consejos de medida con fuentes de alimentación - las … · encendido del circuito ac de alto...

Consejos de medida con fuentes de alimentación - Las 10 etapas del diseño

Escrito por Carlos MartinezJueves, 24 de Agosto de 2017 10:36

Las fuentes de alimentación son los caballos de tiro que hay detrás de todos los equiposelectrónicos y eléctricos. Vienen en numerosas variedades para adaptarse a la gama desistemas que alimentan. La carrera hacia diseños de fuentes de alimentación más pequeñas,más ecológicas y más baratas es más intensa que nunca.

Mayor eficiencia, mayores densidades de potencia, menor tiempo de comercialización,requisitos de estándares y reducción de costes están afectando tanto a diseños como adiseñadores. El diseño de una fuente de alimentación es un proceso complejo con numerosospasos. Con este artículo, seguiremos un flujo de trabajo sencillo y proporcionaremos consejosde prueba en cada una de las 10 etapas de diseño. Esperemos que usted encuentre algunosque harán sus pruebas más eficaces y su vida un poco más fácil.

1. Selección y caracterización de componentesTradicionalmente, las hojas de datos detalladas de los fabricantes de componentes han dado alos diseñadores todas las características operativas necesarias para un buen diseño de fuentede alimentación. Pero los requisitos cada vez más estrictos en nuevos diseños pueden requerirque el diseñador caracterice componentes más allá de los parámetros estándar de la hoja dedatos.- Los componentes de potencia críticos, tales como MOSFET, IGBT y diodos, debenseleccionarse para un parámetro clave optimizado, como una característica on-state, off-state oAC.

1 / 11



-Los componentes deben ser probados a través de rangos de temperatura más allá de lascondiciones ideales definidas por la hoja de datos. -Los componentes pasivos también deben ser probados para las condiciones del mundo realjunto con los componentes activos.Consejos para la medición: - Para medir pequeñas diferencias en las características on-state, como VTH (gate thresholdvoltage), gM (ganancia) y RDSON (on-resistance), utilice un instrumento capaz de conducirdecenas de amperios para producir un voltaje medible. Como es sabido, para las medicionesde baja corriente off-state, tales como fugas (IDSS), utilice un instrumento capaz de obteneralta tensión para producir corriente medible.- Para BVDSS (breakdown voltage), tendrá que ser capaz de alimentar varias veces el voltajede trabajo de su dispositivo.- Medir la capacitancia del dispositivo frente al voltaje (CISS, COSS, CRSS) en dispositivossencillos de 2 terminales, o transistores complejos de 3 a 4 terminales, utilizando un sistema demedida de capacitancia capaz de probar en toda la gama de voltaje de operación DC deldispositivo. Los equipos LCR tradicionales puede medir la capacitancia, pero no a través detoda la tensión de funcionamiento.Características de los equipos:Los SourceMeters de Keithley actúan como 4 instrumentos en uno: fuente de voltaje / corriente,medidor de voltaje / corriente, barrido y carga programable del generador de funciones. Los SourceMeters de Keithley pueden medir las características IV en los componentes de μVa 3 kV y fA a 100 A. IVy software de pantalla táctil para la plataforma Android hace que seafácil de comprobar las características IV en los componentes.

2. Encendido de circuito DC de baja tensiónLa siguiente etapa en el ciclo de diseño es la creación de prototipos. Los primeros prototiposson propensos a numerosos modos de fallo. Muchas cosas pueden salir mal con eldireccionamiento de la placa, las juntas de soldadura, la colocación de los componentes y losparásitos, así que proceda con cautela. - Utilice siempre un multímetro digital para comprobar si hay cortocircuitos en todas lasetapas de entrada y salida antes de encender. - Aísle el circuito analógico y digital de baja tensión en tantos subcircuitos como sea posible yencienda la placa del prototipo, un sub-circuito cada vez. - Aislar la fuente de alimentación a bordo y probar la salida con y sin carga. Compruebe si latensión de salida y la ondulación son las esperadas. - Utilice una fuente de alimentación DC de precisión para alimentar los subcircuitosindividuales de baja tensión en lugar de depender de la fuente de alimentación a bordo. (Si lafuente de alimentación integrada tiene varias salidas, utilice una fuente de alimentación DC conmúltiples canales aislados).

