Bildergalerie
Bild 1: Die UV-Widerstände sind zwischen der DC-Schiene und dem M-Pin des TopSwitch-HX-ics angeordnet..
Bild 2: Überprüfung auf Transformatorsättigung.
Bild 3: Messung der Primärinduktiviät des Transformators.
Bild 4: Austastung der Strombegrenzung.
Bild 5: Messung der Umkehrspannung über einer Ausgangsdiode.
Bild 6: Extrapolation von der Raumtemperatur zur maximal zulässigen Umgebungstemperatur.
Konservative Maximaltemperaturen bei der höchstzulässigen Umgebungstemperatur.

Zur Durch­führung der Tests wird folgendes benöti­gt: eine galvanisch getrennte Wechsel­­spannungsquelle oder ein Stell­transformator, ein Wattmeter, mindes­tens vier Multimeter, von denen zwei über eine hoch­auflö­sende Strom­mess­funk­tion verfügen müssen, ein Oszillo­skop mit Hoch­span­nungs­tastkopf, eine Strommesszange, eine elek­tro­nische Last, und die Last, die letztlich an der Strom­ver­sor­gung betrieben werden soll. Die Tests nehmen etwa ein bis zwei Stunden in Anspruch.

Auf einen Blick

Bei der erstmaligen Inbetriebnahme einer neuen Flyback-Strom­ver­sor­gung besteht die Gefahr, dass Bau­teile beschä­digt werden, Funktions­störungen auftreten oder Design­fehler zutage treten. Die oben beschrie­benen Tests sind geeignet, diese Risiken zu mini­mieren, eine neue Strom­ver­sor­gung sicher hochzufahren und ihre Spezi­fi­ka­tionen zu verifi­zieren. Wenn Sie sich an diese Schritt-für-Schritt-Anleitung halten, werden Sie nicht nur allge­meine Probleme lösen, sondern auch etwaige verborgene Design­fehler ent­decken.

Test bei niedriger Eingangs­spannung

Mit einer einfachen Sichtkontrolle wird geprüft ob alle gepolten Bau­teile in der richtigen Orientierung eingebaut sind. Anschließend wird die Stromversorgung zuerst einmal mit einer kleinen Eingangsspannung geprüft. Gege­be­nen­falls muss zuvor die auto­ma­tische Unter­spannungs­abschaltung deaktiviert werden. In der Regel ist es hierfür erforderlich, den UV-Wider­­stand aus der Leiter­platte zu entfer­nen. Im Beispiel von Bild 1 sind die UV-Wider­stände zwischen der DC-Schiene und dem M-Pin des TOPSwitch-HX-ICs von Power Integrations angeordnet. TOPSwitch-HX ist ein energieeffizientes Spannungswandler-IC mit inte­griertem 700-V-Leistungs-MOSFET, entwickelt für den Einsatz in Flyback-Strom­ver­sor­gungen. In diesem Fall müssen die beiden in Bild 1 gelb unterlegten Wider­stände entfer­nt und der M-Pin mit dem Source-Pin verbunden werden.

Nachdem eine rela­tiv kleine Wechsel­spannung an den Eingang anlegt wurde, wird nun die Ausgangsspannung sowie die Span­nung über dem Eingangskondensator gemessen. An den Ausgangsanschlüssen der Leiterplatte und den beiden Messpunkten am Eingangskondensator wird je ein Multimeter angeschlossen und auf Gleichspannungsmessung eingestellt. Bei mehreren Aus­gängen werden alle außer dem geregelten Haupt­ausgang durch Lastwiderstände angeschlossen. Diese müssen so dimensioniert sein, dass sie den für den jewei­ligen Ausgang spezi­fi­zierten Mindestlaststrom ziehen. Dadurch laden sich die Ausgangskonden­satoren dieser Aus­gänge nicht auf eine außerhalb der Spezi­fi­ka­tionen liegende Span­nung auf. Gemessen werden muss auch die AC-Eingangsleistung.

