Lastsprungantwort bei der Entwicklung von Stromversorgungen

Entwicklung von Stromversorgungen

Lastsprungantwort mit einer elektronischen DC-Last analysieren

Die Entwicklung einer Stromversorgung, die mit verschiedenen Lasten zurechtkommt, ohne zu schwingen, kann eine Herausforderung sein. Natürlich helfen heute Computermodelle und -simulationen beim Design und geben grob die Richtung vor. Aber physische Tests sind trotzdem wichtig und unerlässlich, um die Leistungsdaten und zuverlässige Funktionalität des Designs zu verifizieren. Eine Methode zur schnellen Bestimmung der Stabilität ist die Untersuchung der Lastsprungantwort. Bei diesem Test wird eine elektronische DC-Last verwendet, um einen Stromverbraucher zu simulieren, der in einem kurzen Zeitraum von einer niedrigen Stromaufnahme zu einem höheren Wert springt. Durch die direkte Messung der Spannungs- und Stromausgabe der Stromquelle unter dieser Stufenlast wird die Erholung der Rückkopplungsschleife der Stromversorgung visuell beobachten und es können bei Bedarf Änderungen am Design vorgenommen werden, um die Reaktion zu optimieren.

Im Beispiel werden identische Tests an zwei Stromversorgungen durchgeführt und die Ausgangsspannungs- und -stromverläufe verglichen: Die eine Stromversorgung wurde exemplarisch so abgestimmt, dass sich der Ausgang schnell und mit minimalem Überschwingen erholt. Die andere ist nicht abgestimmt und schwingt nach. Es werden im Beispiel auch Messverfahren erläutert, die helfen, so schnell wie möglich die richtigen Daten zu erhalten.

Ausstattung

• Eine elektronische DC-Last ▸Siglent SDL1020X-E: 200-W-Last mit dynamischen Testmöglichkeiten zur Durchführung des Lastsprungs. Die Last verfügt auch über Remote-Sense-Funktionen, um den Spannungsabfall über den Lastleitungen zu kompensieren. Hohe Ströme können einen beträchtlichen Spannungsabfall über den Leitungen verursachen und zu unerwünschten Fehlern führen.
• Ein Oszilloskop ▸Siglent SDS2354X-Plus: Das Oszilloskop verfügt über ein großes Display, eine einfach zu bedienende Benutzeroberfläche und Funktionen, die das Erfassen der Signals sehr einfach machen.
• Ein Netzteil ▸Siglent SPD1168X: 1-Kanal DC-Netzteil versorgt das Power-Supply-Board mit Strom.
• Ein Strom-Tastkopf ▸Siglent CP4070: Der Tastkopf hat eine Bandbreite von 150 kHz, die das meiste Schaltrauschen der Messung minimiert. Außerdem ein passiver Tastkopf.
• Für den Test: DC/DC Stromversorgungen Analog Devices LTM4646 (µModul-Regler). Dieser Baustein verfügt über zwei 10 A DC-DC-Wandler. Einer wurde "verstimmt", um einige häufige Probleme beim Design von Stromversorgungen zu simulieren. Der andere wurde in seinem abgestimmten Zustand belassen, um ihn mit dem "verstimmten" zu vergleichen.

Versuchsaufbau

Einstellungen des Siglent DC-Netzgerätes und der Last; im Bild rechts: Stromzangentastkopf CP4070

1. Das Siglent DC-Labornetzteil wird mit der Stromversorgung verbunden, um die Ausgangswerte zu testen und zu konfigurieren, so dass sie den Erfordernissen entsprechen - im Beispiel wird die SPD1168X auf 12 V bei 3 A eingestellt.
   
   
2. Die elektronische DC-Last Siglent SDL1020X-E wird an den Ausgang der zu prüfenden Stromversorgung angeschlossen. Die Last wird für Constant Current (CC) konfiguriert und die Spannungs- und Strombereiche auf die niedrigsten Bereiche eingestellt, die den Anforderungen der Prüfung noch gerecht werden. Die Stromlast wird auf einen Wert nahe dem Maximum für das zu testende Design eingestellt. Zusätzlich kann noch die Remote-Sense Fernabfrage der Siglent SDL1020X-E verdrahtet und aktivieret werden. Sie ermöglicht eine Fernmessung der Spannung, um den Spannungsabfall zu minimieren, der durch den hohen Stromfluss durch die elektronischen Lastleitungen verursacht wird. Im Beispiel wird der Strom auf 5 A eingestellt.
   
   
3. Ein passiver Tastkopf wird an den Kanal 1/CH1 des Oszilloskops angeschlossen. Diese Sonde sollte an die Rückkopplungsschleife der Stromversorgung angeschlossen werden, um die Spannung zu überwachen, während sich die Stromversorgung an die Last anpasst.
   
   
4. Am Oszilloskop wird der Kanal 1/CH1 für AC-Kopplung konfiguriert, um die höchste Auflösung für die Anzeige der Rückkopplungsspannung zu erhalten, die hohe DC-Offsets haben kann. Das Aktivieren der Bandbreitenbegrenzung (BW-Limit) kann das Rauschen verringern. Das Oszilloskop SDS2354X-Plus verfügt über eine Beschriftungsfunktion (Labels) der Messkurven auf dem Bildschirm - eine praktische Möglichkeit, die Übersicht über die Daten zu behalten. Im Beispiel wird das Label CH1 Vout verwendet.
   