2 / 11



Consejos para la medición: Utilice una fuente de alimentación DC que muestre simultáneamente los ajustes programados ylas salidas reales medidas para indicar rápidamente si las etapas de DC están dibujandodemasiada corriente. De lo contrario, conecte un DMM entre la fuente de alimentación y eldispositivo bajo prueba para vigilar de cerca el consumo de corriente. Cuando necesiteproporcionar un voltaje preciso a su sistema bajo prueba, utilice una fuente de alimentación debanco de detección remota de 4 hilos para eliminar el impacto de cualquier caída de tensión enel cableado entre la fuente de alimentación del banco y su sistema en prueba.

Características de los equipos: La fuente de alimentación de medición de precisión 2280S de Keithley puede medir bajascorrientes de estado de modo de reposo con una resolución de 10 nA y una precisión del0,05%.

3. Encendido del circuito AC de alto voltajeAhora que todos los circuitos de bajo voltaje han sido comprobados, es hora de encender loscircuitos de alta tensión. Esta es la etapa en la que su prototipo verá alta tensión por primeravez. - Siempre es una buena idea aislar las etapas de alto voltaje de todas las etapas de bajovoltaje durante el primer encendido. - Considere el uso de una fuente de alimentación AC con limitación de corriente. Comiencesiempre desde el voltaje AC más bajo para su diseño. Esto ayudará a reducir los chispazosdebido a la mala soldadura, mal montaje o errores de diseño de la PCB.- Mediante el uso de tensiones diferenciales y de corriente de medida apropiada, mida elvoltaje y la corriente de entrada AC.- Utilice un scope o un analizador de potencia en la entrada AC con el registro habilitadoantes de encender el dispositivo bajo prueba por primera vez. Capture las corrientes dearranque y los transitorios. - Una vez comprobado el estado de potencia de alta tensión, active el circuito de control de

3 / 11



baja tensión para obtener una imagen completa.Consejos para la medición: Para utilizar una sonda de corriente de sujeción para medir el consumo de baja corriente deentrada AC de su sistema descargado, puede aumentar la corriente vista por la sonda.Simplemente haga un bucle del conductor de línea a través de la sujeción más de una vez.¡Recuerde dividir su lectura actual por el número de vueltas! . Utilice un analizador de potenciacon una función de registro continuo para registrar la corriente de arranque. En el caso de unfallo catastrófico durante el encendido, al menos tendrá algunos datos para investigar lasposibles causas.Características de los equipos: El Analizador de Potencia PA1000 ofrece el modo de corriente de arranque para medir el picodurante el arranque de corriente. El software DPOPWR ofrece una amplia suite de análisis depotencia que puede ayudarle a medir y depurar los parámetros de alimentación AC de entradadurante el encendido.

4. Depuración del circuito de control digital y analógicoEsta es la etapa en la que se comprueba la lógica de control. Ésta es probablemente la partemás importante y más compleja del diseño donde usted tiene que comprobar la apropiadarespuesta de compensación, voltaje, sincronización y frecuencia.- Medir la señal de modulación en el controlador del dispositivo de conmutación durante elencendido para verificar la frecuencia de conmutación adecuada, el ancho de pulso y el ciclode trabajo en diferentes cargas.- Compruebe la respuesta de frecuencia del bucle incorporando una señal de barrido defrecuencia a través de un transformador de inyección de banda ancha en el bucle de control. - Utilice un analizador de respuesta de frecuencia para medir la ganancia y la fase delcircuito.Consejos para la medición: Controle las tensiones de entrada y salida, así como señales de feedback o de control paraverificar que la respuesta del bucle (por ejemplo, damping crítico) sea la esperada durante loscambios de voltaje de entrada y carga de salida. Supervise las tensiones y corrientes deentrada y salida junto con las señales de control para verificar el funcionamiento de circuitostales como arranque suave, protección contra cortocircuito, apagado y retroceso de corriente(current fold-back). Para fuentes de alimentación controladas digitalmente, capture y muestre

4 / 11



las visualizaciones, correlacionada en tiempo, de las señales de control del bus serie,analógico, digital para visualizar el funcionamiento del sistema y verificar que el sistema decontrol funciona según lo diseñado.

