Auf einen Blick

Diese in drei Teile gegliederte Artikelserie beschreibt, wie eine DC/DC-Stromversorgung richtig geprüft wird und wie sich gewährleisten lässt, dass sie unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen zuverlässig arbeitet.

Die Stromversorgung ist die Grundlage eines jeden elektronischen Produkts. Man muss deshalb ihre Leistungsfähigkeit und ihre Designreserven verifizieren, damit ein hochwertiges und zuverlässiges Produkt entsteht. Verzichtet man auf diese Verifikation, geht man das Risiko unliebsamer Situationen ein, wenn Ausfälle des Produkts erst im Feld auftreten. Es kann vorkommen, dass eine Stromversorgung unter typischen Bedingungen zufriedenstellend arbeitet, dabei aber schon an die Grenze des normalen Betriebs gerät. Wenn eine Stromversorgung erwärmt oder abgekühlt wird oder wenn ihre Bauteile altern, können sich ihre Eigenschaften so verändern, dass sie infolge zu knapper Auslegung ausfällt.

Ganz gleich, wie einfach eine Stromversorgungsschaltung auch aufgebaut sein mag, sollte sie von einer qualifizierten Person getestet werden, um sicherzustellen, dass sie den Anforderungen entspricht. Auch wenn Software geschrieben werden muss und ein vollständiges Debugging von FPGAs erforderlich ist, ist unbedingt zu verifizieren, dass die Stromversorgung einwandfrei arbeitet und dass ihr Design ausreichende Reserven aufweist.

Komplex ist das Testen einer Stromversorgung nicht. Man muss jedoch genau wissen, welche Tests erforderlich sind und wie man sie richtig durchführt. Designer sollten deshalb eine Prüfvorschrift und einen Prüfplan für die jeweilige Stromversorgung ausarbeiten. Die Prüfvorschrift sollte alle akzeptablen Betriebsgrenzwerte sowie die verschiedenen Betriebsbedingungen (Temperatur, Netzbedingungen und so weiter) enthalten, bei denen das System funktionieren muss. Der Prüfplan dagegen beschreibt, mit welchem Ablauf sichergestellt werden kann, dass das Design die Prüfvorschrift erfüllt.

Die Systembedingungen (Netz, Last und so weiter) und die Umgebungsbedingungen sind von einer Anwendung zur anderen sehr unterschiedlich. Die einzelnen Prüfvorschriften und Prüfpläne variieren je nach System. Dieser Artikel befasst sich nicht damit, welche Auslegungsreserven beim Design qualitativ hochwertiger Produkte zugrunde gelegt werden müssen, sondern geht davon aus, dass die Prüfvorschriften verstanden werden. Es geht in diesem Betrieb in erster Linie um die Beschreibung solider Methoden, mit denen sich prüfen und verifizieren lässt, dass ein Design seine Spezifikationen erfüllt oder möglichst übertrifft.

Simulation

Bauteilmodellierung und Simulation haben große Fortschritte gemacht und geben den Designern hervorragende Werkzeuge für ein zügigeres Design von Stromversorgungen in die Hand. Insbesondere bei komplexen Systemen ist es gelegentlich schwierig, die Last eines Systems präzise nachzubilden, sodass man bei Simulationen in gewissem Umfang auf Annahmen zurückgreifen muss. Wenn in umfangreichen Systemen Verbraucher mit den unterschiedlichsten Impedanzen an die Stromversorgungsleitungen angeschlossen werden, können die Netzteile ein unerwartetes Verhalten an den Tag legen, das nur durch präzise Tests aufgedeckt werden kann. Simulationstools wie Webench von TI helfen, schnell zu einem soliden Design zu kommen, das Ingenieuren als hervorragender Ausgangspunkt zum Herstellen der Hardware dienen kann. Dennoch können erst Laborprüfungen der realen Schaltung zutreffende Aufschlüsse über das Verhalten des Systems an den Extrempunkten der spezifizierten Betriebsbedingungen liefern.

