrenzungsfähigkeiten einer Konstantspannungsstromversorgung zu beobachten. Die tatsächliche Strombegrenzung kann je nach Art und Anforderung der Stromversorgung festgelegt oder variabel sein.

Test auf Welligkeit und Rauschen:

Ein Netzteil von normalerweise guter Qualität oder viele hochwertige Netzteile mit Audioqualität werden getestet, um ihre Ausgangswelligkeit und ihr Rauschen zu messen. Der gebräuchlichste Name dieses Tests ist PARD (Periodic and Random Deviation). In diesem Test messen wir die periodische und zufällige Abweichung der Ausgangsspannung über eine begrenzte Bandbreite zusammen mit anderen Parametern wie Eingangsspannung, Eingangsstrom, Schaltfrequenz und Laststrom konstant. Einfacher ausgedrückt können wir mit Hilfe dieses Prozesses das AC-gekoppelte Rauschen und die Welligkeit der Unterseite nach der Gleichrichtung und Filterung des Ausgangs messen.

Effizienzprüfung:

Der Wirkungsgrad eines Netzteils ist einfach das Verhältnis zwischen seiner gesamten Ausgangsleistung geteilt durch seine gesamte Eingangsleistung. Die Ausgangsleistung ist Gleichstrom, wobei die Eingangsleistung Wechselstrom ist. Daher müssen wir einen echten Effektivwert der Eingangsleistung erhalten, um dies zu erreichen. Ein Wattmeter von guter Qualität mit echten RMS-Fähigkeiten kann verwendet werden. Durch diesen Test kann der Tester die allgemeinen Entwurfsparameter eines Netzteils verstehen, wenn der gemessene Wirkungsgrad für eine ausgewählte Topologie nicht genügend Platz bietet. Dies ist ein klarer Hinweis auf eine schlechte ausgelegtes Netzteil oder defekte Teile Problem.

Startverzögerungstest:

Die Anlaufverzögerung eines Netzteils ist die Messung der Zeit, die benötigt wird, um den Ausgang des Netzteils stabil zu halten. Für ein Schaltnetzteil ist diese Zeit sehr wichtig für die ordnungsgemäße Abfolge der Ausgangsspannung. Dieser Parameter spielt auch eine wichtige Rolle bei der Stromversorgung empfindlicher elektronischer Geräte und Sensoren. Wenn dieser Parameter nicht richtig behandelt wird, entstehen Spitzen, die die Schalttransistoren oder sogar die angeschlossene Ausgangslast zerstören können. Dieses Problem kann leicht gelöst werden, indem eine "Softstart" -Schaltung hinzugefügt wird, um den Anfangsstrom für den Schalttransistor zu begrenzen.

Überspannungsabschaltung:

Ein normalerweise gutes Netzteil ist so ausgelegt, dass es abschaltet, wenn die Ausgangsspannung des Netzteils einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Andernfalls kann dies für das Gerät unter Last schädlich sein.

Typisches SMPS-Test-Setup

Nachdem alle erforderlichen Parameter geklärt sind, können wir endlich mit dem Testen der SMPS-Schaltung fortfahren. Ein guter SMPS-Prüfstand sollte über allgemein verfügbare Test- und Sicherheitsausrüstung verfügen, die Sicherheitsbedenken minimiert.

Der Isolationstransformator:

Der Trenntransformator dient dazu, den Primärteil der SMPS-Schaltung elektrisch zu isolieren. Im isolierten Zustand können wir jede Erdungssonde direkt anbringen und so die Hochspannungsseite des Netzteils negieren. Dadurch wird die Möglichkeit eines Kurzschlusses direkt zur Erde ausgeschlossen.