Vor dem Einschalten müssen Stell­transformator oder Wechselspannungsquelle auf 0 V einge­stellt sein. Wird die Eingangs­spannung allmählich auf etwa 10 VAC erhöht, sollte die AC-Eingangs­spannung am Wattmeter beziehungsweise Eingangs-Multimeter ent­sprechend ansteigen. Ist dies nicht der Fall, gilt es zu überprüfen, ob die Wechselspannungsquelle richtig konfi­gu­riert ist. Ansteigen muss auch die Span­nung auf der Gleichspannungsschiene beim Anlegen der Eingangs­wechsel­spannung.

Bei Verwendung eines Wattmeters sollte die AC-Eingangsleistung nach Abklingen des Einschaltstromstoßes unter 15 mW liegen. Kommen zwei Multimeter zur Verwendung, sollte dieser Wert 10 mA nicht überschreiten. Eine höhere Eingangsleistung oder ein höherer Eingangsstrom deuten auf einen Fehler in der Schaltung hin.

Überprüfung des Startverhaltens und der Regelung

Beträgt die Eingangsleistung weniger als 15 mW muss die Eingangs­spannung auf 50 VAC erhöht werden.Falls der Ausgang geregelt ist, sich im Auto-Restart-Modus befindet oder die Span­nung am Ausgangsmultimeter über 0,1 V liegt, ist der Chip unbe­schä­digt und funktionsfähig. Die Eingangswechsel­spannung wird weiter erhöht bis zur spezi­fi­zierten Mindest­eingangs­spannung. 

Zum Kontrollieren der Kurvenform des Schalt­signals am Drain-Anschluss wird die zum Drain-Anschluss führende Leiterbahn unterbrochen und zwischen Drain-Anschluss und Klemmschaltung ein Stück Draht eingefügt, damit die Strommesszange nur den MOSFET-Strom „sieht“.

Über einen 100:1-Spannungsteiler­tastkopf mit einer Span­nungs­festig­keit von mindes­tens 1000 V wird das Oszilloskop an den MOSFET angeschlossen. An den Haupt­ausgang der Strom­versorgung wird eine auf 0 eingestellte elek­tro­nische Last angeschlossen. Ein auf Spannungsmessung eingestelltes Multimeter befindet sich am Ausgang, ein zweites, auf Strom­messung eingestelltes Multimeter wird in den zur Last führenden Ausgangs­strompfad eingeschleift. Das Multimeter mit der höchsten Auflö­sung misst den Ausgangsstrom.

Die Wechselspannungsquelle wird wieder an den Eingang der Strom­ver­sor­gung angeschlossen. Stelltransformator oder die Wechselspannungsquelle müssen auf 0 V stehen. Die Spannung der Wechselspannungsquelle wird bis zur spezifizierten Mindesteingangsspannung erhöht und die Ausgangslast bis auf 25 Prozent der Volllast.

Test bei Volllast

Besitzt eine Schal­tung mehrere Aus­gänge müssen die Mindestlast­wider­stände durch eine elek­tronische Last ersetzt werden. An jeden Ausgang werden zwei Multimeter angeschlossen, eines für Spannungs- und eines für Strom­messung. In unserem Beispiel mit vier Aus­gängen sind acht Multimeter erforderlich, von denen mindes­tens vier über eine hoch­auflö­sende Strom­­mess­funk­tion verfügen sollten. Für die Spannungsmessungen genügt ein Multimeter, das der Reihe nach an die einzelnen Aus­gänge angeschlossen wird. Um auszuschließen, dass die Ausgangs­spannungen auf Werte außerhalb der Spezi­fi­ka­tionen ansteigen, wird aus jedem Ausgang ein kleiner Strom entnommen. Die Lasten sämtlicher Ausgänge werden bis zur jeweiligen Volllast erhöht. Sind alle Aus­gänge stabil und die Ausgangs­spannungen inner­halb der spezi­fi­zierten Toleranzgrenzen, liefert die Strom­ver­sor­gung ihre maxi­male Dauer-Ausgangs­leis­tung. Es empfiehlt sich, auch den Wirkungsgrad der Strom­ver­sor­gung zu über­prüfen.