Die Prüfausrüstung

Welche Ausrüstung zum korrekten Testen einer Stromversorgung benötigt wird, hängt von der Art der zu prüfenden Schaltung ab und wird zusätzlich vom verfügbaren finanziellen Budget bestimmt. Die folgende Aufstellung listet einige Geräte auf, auf die später genauer eingegangen wird:

  • DC-Netzteil (möglichst in programmierbarer Ausführung) mit ausreichend Spannung und Strom für das zu prüfende Design.
  • Elektronische oder dynamische Prüflast mit hinreichender Spannungs- und Stromfestigkeit für das System. Vorzugsweise sollte eine programmierbare Version mit stufenweise variierbarer Last zum Einsatz kommen.
  • Zwei Voltmeter mit ausreichender Genauigkeit für die vorgegebenen Spezifikationen.
  • Zwei Amperemeter (beziehungsweise niederohmige Widerstände mit zusätzlichen Voltmetern). Ein Amperemeter kann durch die Strommessfunktion einer elektronischen Last ersetzt werden.
  • Oszilloskop mit mindestens 500 MHz Bandbreite und Tastkopf für Rauschmessungen.
  • Frequenzgang- oder Netzwerkanalysator mit Eignung für Stabilitätsmessungen an Stromversorgungen.

Vorbereitung der Tests

Ist eine Stromversorgung entworfen und mit den für die Produktion vorgesehenen Bauteilen aufgebaut, muss sie so positioniert werden, dass Ein- und Ausgang zugänglich sind. Falls möglich, sollte für die erste Prüfung die Systemlast abgeklemmt werden. Auf diese Weise lässt sich die Höchst- und Mindestlast testen, während das System vor möglichen Fehlfunktionen des Prüflings geschützt bleibt. Ist die einwandfreie Funktion verifiziert, möchten Sie unter Umständen einige Prüfungen mit angeschlossener Systemlast durchführen – möglicherweise mit einer parallelgeschalteten elektronischen Prüflast, um Worst-Case-Szenarien zu simulieren. Zum Beispiel lassen sich Stabilitäts- und Rauschmessungen besser mit der reaktiven Systemlast durchführen als mit der ohmschen Prüflast.

Zur Vorbereitung der Tests sollten aus Gründen der besseren Zugänglichkeit Leitungen zum Ein- und Ausgang des Netzteils verlegt werden. Diese Leitungen sollten allerdings möglichst kurz sein und einen großen Querschnitt haben, damit an ihnen nur wenig Spannung abfällt. Welcher Querschnitt im Einzelnen notwendig ist, hängt von der Stromstärke ab, jedoch sind dickere Leitungen generell zu bevorzugen. Die Ausgangsanschlüsse sollten unmittelbar an beiden Seiten des letzten Ausgangskondensators angebracht sein, während die Eingangsleitungen in der Nähe des Eingangskondensators anzuschließen sind. Kennzeichnen Sie die Leitungen deutlich, um Verpolungen auszuschließen.

Bild 1: Mit einem zusätzlichen Rückkoppelwiderstand lassen sich in einem Stromversorgung-Design Einspeise- und Messpunkte für Stabilitätsmessungen einrichten.

Bild 1: Mit einem zusätzlichen Rückkoppelwiderstand lassen sich in einem Stromversorgung-Design Einspeise- und Messpunkte für Stabilitätsmessungen einrichten. Texas Instruments

Die meisten Stromversorgungs-Schaltungen enthalten eine Regelschleife, die die Ausgangsspannung an den Feedback-Eingang eines Regler-IC zurückführt. Zur Durchführung von Stabilitätsmessungen muss ein Bauteil hinzugefügt werden, welches das Einspeisen eines Signals aus einem Netzwerkanalysator ermöglicht (dazu später mehr). Ein kleiner Widerstand von 10 bis 50 Ohm kann in die Rückkoppelschleife eingefügt werden, ohne einen übermäßigen Ausgangsspannungsfehler hervorzurufen. Der Widerstand wird zwischen den Ausgang und das obere Ende des Rückkoppelnetzwerks geschaltet (Bild 1). Der zusätzliche Widerstand sollte möglichst nah am oberen Rückkoppelwiderstand platziert werden. Kurze, weniger als 5 cm lange Leitungen sollten vom zusätzlichen Widerstand ausgehen, damit der Netzwerkanalysator angeschlossen werden kann. Einige Designer statten die Leiterplatte ihres Netzteils von vornherein mit diesem Rückkoppelwiderstand und entsprechenden Prüfanschlüssen aus, um das Prüfen zu vereinfachen. In der Produktion kann dieser Widerstand weggelassen und durch eine Drahtbrücke ersetzt werden.

