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Optimierter Messaufbau einer Spannungsversorgung
Bevor sich ein Entwickler für eine Spannungsversorgung entscheidet wird er diese genau testen wollen.
Das Datenblatt eines Schaltregler ICs gibt viele wertvolle Hinweise dazu, wie sich die fertige Spannungsversorgung verhalten könnte, abschließende Gewissheit zum jeweiligen Verhalten wird noch immer durch das Testen einer Schaltung im Labor erreicht.
Schaltungssimulationen wie beispielsweise mit LTspice sind durchaus sinnvoll und können bei der Schaltungsoptimierung behilflich sein. Eine Simulation ersetzt das Testen von Hardware jedoch nicht. Hierzu sind Einflüsse von parasitären Effekten entweder schwierig abzuschätzen, oder nur aufwändig zu simulieren.
Spannungsversorgungen werden also im Labor gründlich überprüft. Entweder ein selbst entwickelter Prototyp oder in den meisten Fällen ein existierendes Evaluierungsboard vom Hersteller des jeweiligen Spannungsversorgungs-ICs wird hierzu verwendet.
Bild 1. Anschlüsse zum Betrieb einer Spannungsversorgung
Beim Anschluss der zu testenden Schaltung gibt es einiges zu beachten. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Testaufbau. Die Spannungsversorgung muss mit einer Versorgungsspannung auf der Eingangsseite sowie einer Last an der Ausgangsseite verbunden werden. Das klingt trivial, im Detail gibt es jedoch wichtiges zu berücksichtigen.
Minimieren der Leitungsinduktivitäten
Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau zum Evaluieren eines Spannungswandlers. Wir wollen das Verhalten der Spannungsversorgungsschaltung testen und nicht den Einfluss der Verbindungsleitungen zwischen dem zu testenden Board und der Laborstromversorgung beziehungsweise der Last am Ausgang. Um die Effekte dieser Verbindungsleitungen zu reduzieren gibt es zwei wichtige Maßnahmen. Zum einen sollten möglichst kurze Verbindungsleitungen verwendet werden. Diese haben geringere Leitungsinduktivität als lange Leitungen. Um die parasitäre Induktivität weiter zu reduzieren muss die eingeschlossene Fläche in den Strompfad minimiert werden. Um dies sicher zu stellen, bietet sich an, die Leitungen miteinander zu verdrillen. Dadurch ist die eingeschlossene Fläche nur noch von der Leitungslänge und der Dicke der Ummantelung der Leitungslitze abhängig. Bild 2 zeigt den Anschluss eines zu testenden Spannungswandlers mit verdrillten Anschlussleitungen zum Reduzieren der parasitären Leitungsinduktivitäten.
Bild 2. Praktischer Betriebsaufbau mit verdrillten, kurzen Leitungen
Bei Spannungsversorgungen mit Schaltreglern hat man sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite AC Ströme. Je nach Schaltungstopologie kann an der Eingangsseite ein gepulster Strom auftreten, beispielsweise bei Abwärtswandlern (Buck-Regler). Zusätzlich muss das Start-Up Verhalten und der Betrieb unter Lasttransienten getestet werden. Unter diesen Betriebszuständen führen die Verbindungsleitungen des Testaufbaus ebenfalls AC Ströme.
Hinzufügen eines lokalen Energiespeichers
Wenn eine Spannungsversorgung darauf getestet wird, wie schnell sie auf Lasttransienten reagieren kann, muss am Eingang der Spannungsversorgung unbedingt genügend Energie zur Verfügung stehen. Die Versorgung der Spannungsversorgung soll nicht der Limitierende Faktor sein. Um dies sicher zu stellen empfiehlt es sich einen größeren ‚Bulk‘ Kondensator direkt an den Eingang der Spannungsversorgung zu setzen. Dieser ist in Bild 1 in grün eingezeichnet. Er stellt sicher, dass Lasttransiententests ordnungsgemäß durchgeführt werden können.
Es ist jedoch darauf zu achten, dass der spätere Einsatz der Spannungsversorgung auch ganz bestimmten Gegebenheiten unterliegt. Man sollte den Effekt des Energiespeichers am Eingang jedoch gut verstehen um die richtige Dimensionierung des Eingangskondensators der Spannungsversorgung sicherzustellen.
Ein weiterer Aspekt des ‚Bulk Kondensators‘ in Bild 1 ist ebenfalls zu berücksichtigen. Wenn Spannungstransienten am Eingang der zu testenden Spannungsversorgung angelegt werden sollen, um das Verhaltender Spannungsversorgung zu testen, würde der Bulk Kondensator die Spannungstransienten deutlich verlangsamen. Bei solchen Tests ist der Kondensator entsprechend zu entfernen.
Selbst bei scheinbar einfachen Aspekten des Entwurfs einer Spannungsversorgung, wie dem Anschließen einer Schaltung auf dem Labortisch, gibt es einiges zu beachten. Werden die Hinweise in diesem Artikel befolgt, steht dem eigentlichen Evaluieren nichts mehr im Weg.