Características de los equipos: El software DPOPWR puede ayudarle con el análisis de modulación en señales en señalesPWM difíciles de medir.

5. Características de conmutación de etapa de potenciaDespués de verificar los circuitos de alta tensión, los circuitos de bajo voltaje y la lógica decontrol, es hora de comprobar las características de conmutación de la etapa de potencia.- Pruebe las características de conmutación en condiciones de carga, carga nominal y cargacompleta. - Asegúrese de que los tiempos de encendido, apagado, ciclo de trabajo y tiempos muertosde todos los interruptores (MOSFET, IGBT, etc.) sean los esperados basándose en cálculos dediseño. - Compruebe todas las señales VGS de ruido y baches, ya que cualquier fallo no deseado eneste terminal puede provocar un encendido y disparo no deseados. - Dependiendo de la topología, compruebe el tiempo muerto para rectificadores desincronización o H-bridges, para asegurarse de que no hay posibilidad de disparo.- Verifique las relaciones de sincronización entre los controladores de puerta y las señalesrelacionadas para asegurarse de que son como se esperaba.

Consejos para la medición: Utilice sondas diferenciales con una clasificación de tensión apropiada para medir conseguridad las señales no referenciadas a tierra. Si es difícil medir señales de puerta flotante,sondee la entrada del controlador de puerta para verificar tiempos muertos entre los FETssuperior e inferior. Mida las corrientes en los puntos de voltaje mínimo para reducir el crosstalk.

5 / 11



Características de los equipos: Los scopes de Tektronix proporcionan un modo de alta resolución para minimizar el ruido yasegurarse de que el encendido y apagado se pueden calcular con la mayor precisión posible.

6. Pruebas de pérdida de conducción y conmutaciónLas pérdidas de conmutación y conducción a través de interruptores de potencia ycomponentes magnéticos son los principales factores que contribuyen a la pérdida global de unsistema. Es importante minimizar estas pérdidas especialmente para diseños modernos de altaeficiencia.- El cálculo de las pérdidas de conmutación y conducción basadas en una hoja de datospuede ser engañosa, ya que no proporciona un perfil completo de pérdidas que tenga encuenta las condiciones de funcionamiento y los parásitos del circuito.- Es importante comprobar el rectificador, los interruptores (MOSFETs, IGBTs, etc.) y loscomponentes magnéticos para las pérdidas, cuando el circuito está activo y cargado. Más amenudo que no, los componentes magnéticos están diseñados a medida. Al igual que losdispositivos de conmutación, es importante probar los componentes magnéticos enfuncionamiento, para caracterizarlos adecuadamente.

Consejos para la medición: Para medir las pérdidas de los interruptores, utilice un scope de alta resolución y recuerdealinear las sondas de voltaje y corriente. Utilice las funciones de filtrado y promediado paraobtener resultados precisos durante un período determinado. Para medir la pérdida deconmutación en un osciloscopio, puede multiplicar el voltaje por corriente y tomar la media dela forma de onda de potencia resultante durante el encendido o apagado. Si usted tiene análisisde potencia, hará este proceso más fácil y más repetible.

Características de los equipos: El software DPOPWR ofrece una excelente solución para la comprobación dinámica de lapérdida de potencia magnética y propiedades magnéticas como la inductancia y la curva B-H.DPOPWR proporciona técnicas automáticas de cálculo para medir las pérdidas repetidas deconmutación y conducción en conmutadores de alta potencia mientras están activos en elcircuito.