Bild 2: Versuchsaufbau für Rausch- und Wirkungsgradmessungen an Gleichspannungswandlern.

Bild 2: Versuchsaufbau für Rausch- und Wirkungsgradmessungen an Gleichspannungswandlern.Texas Instruments

Bild 2 zeigt einen typischen Versuchsaufbau, der sich für die folgenden Tests eignet.

Genauigkeit und Toleranz der Ausgangsspannung

Da moderne Systeme immer geringere Versorgungsspannungen benötigen, wachsen die Anforderungen an die Genauigkeit der Ausgangsspannung, denn die Schaltungen setzen oft sehr enge Toleranzen voraus. Neben der Anfangsgenauigkeit müssen auch alle weiteren Faktoren berücksichtigt werden, die sich auf die Gesamtgenauigkeit auswirken. Was in das insgesamt bestehende Spannungs-Limit eingeht, wird nachfolgend sowie im zweiten Teil dieser Serie behandelt.

Die Ausgangsgenauigkeit zu messen, ist nicht schwierig, jedoch ergeben sich dabei noch keine Aussagen über die Worst-Case-Genauigkeit, die sich in der Produktion durch die Werteschwankungen der Bauelemente einstellt. Dies ist eine der Design-Grenzen, die sich am besten per Simulation oder mit manuellen Berechnungen bestimmen lassen. Welligkeits- und rauschbedingte Schwankungen der Ausgangsspannung (mehr dazu in Teil 2) lassen sich messen und zusammen mit der durch Simulation oder Berechnung ermittelten Worst-Case-Anfangsgenauigkeit verwenden, um die minimale und maximale Ausgangsspannung unter Worst-Case-Bedingungen zu bestimmen.

Zum Testen der Ausgangsspannungsgenauigkeit müssen zwei oder drei verschiedene Eingangsspannungen eingestellt werden.

Anlaufzeit und Überschwinger

Die Zeit, die eine Stromversorgung braucht, bis sie an ihrem Ausgang eine stabile Spannung bereitstellt, kann erheblich schwanken. Da diese Verzögerung in vielen Fällen ohne Folgewirkungen auf den Betrieb des Systems bleibt, kann der diesbezügliche Test ohne Bedeutung sein. Gelegentlich kann eine Stromversorgung auch so ausgelegt sein, dass sie erst anläuft, wenn die Eingangsspannung einen bestimmten Wert überschritten hat. Diese Spannung wird in den Datenblättern von ICs häufig als Under Voltage Lockout Level bezeichnet. Nachfolgend ist eine einfache Methode zum Messen der Zeit beschrieben, die eine Stromversorgung benötigt, um nach dem Anlegen der Eingangsspannung hochzufahren. Ebenso wird gezeigt, wie die einschaltbedingten Überschwinger am Ausgang gemessen werden können.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der Anlaufstrom umso höher ist, je kürzer die Anlaufzeit einer Stromversorgungsschaltung ist. Hohe Anlaufströme aber können ein Einbrechen der Systemspannung verursachen, speziell wenn die Gesamtleistung des Systems begrenzt ist. Ein Absinken der Eingangsspannung wiederum kann zu Problemen an anderen Stellen im System führen. Nötigenfalls kann vom Designer eine spezielle Softstart-Schaltung vorgesehen werden, die die Einschaltgeschwindigkeit limitiert. Einzelheiten zum Softstart finden sich in vielen Datenblättern zu Power-ICs.