Author: Frederik Dostal [frederik.dostal@analog.com] studierte Mikroelektronik an der Universität Erlangen-Nürnberg. Er begann seine Arbeit im Power Management Team von © Analog Devices Inc. im Jahr 2001 und war in verschiedenen Positionen tätig. Er kam 2009 zu Analog Devices und arbeitet als technischer Experte für Power Management in Europa.
Bild 1. Anschlüsse zum Betrieb einer Spannungsversorgung
Beim Anschluss der zu testenden Schaltung gibt es einiges zu beachten. Bild 1 zeigt den prinzipiellen Testaufbau. Die Spannungsversorgung muss mit einer Versorgungsspannung auf der Eingangsseite sowie einer Last an der Ausgangsseite verbunden werden. Das klingt trivial, im Detail gibt es jedoch wichtiges zu berücksichtigen.
Minimieren der Leitungsinduktivitäten
Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau zum Evaluieren eines Spannungswandlers. Wir wollen das Verhalten der Spannungsversorgungsschaltung testen und nicht den Einfluss der Verbindungsleitungen zwischen dem zu testenden Board und der Laborstromversorgung beziehungsweise der Last am Ausgang. Um die Effekte dieser Verbindungsleitungen zu reduzieren gibt es zwei wichtige Maßnahmen. Zum einen sollten möglichst kurze Verbindungsleitungen verwendet werden. Diese haben geringere Leitungsinduktivität als lange Leitungen. Um die parasitäre Induktivität weiter zu reduzieren muss die eingeschlossene Fläche in den Strompfad minimiert werden. Um dies sicher zu stellen, bietet sich an, die Leitungen miteinander zu verdrillen. Dadurch ist die eingeschlossene Fläche nur noch von der Leitungslänge und der Dicke der Ummantelung der Leitungslitze abhängig. Bild 2 zeigt den Anschluss eines zu testenden Spannungswandlers mit verdrillten Anschlussleitungen zum Reduzieren der parasitären Leitungsinduktivitäten.
Bild 2. Praktischer Betriebsaufbau mit verdrillten, kurzen Leitungen
Bei Spannungsversorgungen mit Schaltreglern hat man sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite AC Ströme. Je nach Schaltungstopologie kann an der Eingangsseite ein gepulster Strom auftreten, beispielsweise bei Abwärtswandlern (Buck-Regler). Zusätzlich muss das Start-Up Verhalten und der Betrieb unter Lasttransienten getestet werden. Unter diesen Betriebszuständen führen die Verbindungsleitungen des Testaufbaus ebenfalls AC Ströme.
Hinzufügen eines lokalen Energiespeichers
Wenn eine Spannungsversorgung darauf getestet wird, wie schnell sie auf Lasttransienten reagieren kann, muss am Eingang der Spannungsversorgung unbedingt genügend Energie zur Verfügung stehen. Die Versorgung der Spannungsversorgung soll nicht der Limitierende Faktor sein. Um dies sicher zu stellen empfiehlt es sich einen größeren ‚Bulk‘ Kondensator direkt an den Eingang der Spannungsversorgung zu setzen. Dieser ist in Bild 1 in grün eingezeichnet. Er stellt sicher, dass Lasttransiententests ordnungsgemäß durchgeführt werden können.
Es ist jedoch darauf zu achten, dass der spätere Einsatz der Spannungsversorgung auch ganz bestimmten Gegebenheiten unterliegt. Man sollte den Effekt des Energiespeichers am Eingang jedoch gut verstehen um die richtige Dimensionierung des Eingangskondensators der Spannungsversorgung sicherzustellen.
Ein weiterer Aspekt des ‚Bulk Kondensators‘ in Bild 1 ist ebenfalls zu berücksichtigen. Wenn Spannungstransienten am Eingang der zu testenden Spannungsversorgung angelegt werden sollen, um das Verhaltender Spannungsversorgung zu testen, würde der Bulk Kondensator die Spannungstransienten deutlich verlangsamen. Bei solchen Tests ist der Kondensator entsprechend zu entfernen.
Selbst bei scheinbar einfachen Aspekten des Entwurfs einer Spannungsversorgung, wie dem Anschließen einer Schaltung auf dem Labortisch, gibt es einiges zu beachten. Werden die Hinweise in diesem Artikel befolgt, steht dem eigentlichen Evaluieren nichts mehr im Weg.Author: Frederik Dostal [frederik.dostal@analog.com] studierte Mikroelektronik an der Universität Erlangen-Nürnberg. Er begann seine Arbeit im Power Management Team von © Analog Devices Inc. im Jahr 2001 und war in verschiedenen Positionen tätig. Er kam 2009 zu Analog Devices und arbeitet als technischer Experte für Power Management in Europa.