Analyse von DC/DC-Wandlern mit Cleverscope CS448 und Keysight B2912A

Analyse und Charakterisierung von DC/DC-Wandlern mit dem Cleverscope CS448 und der Keysight B2912A SMU.

DC/DC-Wandler werden in den verschiedensten Geräten eingesetzt. Man findet sie in Handys, Spielekonsolen, Kaffeemaschinen und Autos. Ihre Hauptaufgabe ist es, eine Eingangsgleichspannung in eine geregelte Ausgangsgleichspannung umzuwandeln. Die Ausgangsspannung kann isoliert und bipolar sein oder auch nur auf einen anderen Pegel gehoben werden.

Der Markt fordert immer sparsamere Geräte, die mit kleineren Akkus länger auskommen. Daher müssen viele verschiedene Messungen an DC/DC-Wandlern durchgeführt werden, um deren Eigenschaften festzustellen. Dazu gehören unter anderem das Regelverhalten, Genauigkeit der Ausgangsspannung, Ruhestrom, Effizienz, Einschaltzeit und Rauschen. Einige dieser Messungen erfordern DC-Messgeräte, andere Oszilloskope und manche beides.

Diese Application-Note beschreibt die Messungen, die mit einem isolierten Oszilloskop und einer isolierten 2-Kanal ▸SMU durchführbar sind. Die Messungen werden mit dem ▸Cleverscope CS448 und einer ▸B2900B von Keysight (Bild oben) gemacht. Das Cleverscope CS448 bietet aufgrund der hohen Isolation von 1000 V (Kanal zu Kanal) und der niedrigen Isolationskapazität von weniger als 14 pF, die besten Voraussetzungen um DC/DC-Wandler zu prüfen ohne die Messergebnisse zu verfälschen. Durch die hohe CMRR von 120 dB geht man sicher, dass die Messung von Ein- und Ausgang unverfälscht ist.

Mit der B2912A die DC/DC-Wandler-Parameter bestimmen

Um eine Effizienz der DC/DC-Wandler prüfen zu können, braucht man üblicherweise vier Multimeter, eine Quelle und eine Last, da folgende Größen erfasst werden müssen: U_in, I_in, U_out, I_out. Mit diesen Werten kann man dann die folgenden Berechnungen durchführen:
U_in * I_in = P_in, U_out * I_out = P_out.
Teilt man nun P_out durch P_in, so erhält man den Wirkungsgrad. Manch einer sieht bei dem benötigten Aufbau den Kabelsalat schon vor dem inneren Auge.

Mit der B2912A kann diese Messaufgabe auf ein Gerät reduziert werden. Es wird Kanal 1 der SMU als Quelle und Kanal 2 als Last genutzt. Das Messwerk erfasst simultan Strom und Spannung. Da so auch direkt die Leistung als Ergebnis angezeigt werden kann, muss nur noch P_out/P_in berechnet werden und man erhält sofort den Wirkungsgrad. Dank der Möglichkeit die SMU von der Erde frei zu schalten, können diese Messung durchgeführt werden ohne die Isolation des DC/DC-Wandlers zu unterbrechen.

Der Wirkungsgrad ist besonders für batteriebetriebe Systeme wichtig. Eine hier erzielte Verbesserung wirkt sich direkt auch die Laufzeit des Gerätes aus. Auch für geschlossene Systeme spielt der Wirkungsgrad eine große Rolle. Denn je höher die Effizienz, desto geringer die abgegebene Wärme. Da man im Datenblatt aber häufig den optimalen Wirkungsgrad findet, der üblicherweise bei einer Auslastung des DC/DC-Wandlers von 80 - 90% liegt, ist es wichtig zu wissen, welchen Verlust der Wandler in dem Bereich hat, in dem man arbeiten. Nur so können kann sichergestellt werden, dass die im Datenblatt spezifizierte Effizienz auch für die individuelle Applikation gilt.

Bild 1: Die B2912A dient als Quelle, Senke und Messgerät.