Der Autotransformator:

Der Spartransformator kann verwendet werden, um die Eingangsspannung einer SMPS-Schaltung langsam zu erhöhen, während die Überwachung des Stroms einen katastrophalen Ausfall verhindern kann. In einer anderen Situation kann es verwendet werden, um Niederspannungs- und Hochspannungssituationen zu simulieren. Auf diese Weise können wir Situationen simulieren, in denen sich die Netzspannung abrupt ändert. Dies hilft uns, das Verhalten des SMPS unter diesen Bedingungen zu verstehen. Im Allgemeinen kann eine universelle Nennstromversorgung im Bereich von 85 V bis 240 V mit Hilfe eines Spartransformators getestet werden. Wir können die Ausgangscharakteristik einer SMPS-Schaltung sehr einfach testen.

Die Serienbirne:

Eine in Reihe geschaltete Glühbirne ist eine gute Vorgehensweise beim Testen einer SMPS-Schaltung. Ein bestimmter Ausfall einer Komponente kann zu explodierenden MOSFETs führen. Wenn Sie an einen explodierenden MOSFET denken, lesen Sie das richtig! MOSFET explodiert in Hochstromversorgungen. Eine in Reihe geschaltete Glühbirne kann also verhindern, dass ein MOSFET gestrahlt wird.

Die elektronische Last:

Um die Leistung einer SMPS-Schaltung zu testen, ist eine Last erforderlich, während ein Hochleistungswiderstand mit Sicherheit die einfache Möglichkeit ist, bestimmte Lastkapazitäten zu testen. Es ist jedoch fast unmöglich, den Ausgangsfilterabschnitt ohne variierende Last zu testen. Deshalb wird eine elektronische Last erforderlich, da wir das Ausgangsrauschen bei verschiedenen Lastbedingungen leicht messen können, indem wir die Last linear variieren.

Mit Arduino können Sie auch Ihre eigene einstellbare elektronische Last bauen, die für SMPS-Tests mit geringem Stromverbrauch verwendet werden kann. Mit Hilfe einer elektronischen Last können wir die Leistung des Ausgangsfilters leicht messen. Dies ist erforderlich, da ein schlecht ausgelegtes Ausgangsfilter unter bestimmten Lastbedingungen Oberschwingungen und Rauschen am Ausgang koppeln kann, was für empfindliche Geräte sehr schlecht ist Elektronik.

Testen des SMPS mit einer Hochspannungsdifferentialsonde

Die Spannungsmessung kann zwar einfach mit Hilfe eines Trenntransformators durchgeführt werden, ein besserer Weg ist jedoch die Verwendung einer Differentialsonde für Hochspannungsmessungen. Differenzialsonden haben zwei Eingänge und messen die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen. Dies geschieht durch Subtrahieren der Spannung an einem Eingang vom anderen ohne Eingreifen von Erdungsschienen.

Diese Sondentypen haben ein hohes Common Mode Rejection Ratio (CMRR), das den Dynamikbereich der Sonde verbessert. In einer generischen SMPS-Schaltung schaltet die Primärseite mit einer sehr hohen Schaltspannung von 340 V und einer relativ schnellen Übergangszeit. Was in diesen Situationen Rauschen erzeugt, wenn wir versuchen, das Eingangssignal im Gate des MOSFET zu messen, werden wir eher ein hohes Rauschen als ein Eingangsschaltsignal Gate. Dieses Problem kann leicht beseitigt werden, indem eine Hochspannungsdifferentialsonde mit hohem CMRR verwendet wird, die die Störsignale zurückweist.

Fazit

Das Entwerfen und Testen eines unterentwickelten Netzteils kann Sicherheitsbedenken aufwerfen. Wie im Artikel gezeigt, können jedoch gängige Verfahren und Prüfgeräte das Risiko sicherlich erheblich reduzieren.

Ich hoffe, Ihnen hat der Artikel gefallen und Sie haben etwas Nützliches gelernt. Wenn Sie Fragen haben, können Sie diese im Kommentarbereich unten hinterlassen oder in unseren Foren andere technische Fragen stellen.