Messung der Drain-Spitzen­spannung

Für die Drain-Spitzen­spannung muss am Oszilloskop eine schnellere Zeitbasis gewählt und auf Anstiegsflanke der Drainspannung getriggert werden. Ausgehend von Triggerbetriebsart Normal wird der Triggerpegel erhöht bis das Oszillo­skop gelegentlich auf die höchste Spitze der MOSFET-Drain-Span­nung triggert. Anschließend wird die Eingangs­wechsel­spannung in 50-Volt-Schritten bis zur maxi­malen Netz­span­nung erhöht und die Spitzen­spannung gemessen. Liegt diese über 650 VDC wird die Eingangsspannung nicht weiter erhöht, um die Sperr­span­nung des MOSFETs nicht zu überschreiten. Muss der Test abgebrochen werden, bevor die maxi­male Netzspannung erreicht ist, ist entweder die Klemm­schal­tung unpassend dimensioniert, oder der Transformator weist eine höhere Streu­induk­tivi­tät auf.

Normaler­weise startet die Strom­ver­sor­gung ab einer Eingangs­spannung, die zwischen den beiden Grenz­werten liegt, die durch die Toleranzen des Controllers und der UV-Wider­stände bestimmt sind. Sie sollte auch starten, bevor die Eingangs­wechsel­spannung die spezi­fi­zierte Mindest­eingangs­spannung der Strom­ver­sor­gung erreicht.

Nach dem Starten der Strom­ver­sor­gung wird die Eingangs­wechsel­spannung bis zur spezi­fizierten Mindest­eingangs­spannung erhöht und der Hauptausgang voll belastet. Beim allmählichen Überlasten des Ausgangs darf die Drain-Spitzen­spannung niemals die MOSFET-Sperr­spannung von 650 V überschreiten. Falls doch, muss die Klemm­schal­tung überarbeitet werden.

Bei Erreichen der maxi­mal zuläs­sigen Überlastleis­tung versagt die Ausgangsregelung. In diesem Fall sollte die Strom­ver­sor­gung auto­ma­tisch neu starten oder sich dauerhaft abschalten. Bei Anzeichen von Überhitzung sollte der Test sofort abgebrochen und die Schal­tung abgekühlt werden.

Zum Überprüfen der Signal­formen der Drain-Span­nung und des Drain-Stroms wird die Eingangsspannung bis zum spezi­fi­zierten Maximal­wert bei voll belastetem Ausgang erhöht. Mit der Triggerbetriebsart Normal wird auf die Anstiegsflanke der Drain-Span­nung getriggert. Der Triggerpegel wird bis auf den höchsten Wert erhöht bei dem das Oszillo­skop im Normalbetrieb noch triggert. Anschließend schaltet man die Eingangs­wechsel­spannung aus und wieder ein. Diese Prozedur wird wiederholt und der Triggerpegel erhöht bis zur höchsten Spitzenspannung, die beim erneuten Einschalten der Eingangs­wechsel­spannung beobachtet wurde.

Die Kurven­form des Drain-Stroms muss hinsichtlich einer Sättigung des Transformators geprüft werden. Die linke untere Kurve in Bild 2 zeigt einen normalen Drain-Stromimpuls, der nach dem Einschalten linear ansteigt und nach dem Ausschalten inner­halb kurzer Zeit wieder abfällt. Die rechte untere Kurve zeigt einen Drain-Stromimpuls, der kurz vor dem Ausschaltzeitpunkt exponenziell ansteigt. Das deutet darauf hin, dass sich der Transformatorkern in der Sättigung befindet und keine Energie mehr speichern kann. Dadurch können die primärseitigen Ströme abrupt ansteigen, und das IC oder sonstige Bau­teile auf der Primärseite der Schal­tung beschä­digt werden.

Die häufigste Ursache für eine Transformator­sättigung ist eine zu hohe magnetische Flussdichte im Kern. Diese lässt sich redu­zie­ren indem die Windungszahl des Transformators erhöht oder die zuläs­sige Fertigungstoleranz für die Primär­induk­tivi­tät eingeengt wird. Das Design-Tool PI Expert für Spannungswandler-ICs von Power Integrations vergrößert die Anzahl der Primärwindungen auto­ma­tisch pro­porti­onal, wenn die Anzahl der Sekundärwindungen vergrößert werden. Die Flussdichte lässt sich auch durch einen höheren KP-Wert reduzieren. Die Ursache einer Trans­formator­sätti­gung ist auch auf eine zu hohe Kern­tem­pe­ra­tur zurückzuführen.