Lastregelung

Die Lastregelung bezeichnet das Verhalten des DC/DC-Wandlers, wenn sich die aufgenommene Energie der zur versorgenden Komponente verändert. Im Datenblatt eines DC/DC-Wandlers findet sich üblicherweise die Angabe über den vollständigen Ausgangsbereich. Dieser ist aber häufig sehr weit von dem entfernt, was man als Anwender wirklich benötigt. Für eine Applikation relevant ist ausschließlich der Bereich, in dem sich diese Applikation bewegt. Mit einem Sweep der Last lässt sich dieser Bereich, in dem der DC/DC-Wandler arbeiten soll, schnell darstellen und man sieht, wie sehr die Ausgangsspannung schwankt. Viele Komponenten schalten sich aber sehr abrupt ein. Beispielsweiße ein Relais, das geschaltet wird oder ein FPGA, der kurzfristig viel Energie benötigt. Mit einer entsprechend gestalteten Arbiträrlastkurve kann die Sprungantwort ermittelt werden. Mit dem Cleverscope ist hier eine tiefergehende Analyse möglich. Mit dem isolierten Signalgenerator kann man direkt in den Regelkreis eine Störspannung injizieren und somit das Regelverhalten des Wandlers direkt als Bode-Plot darstellen. Versorgungsspannungsdurchgriff

Eine der positiven Eigenschaften moderner DC/DC-Wandler ist, dass sie meist einen sehr weiten Eingangsspannungsbereich haben. Häufig darf sich die Spannung um mehr als 100% verändern. Trotz alledem ist es wichtig, dass die Ausgangsspannung stabil bleibt. Dies unterscheidet sich aber stark von Wandler zu Wandler und hängt wieder stark von dem Bereich ab der tatsächlich verwendet wird. So ist der Wert eines Weitbereichswandlers im Datenblatt meist viel höher, kann sich aber im Bereich von ein paar Volt Veränderung, die zum Beispiel bei der Entladung eines LiPo-Akkus anfallen, als deutlich stabiler erweisen.

Um diese Eigenschaften zu überprüfen, ist es möglich den selben Aufbau zu verwenden. Der Sweep wird diesmal nicht über die Last, sondern über die Versorgungsspannung realisiert. Nun lässt sich beobachten, wie sich die ausgegebene Spannung verhält. Zeigt der DC/DC-Wandler starke Schwankungen in dem geprüften Bereich, sollte sichergestellt sein, dass dadurch keine weiteren Probleme entstehen. Im besten Fall sortiert man den Wandler aus. Wir werden diese Eigenschaft detaillierter mit dem Cleverscope betrachten, wenn wir hier zu dem Thema Versorgungsspannungsdurchgriff kommen. Messungen mit dem CS448

Für viele Messungen ist es erforderlich, deutlich schneller zu messen als es eine SMU ermöglicht. Das betrifft das Einschaltverhalten, Restwelligkeit, FFT-Analyse und viele weitere Messaufgaben. Hier würde das Arbeiten mit einem klassischen Oszilloskop aber zwangsweiße einen Kurzschluss über die Isolation des DC/DC-Wandlers erzeugen. Daher arbeitet man hier mit einem isolierten Oszilloskop. Es empfiehlt sich die Geräte wie folgt anzuschließen.

Bild 3: Es wird weiterhin die SMU verwendet um eine geregelte Versorgung und Last zur Verfügung zu stellen. Durch das Oszilloskop lassen sich Ein- und Ausgangsspannung in Relation setzen.

Einschaltverhalten

Wenn man das Einschaltverhalten analysiert, gibt es verschiedene Parameter zu beachten. Zum einem ist es natürlich relevant, wie lange der DC/DC-Wandler braucht, um sich zu aktivieren. Hier kann man ganz einfach die Verzögerung zwischen dem Einschalten der Versorgungsspannung und der Ausgangsspannung nutzen. Das Cleverscope bringt hierfür eine mathematische Auswertung mit. Weiterhin ist es sehr wichtig darauf zu achten, ob im Einschaltmoment ein Überschwingen auftritt. Wenn dieses im weiteren Verlauf der Entwicklung nicht entsprechend gedämpft wird, kann es zu einer Zerstörung der zu versorgenden Bauteile kommen.

Restwelligkeit

Da ein DC/DC Wandler die Eingangsgleichspannung in eine Wechselspannung zerlegen muss, wird es immer Störungen auf der Ausgangsgleichspannung geben. Zwar findet man hier im Datenblatt häufig Werte wie "52 mV_p-p typ./100 mV_p-p max. (20 MHz Bandwidth)", aber dies sagt meist wenig über die Situation im Einsatz aus. Um hier eine vollständige Analyse machen zu können, ist es wichtig, die Betriebssituation zu simulieren. Bei der Bewertung unterstützen die Mathematik-Funktionen des Cleverscope. So ist es beispielsweiße möglich, über einen Sweep der Last den maximalen Spitze-Spitze- Wert Spannung zu erfassen, ohne auch nur ein einziges Mal in der Prozess eingreifen zu müssen.