Wird eine Stromversorgungsschaltung in Betrieb gesetzt, kommt es nicht selten vor, dass die Ausgangsspannung zunächst über den Nennwert ansteigt und sich erst danach einschwingt. Diese sogenannten Überschwinger können problematisch sein, wenn der angeschlossene Verbraucher keine höheren Spannungen verträgt. Vermeiden lassen sich unerwünschte Überschwinger häufig, indem man eine Softstart-Schaltung hinzufügt oder eine vorhandene korrekt dimensioniert.

Strombegrenzung

Viele Stromversorgungs-Designs werden mit einer Strombegrenzung ausgestattet, damit der Strom im Fall einer Störung oder eines extremen Zustands nicht übermäßig ansteigen kann. Testen lässt sich diese Funktion, indem man den Laststrom immer weiter erhöht, bis die Ausgangsspannung um einen bestimmten Betrag fällt. Der für diese Prüfung zugrunde gelegte Spannungsrückgang kann unterschiedlich hoch sein und richtet sich nach dem Zweck der Strombegrenzung. In einigen Fällen ist sie aus Sicherheitsgründen und/oder zum Schutz der Bauelemente im Störungsfall vorhanden, während sie woanders nur den Strom während normaler transienter Zustände in Grenzen halten sollen. Strombegrenzungsschaltungen können abrupt ansprechen und aktiviert bleiben (häufig als Crowbar-Schaltung bezeichnet), oder sie können nach einer gewissen Zeitspanne ein Wiedereinschalten versuchen (Hiccup-Verhalten). Andere Strombegrenzungsschaltungen wiederum können sich darauf beschränken, einen bestimmten Strom-Sollwert zu halten, wenn die Last vergrößert wird (zyklusweise Strombegrenzung). Diese Lösung eignet sich, um eine Überlastung von Bauelementen unter transienten Bedingungen zu unterbinden, sodass verschiedene Schaltungskomponenten kleiner dimensioniert werden können. Unabhängig davon sollte ein für diesen Test bestimmter Ausgangsspannungsrückgang von beispielsweise 30 Prozent zugrunde gelegt werden.

Wirkungsgradberechnung

Zur Berechnung des Wirkungsgrads einer Stromversorgung dividiert man die aus der Schaltung herauskommende Energie durch die am Eingang aufgenommene Energie und multipliziert das Ergebnis mit 100, um eine prozentuale Angabe zu erhalten. Die Effizienz präzise zu messen, bereitet keine Schwierigkeiten, jedoch haben selbst kleine Messfehler große Ungenauigkeiten zur Folge. Fehler bei der Wirkungsgradermittlung sind meist auf eine der nachfolgend aufgezählten Ursachen zurückzuführen.

Fehler: Ungenaue Strommessung

Möglicherweise erhält man keine präzisen Ergebnisse, wenn man den Strom mit einem Digitalvoltmeter (DVM) misst. Ein bestimmtes DVM kann bei Spannungsmessungen eine hohe Genauigkeit erreichen, bei Strommessungen aber nicht. Dies muss in den technischen Daten des Herstellers überprüft werden. Ein niederohmiger Präzisionswiderstand, der mit den Eingangs- und Ausgangsleitungen in Reihe geschaltet wird, kann dagegen im Verbund mit einem guten Voltmeter präzise Strommessungen ermöglichen. Zum Beispiel erlaubt ein passend dimensionierter Widerstand mit 0,1 Ohm und 0,1 % Toleranz genaue Strommessungen vom Milliampere-Bereich bis zu mehreren Ampere (I = U/R). Auch eine hochwertige dynamische Last kann präzise Messungen der Stromstärke zulassen, jedoch müssen hierzu die Genauigkeitsangaben des jeweiligen Instruments überprüft werden.