Berech­nung der Primär­induk­tivi­tät des Trans­for­mators

Als nächstes wird mit dem Oszillo­skop die Slew-Rate (di/dt) des Drain-Stroms im „linearsten“ Bereich der Rampe gemessen. In der Regel ist das der Bereich zwischen 25 und 75 Prozent des Maximalstroms. Gleichzeitig wird die mittlere Span­nung auf der DC-Schiene gemessen. Aus diesen beiden Werten lässt sich nach der Gleichung U = L ∆i/∆t die Primär­induk­tivi­tät des Trans­for­mators berechnen.

Bei der unmittelbar nach dem Einschalten des MOSFETs auftretenden Stromspitze ist meist am Anfang der Anstiegsflanke des Drain-Stroms ein Spike zu erkennen. Dieser wird durch parasitäre Kapa­zi­täten hervorgerufen, die sich über den MOSFET schnell entladen; dieses Phänomen ist bei Schalt­strom­versor­gungen ganz normal.

Einige Spannungswandler-ICs deaktivieren nach dem Einschal­ten des MOSFETs eine bestimmte Zeit den Strombegrenzungssensor. Diese „Austastung“ verhindert, dass der Spike am Anfang der Strom-Anstiegsflanke die Strombegrenzung zum Ansprechen bringt, wodurch der Stromimpuls vorzeitig beendet würde. Es kann jedoch vorkommen, dass der Spike unge­wöhn­lich breit ist und dann die Strombegrenzung trotz der „Austastung“ anspricht und die zum Ausgang gelangende Leis­tung begrenzt.

Span­nung über der Bias-Wicklung

Bei einer Bias-Wicklung wird mit dem Oszillo­skop die kleinste Span­nung, die während eines kompletten Zyklus über dem Bias-Wicklungs-Konden­sator auftritt, gemessen. Als nächstes wird die Spitzen-Umkehrspan­nung (PIV, Peak Inverse Voltage) über der Aus­gangs­diode geprüft. Die Gleichspannung über der Diode sollte im leitenden Zustand annähernd 0 sein und beim Abschalten kurzzeitig einen nega­tiven Wert, die Umkehrspannung, annehmen. Die größte nega­tive Span­nung, die während eines Zyklus über der Diode auftritt, wird mit der PIV-Spezi­fi­ka­tion der Diode verglichen. Ist der gemessene Wert größer­­ oder gleich dem spezi­fi­zierten PIV-Maximalwert, besteht die Gefahr, dass die Diode vorzeitig aus­fällt. Im Interesse der System­zuver­läs­sig­keit ist es empfehlenswert, einen Sicher­heitsabstand von 20 Prozent zwischen der gemessenen PIV und dem für die Diode spezi­fi­zierten Maximal­wert einzuhalten.

Die Temperaturen aller kritischen Bauteile wie Dioden, Elektro­lyt­konden­satoren, Gleich­taktdrosseln, Transformatorkern, Wicklungen und MOSFET/Controller-IC sollten mindestens 20 Minuten lang unter Volllast gemessen werden, sowohl bei der Mindest-Eingangs­spannung als auch bei der maxi­malen Eingangs­spannung.

Für den Test der Schaltung an der tatsächlichen Last wird zur Über­wachung der Ausgangs­spannung ein Multi­meter an den Ausgang der Strom­ver­sor­gung angeschlossen. Ist die Wechselspannungsquelle auf die spezi­fi­zierte maxi­male Eingangs­spannung der Strom­ver­sor­gung eingestellt, wird eingeschaltet. Fährt die Strom­ver­sor­gung hoch und liefert die spezi­fi­zierte Ausgangs­spannung an die Last wird das System hinsichtlich der spezi­fi­zierten Mindest-Eingangs­spannung getestet.

Es muss geprüft werden, ob die Strom­ver­sor­gung unter allen in der Praxis denkbaren Last­bedingungen korrekt arbeitet und niemals in den Auto-Restart übergeht. Sollte Letzteres der Fall sein, zieht die Last eine größere Leis­tung, als die Strom­ver­sor­gung abzugeben imstande ist und das Design ist unter­dimensioniert.