FFT-Analyse

Um sich ein Bild vom Verhalten des Wandlers machen zu können, ist die FFT-Analyse sehr wichtig. Hierfür ist der 14-bit-AD-Wandler des Cleverscopes ideal geeignet. Durch diesen ist ein Signal-Rausch- Abstand von bis zu 100 dB möglich und somit wird sichergestellt, dass keine Informationen verloren gehen. Mit der Betrachtung des Spektrums wird gewährleistet, dass der DC/DC-Wandler keine unvorhergesehenen Störungen im System verursacht. Kennt man die ausgegebenen hochfrequenten Anteile an der DC-Spannung, kann man diese entsprechend herausfiltern oder ein anderes Produkt wählen. Hier gilt es zu beachten, dass diese Messung jeweils für den Ein- und Ausgang des DC/DC-Wandlers durchzuführen ist. Denn so wie ein DC/DC-Wandler die Gleichspannung am Eingang zerstückelt, kann es hier zu unschönen Rückkopplungen kommen.

FRA-Analyse

Das Cleverscope kann mit seinem integrierten Signalgenerator viele Messungen automatisiert durchführen, die im Zuge einer DC/DC-Wandler-Prüfung erforderlich sind. Hierzu gehören unter anderem das oben genannte Ermitteln der Lastregelung, also wie sich die Verstärkung und der Phasenversatz in Abhängigkeit von der Frequenz verändern, sowie das Ermitteln der Aus- und Eingangsimpedanz. Auch die PSRR-Analyse ist ein mächtiges Werkzeug. Der Versorgungsspannungsdurchgriff, englisch Power supply rejection ratio, kurz PSRR, gibt an, wie stark der Einfluss einer Störung der Versorgungsspannung auf die Ausgangsspannung des Wandlers ist. Das Verhalten bei einer langsamen Änderung haben wir bereits mit der SMU geprüft. Da bei verschiedenen Schaltungen aber hochfrequente Störungen weitaus größere Probleme bereiten, liefert das Cleverscope hier eine umfassende Analysefunktion. Durch das Injizieren einer Störung auf die Versorgungsspannung des DC/DC-Wandlers lässt sich ermitteln, wie groß der Einfluss auf die Ausgangspannung ist. Das Verhalten verändert sich hier stark Lastabhängig. Dementsprechend sollte diese Prüfung mit den unterschiedlichen Lastzuständen durchgeführt werden.

Bild 4: Hier wurden 2 PSRR Analysen des selben DC/DC-Wandlers gemacht - einmal mit 40% und einmal mit 80% Last. Bei den verwendeten 5 dB/Div kann man gut erkennen, dass der Wandler im Teillastbereich Störungen bei 80 - 100 kHz mit ca. 20 dB mehr verstärkt. Außerdem lässt sich gut erkennen, dass der vom DC/ DC-Wandler erzeugte Noise im Bereich von 1 kHz liegt.

Zusammenfassung:

Wie sich gezeigt hat, gibt es viele Messaufgaben, die bei der Auswahl eines DC/DC-Wandlers anstehen. Diese multiplizieren sich auch noch, wenn man mehrere Wandler miteinander verschalten möchte. Hier ist es wichtig schnell zuverlässige Messergebnisse zu bekommen. Wenn man viel verdrahten muss, kann es sein, dass der Aufbau auf den ersten Blick zwar scheinbar einwandfrei funktioniert, aber sich trotzdem unbemerkt ein Masseschluss oder eine ungewollte Last eingeschlichen hat. Daher empfiehlt es sich, ein System einzusetzen, mit dem man möglichst wenig Aufwand bei der Verdrahtung hat. Auch hat sich gezeigt, dass ein hochauflösendes isoliertes Oszilloskop unerlässlich ist, um eine unverfälschte Prüfung von DC/ DC-Wandlern durchzuführen. Ohne diese Möglichkeiten ist der Einsatz von DC/DC-Wandlern häufig ein Glücksspiel. (Autor: Patrik Sandow, Meilhaus Electronic).