6 / 11



7. Pruebas de Eficiencia y EspecificacionesEl siguiente paso es ver si el diseño cumple con los estándares de eficiencia y otrasespecificaciones requeridas, como la regulación de líneas y cargas, ondulación, ruido,protección contra cortocircuitos y respuesta transitoria.- Mida la eficiencia usando un analizador de potencia multicanal de alta precisión mientrasbarre la potencia desde sin carga a carga completa usando una carga electrónica. - Para la regulación de la carga, utilice un DMM de alta precisión directamente en losterminales de entrada y salida de la fuente de alimentación y barra la carga desde el mínimohasta el máximo. Es importante que la tensión de entrada se mantenga constante durante laprueba. Registre cualquier cambio en la tensión de salida en función de la carga paradeterminar la regulación de la carga. - La regulación de la línea se puede probar con una configuración similar donde la tensión desalida se mide a través de una carga constante, mientras que la entrada de voltaje AC varíadesde el mínimo hasta el máximo. Esta prueba es especialmente importante para las fuentesde alimentación de entrada universal. - Compruebe si hay ruido y ondulación a plena carga usando un scope optimizado paramediciones de alta resolución o un multímetro de muestreo gráfico de alta precisión. El scopeproporcionará, normalmente, mayor ancho de banda, pero el multímetro dará mayor precisión.

Consejos para la medición: Para medir voltajes de bajo nivel como ondulación, minimice la atenuación de la sonda (1X o2X, si es posible) para obtener la mejor relación señal / ruido en sus mediciones deosciloscopio. No confíe en la fuente AC ni en las lecturas de carga electrónicas para laspruebas de regulación de línea o carga. Utilice instrumentos de precisión directamente en los

7 / 11



terminales de la fuente de alimentación para una mejor precisión de medición y para minimizarla caída a través de los cables de entrada y salida. Utilice un adaptador de sonda de muelle detierra de baja inductancia o un accesorio similar al medir el ruido de alta frecuencia y laondulación con un osciloscopio. Los cables de tierra de la sonda estándar actúan comoantenas y capturan el ruido ambiental, generando errores significativos en las lecturas.Características de los equipos:El Tektronix PA3000 con una precisión del 0,04% y una capacidad de alimentación en reposode 10mW, permite una medición precisa de la eficiencia y la potencia desde ninguna carga aplena carga.Las cargas electrónicas Keithley 2380 DC pueden bajar una amplia gama de corrientes y devoltajes, en versiones 200 W, 250 W, y 750 W. El multímetro gráfico de muestreo DMM7510 de Keithley tiene un digitalizador de 18 bits, 1 MS/ s para capturar con precisión transitorios rápidos y ondulación pequeña.

8. Pruebas de cumplimiento de la línea eléctrica¡Felicidades! Su primer prototipo está en funcionamiento. Es hora de comprobar si el diseñocumplirá con las normas locales de línea eléctrica. - La mayoría de las fuentes de alimentación AC-DC están diseñadas para funcionar desdeuna toma eléctrica de pared AC y están sujetas a estrictos estándares de consumo de energíay de calidad de energía, tales como el IEC 62301 de consumo en reposo y los estándares IEC61000-3-2 de armónicos de corriente. El cumplimiento de estas normas debe ser comprobadoa principios del ciclo de diseño para evitar futuros dolores de cabeza. - Asegúrese de que el analizador de potencia que utiliza para probar los armónicos decorriente cumple con la norma IEC 61000-4-7 para las técnicas de medición.