Fehler: Messung der Ein- und Ausgangsspannung an den falschen Stellen

Zu den häufigsten Fehlern beim Messen des Wirkungsgrads gehört die falsche Platzierung der Tastköpfe. Häufig wird offenbar vergessen, dass jede Leitung einen Widerstand besitzt und deshalb gewisse Verluste verursacht. Beim Messen der Ein- und Ausgangsspannung eines Netzteils kommt es deshalb darauf an, die Messungen unmittelbar am Ein- und Ausgang der Schaltung vorzunehmen. Misst man dagegen an der Spannungsquelle, können die am Eingangskabel entstehenden Verluste dazu führen, dass der ermittelte Wirkungsgrad niedriger ist als in der Realität. Auch die Ausgangsspannung sollte direkt am Ausgang der Schaltung, möglichst sogar unmittelbar an den Ausgangskondensatoren gemessen werden. Erfolgt die Messung dagegen erst an der angeschlossenen Last oder nutzt man das in der Last eingebaute Voltmeter, erhält man auch hier einen Wirkungsgrad, der niedriger ist als in Wirklichkeit.

Fehler beim Ablauf der Wirkungsgradmessung

Bild 3: Die Schaltstörungen betragen 41,5 mVpp bei 9 A Ausgangsstrom, die Störspannungen 110 mVpp bei 53 MHz. Der Eingangsstrom wurde ohne Last mit 60 mA gemessen (wahrscheinlich Kernverluste) und kann durch Verringern von L weiter reduziert werden.

Bild 3: Die Schaltstörungen betragen 41,5 mVpp bei 9 A Ausgangsstrom, die Störspannungen 110 mVpp bei 53 MHz. Der Eingangsstrom wurde ohne Last mit 60 mA gemessen (wahrscheinlich Kernverluste) und kann durch Verringern von L weiter reduziert werden.Texas Instruments

Im Folgenden wird beschrieben, wie sich der Wirkungsgrad eines Netzteils präzise messen lässt. Zwar gibt es auch andere Methoden, aber dieses Verfahren ist ebenso genau wie einfach auszuführen. Sinnvoll ist es, drei Messungen durchzuführen und die daraus resultierenden Wirkungsgradkurven in ein gemeinsames Diagramm einzutragen. Die beschriebene Prozedur wird hierzu einmal mit der typischen Eingangsspannung, ein weiteres Mal mit der maximalen Eingangsspannung und schließlich mit der minimalen Eingangsspannung durchgeführt. Die dabei aufgezeichneten Wirkungsgradkurven sagen eine Menge über das jeweilige Netzteildesign aus. Ein Wirkungsgrad, der bei niedrigen Stromstärken rasch auf den maximalen Wert ansteigt und dann lange gleichbleibend verläuft, deutet auf hohe Gleichstrom- beziehungsweise Leitungsverluste hin. Ein langsamerer Anstieg auf den maximalen Wirkungsgrad und ein minimaler Rückgang bei hohen Stromstärken ist dagegen ein Indiz für niedrige Gleichstrom- und hohe Wechselstromverluste. In der Regel zieht man eine Wirkungsgradkurve vor, die bei ungefähr 50 Prozent von IOut ihren Höchstwert erreicht und damit ein Indiz für eine gute Ausgewogenheit zwischen Gleich- und Wechselstromverlusten ist. Viel hängt hier jedoch von den Anforderungen des jeweiligen Systems ab (Bild 3).

Fehler: Erdschleifen

Häufig wird bei Messungen an Stromversorgungen der Fehler gemacht, dass die Masse des Oszilloskops mit einem Potenzial verbunden wird, das über oder unter dem Erdpotenzial liegt. Hierdurch fließt ein Strom von oder nach dem Oszilloskop. Derartige Erdschleifen können nicht nur beträchtliche Messfehler, sondern auch Schäden an den Messinstrumenten verursachen. Beim Anschließen der Oszilloskopmasse an Stromversorgungen ist deshalb Vorsicht geboten.

Im zweiten Teil geht es um geeignete Abtastverfahren zum Messen des Rauschens sowie von Netz- und Lasttransienten, von Schaltstörungen am Ausgang sowie der Signalverläufe am Schaltknoten.