   
5. Nun wird der Stromtastkopf an Oszilloskop Kanal2/CH2 angeschlossen.
   
   
6. Der Trigger wird am Oszilloskop für steigende Flanke, CH2 und AUTO eingestellt. So kann die Nullposition des Stromtastkopfes eingestellt werden, ohne sich um die Triggereinstellung zu kümmern.
   
   
7. Kanal 2/CH2 wird für die Stromsonde (Einheiten Ampere) konfiguriert, und die Tastkopf-Abschwächung auf den richtigen Wert eingestellt (im Beispiel 50mV/A). DC-Kopplung wird verwendet, weil die Gesamtsignalamplitude dargestellt werden soll. Auch für den Ausgangsstrom empfiehlt sich eine Beschriftung/Label (Iout).
   
   
8. Nun wird der Stromtastkopf genullt. Die Tastköpfe der CP-Serie haben dazu einen Drehknopf, mit dem sich der DC-Offset verschieben lässt. Das Oszilloskop wird auf einen niedrigen Strombereich eingestellt und der Tastkopf so justiert, dass 0 A auf dem Display angezeigt wird.
   
   
9. Der Stromtastkopf wird um die positive Stromleitung geklemmt, die von der zu prüfenden Stromversorgung zur DC-Last führt. Dabei ist zu beachten, dass die Klemme so angeschlossen ist, dass ein positiver Stromfluss (in die Last) ein positives Signal auf dem Oszilloskop erzeugt.

Einstellungen der Siglent Oszilloskop-Kanäle 1 und 2

Nullung des Stromtastkopfes und Gesamtaufbau

Verifizierung der DC-Last

Nun werden das Siglent SPD-Labornetzgerät und die SDL-Last eingeschaltet.

Das Oszilloskop soll zunächst auf AUTO-Trigger eingestellt sein. Auf Kanal 2/CH2 kann auch eine RMS-/Effektivwert-Messung hinzugefügt werden um zu überprüfen, ob die Stromaufnahme mit der Einstellung an der DC-Last übereinstimmt.

Im Beispiel ist eine Einstellung von 5 A an der DC-Last gewählt und 5 A_RMS (effektiv) wird auf dem Oszilloskop dargestellt. Der Strom-Output passt zur Last-Einstellung.

DC-Last-Schrittantwort

Die DC-Last wird durch Drücken von "Utility > CC"auf dynamischen Strommodus eingestellt (Dynamic Current Mode) und die entsprechenden Bereiche konfiguriert, also unteren und oberen Stromwerte (Low/High), Dauer (Duration) sowie Anstiegsrate (Slew Rate) für die Anwendung.

Hier die Einstellungen, die für den Test im Beispiel verwendet werden:

Dies bedeutet einen kontinuierlichen Wechsel von 1 A für 5 ms auf 5 A für 5 ms mit einer Anstiegsrate von 500 mA/µs.

Jetzt wird der Triggermodus des Oszilloskops auf "Normal" geschaltet und die vertikalen und horizontalen Skalierungen und Positionen sowie der Triggerpegel eingestellt, um einen stabilen Trigger und die Darstellung einiger Übergangsperioden auf dem Display zu erhalten:

Es ist zu überprüfen, ob die Werte für den hohen und niedrigen Versorgungsstrom mit den Sollwerten übereinstimmen. In diesem Beispiel sind es 1 A für 5 ms und 5 A für 5 ms, was auch so in der Darstellung zu beobachten ist.

Beobachten und Optimieren

Nun soll das abgestimmte Setup mit dem nicht-abgestimmten verglichen werden. Zunächst ist wahrscheinlich ziemlich viel Rauschen zu sehen. Der Großteil davon ist auf das Schaltrauschen in der getesteten Versorgung zurückzuführen. Hier ein vergrößertes Bild der Rückkopplungsspannung, in dem das Schaltrauschen deutlich zu sehen ist.

Eine Aktivierung der Signal-Mittelwertbildung kann Abhilfe schaffen:

Jetzt werden die Ausgangsspannung von Kanal 1/CH1 (gelb), der Ausgangsstrom von Kanal 2/CH2 (rosa/violett) und die mathematische Funktion für die Durchschnittsspannung (orange) angezeigt:

Dies ist der "abgestimmte" Teil. Nun soll die "verstimmte" Versorgung betrachtet werden:

Die Skalierung auf beiden Bildern ist genau gleich. Es ist eine große Menge von Überschwingen auf der "verstimmten" Stromversorgung zu erkennen. Dieses Design ist sehr nahe daran, mit der Last zum Oszillator zu werden. Wäre die Schrittdauer noch kürzer, würde sich die Versorgungsspannung nicht einpendeln und unser Ausgang wäre sehr schlecht reguliert.

Weitere Bilder der steigenden und fallenden Flanken auf kürzeren Zeitskalen:

Abgestimmt, steigend und fallend

Nicht-abgestimmt, steigend und fallend

Zusammenfassung

Ein Test mit einem DC-Lastsprung kann schnell die Leistung und Stabilität eines Stromversorgungs-Designs zeigen. Mithilfe einiger gängiger Testgeräte kann sichergestellt werden, dass ein Design auch für die anspruchsvollsten Anwendungsanforderungen geeignet ist.

Nach Unterlagen von Siglent