Consejos para la medición: Evite la espera y utilice soluciones de preacondicionamiento asequibles para comprobar sicumple con la marca CE, ENERGY STAR®, estándares IEC de reposo y armónicos. Esto

8 / 11



ahorrará mucho tiempo y problemas más adelante en el ciclo de diseño. Pruebe elpre-cumplimiento temprano y a menudo.Compruebe las conexiones cuando mida una alimentación en reposo baja y distorsionada. Uncableado incorrecto puede provocar errores significativos. Asegúrese de conectar siempre elcanal del voltímetro en el lado de la fuente de la derivación de corriente para que no mida lacorriente a través de la impedancia del voltímetro

Características de los Equipos: Tektronix ofrece soluciones de pre-acondicionamiento para los armónicos de corrienteIEC61000-3-2, soluciones de conformidad para la alimentación en reposo IEC62301 yENERGY STAR, así como límites definidos por el usuario. El analizador de potencia PA1000tiene una capacidad de medición de corriente de 20 μA que permite medir la energía en reposohasta 5 mW. La Tektronix Breakout Box proporciona dos terminales separados para lasmediciones del lado de la carga y de la fuente, lo que hace que sea fácil y seguro para lecturasprecisas de baja potencia para las pruebas de energía en reposo.

9. Resolución de problemas EMI y Pre-compatibilidadLas pruebas EMI y RFI a menudo se ignoran en las primeras etapas del diseño debido a ladificultad y el gasto que implican. Esto puede dar lugar a sorpresas desagradables y retrasosen los proyectos a medida que vayan llegando los plazos. - Compruebe los problemas EMC al principio del ciclo de diseño para evitar cambiosinnecesarios en la placa y retraso en los plazos. Con un analizador de espectro y máscaras decompatibilidad EMI predefinidas, puede realizar pruebas de pre-compatibilidad y detectarproblemas EMI antes de ir al laboratorio de pruebas.- Utilice un osciloscopio de dominio mixto (MDO) con un analizador de espectro incorporadoy sondas de camp para localizar rápidamente las fuentes de EMI. Puede medir los picosespectrales y deducir las causas de origen, equipado con el osciloscopio y un esquema.Consejos para la medición: Utilice soluciones asequibles de pre-cumplimiento EMI para probar la compatibilidad EMC yRFI antes en la fase de prototipo para ahorrar tiempo y dinero a largo plazo. Utilice sondas decampo con scopes de dominio mixto o analizadores de espectro para localizar y ubicar fuentesde RF.Características de los equipos: Los osciloscopios de la serie MDO4000 pueden ayudarle a ver todo el sistema y medir lasrelaciones entre los eventos analógicos, digitales, de bus serie y las emisiones espectrales. ElTektronix RSA306 proporciona análisis de espectro en tiempo real y le permite detectarexplosiones de EMI de corta duración. El tiempo de grabación prolongado ayuda a capturar

9 / 11



ráfagas poco frecuentes.

10. Validación del diseñoAhora que has probado a fondo tu primer prototipo, es hora de ponerse en marcha e ir a lapróxima revisión. - Repita todos los pasos de prueba discutidos anteriormente como un chequeo decomprobación. - Cuando todo esté preparado, es hora de seguir avanzando en su diseño, y de comprobar sufiabilidad. - Pruebe la fuente de alimentación para todas las configuraciones de entrada. Esto esespecialmente importante para las fuentes de alimentación de entrada universal. - Barra la carga desde ninguna carga a plena carga para probar su fuente de alimentaciónpara todas las posibles condiciones de funcionamiento. - Ejecute una prueba de por vida utilizando cámaras medio-ambientales para comprobar elrendimiento real de su diseño.Consejos para la medición: Utilice una fuente AC con clasificaciones de entrada universal y una certificada para laspruebas IEC. Esto ayudará a asegurarse de que su producto pasará las pruebas decumplimiento. Utilice un analizador de potencia en la entrada y salida de la fuente dealimentación para medir todos los parámetros de entrada AC como factor de potencia, factor decresta, armónicos y corriente de pico, junto con la eficiencia del sistema.

Características de los equipos:El software PWRVIEW con Analizadores de Potencia de Tektronix proporciona eficiencia,alimentación en reposo, armónicos y pruebas de consumo de energía (WHr) con una grancantidad de funciones gráficas y de registro para validación de diseño a largo plazo.

10 / 11



Publicado en Convertronic Número 149

11 / 11

consejos de medida con fuentes de alimentación - las … · encendido del circuito ac de alto...

Documents