Zehn praktische Tipps zum Gebrauch von Stromversorgungen

Bild 1: DC-Quellen der 663xx-Serie von Keysight bieten speziell für Mobile-Communications verschiedene Funktionen für das Testen von drahtlosen und batteriebetriebenen Geräten. Keysight

Laborstromversorgungen werden meist als einfache Baugruppen angesehen – und sind es gewöhnlich auch. Die Verwendung zusätzlicher integrierter Funktionen zur Steuerung und Analyse kann ihre Leistungsfähigkeit jedoch um einiges erhöhen. Der folgende Beitrag beschreibt verschiedene Möglichkeiten, wie sich Betriebs- und Messfunktionen von Laborstromversorgungen im Prüfaufbau und Alltagsgebrauch effektiver umsetzen lassen.

Tipp 1: Per Vierleitertechnik Leitungsverluste ausregeln

Verlässt ein Netzteil das Werk, sind dessen Regelungs-Messanschlüsse meist mit den Ausgangsklemmen verbunden. Dies begrenzt die Spannungsregelungsfunktionen der Versorgung – selbst bei sehr kurzen Leitungen. Je länger die Leitungen und je geringer der Leitungsdurchmesser, desto schlechter wird die Regelung. Dies verschlechtert sich, sobald Relais zum Einsatz kommen, die Strom zur Last zu schalten.

Bei der Fernmessung (Remote Sensing) erfolgt der Anschluss der Last an das Netzteil in Vierleitertechnik. Während die Netzteilausgangsklemmen über Stromleitungen mit der Last verbunden werden, erfolgt der Anschluss der Sense-Klemmen vom Netzteilregelkreisverstärker über eine separate verdrillte und abgeschirmte 2-Draht-Leitung an die Last. Dies ermöglicht eine genauere Regelung am Ende der Stromleitungen direkt an der Last statt an den Ausgangsklemmen des Netzteils, denn die Leitungsverluste werden durch die Regelung kompensiert.

Tipp 2: Mehr Sicherheit durch Ferndeaktivierung und Überlastabschaltung

Eine Ferndeaktivierung (Remote Disable) bietet eine sichere Möglichkeit, eine Stromversorgung aufgrund bestimmter Betriebszustände abzuschalten oder Systembetreiber zu schützen, beispielsweise wenn eine Schaltschranktür unerwartet geöffnet oder eine Notaus-Taste betätigt wird.

Die Umsetzung erfolgt entweder über Remote Inhibit (RI), ein Eingang an der Stromversorgung, der den Ausgang deaktiviert, sobald der RI-Anschluss auf Low gezogen wird oder über eine diskrete Fehleranzeige (Discrete Fault Indicator, DFI), die ein Signal bereitstellt, sobald die Stromversorgung einen anwenderdefinierten Fehler feststellt. DFI und RI können ohne Einschränkungen verkettet werden (Daisy-Chain), sodass ein Fehler in einer beliebigen Versorgung alle Versorgungen im System abschaltet.

Tipp 3: Störungen/Rauschen bei Kleinsignalmessungen verringern

Es ist einfacher, Störungen in der Entstehung zu verhindern anstatt sie nachträglich zu filtern. Ein störungsarmes Netzteil ist die beste Möglichkeit, Rauschen und andere Störungen bei Messungen zu vermeiden. Schaltnetzteile können hier erfolgreich zum Einsatz kommen, wenn deren Spezifikationen einen niedrigen Gleichtaktstrom (<20 mA) bietet.

Bild 2: Down-Programming mit FET gegen GND entlädt Stützkondenatoren zügiger und erlaubt schnellere Spannungsänderungen. Livingston / Keysight

Zudem müssen die Verbindungen zwischen den Stromversorgungen und dem zu testenden Gerät (Device Under Test, DUT) berücksichtigt werden. Leitungsgebundene Störungen entstehen dabei häufig durch Masseschleifen, die es zu beseitigen gilt, sodass im Idealfall nur eine Masseverbindung oder ein Massesternpunkt verwendet wird. In Racks müssen die DC-Verteilungswege von anderen Leitungspfaden, die Masseströme tragen, räumlich getrennt sein.

Störstrahlung lässt sich durch verdrillte, abgeschirmte Leitungen für die Ausgangs- und Fernmessleitungen verringern. Leitungsschirme sollten nur an einem Ende mit der Masse verbunden sein (single ended ground/shield).

Geringere Gleichtaktstörungen lassen sich durch angeglichene Impedanzen der Plus- und Minus-Ausgänge an die Masse erreichen. Auch die DUT-Impedanz muss an ihren Plus- und Minus-Eingängen an die Masse angeglichen werden.

Spannungsspitzen vom DUT können durch einen Stützkondensator in der Nähe der Last unterdrückt werden. Dieser muss bei höchsten Testfrequenzen eine niedrige Impedanz aufweisen.

Tipp 4: Testgeschwindigkeit durch Down-Programming erhöhen

Bild 3: Eine negative Hilfsquelle ist beim Down-Programming für höhere Ausgangsspannungen wirksamer als die Schaltung aus Bild 2. Livingston / Keysight

Ausgangskondensatoren in Stromversorgungen entladen sich bei geringer oder keiner Last sehr langsam. Bei Tests mit wechselnden Spannungen wird dies zu einem Problem, da langsames Entladen auch zu langsamen Tests führt. Um dies zu verbessern, sorgen Down-Programming-Schaltkreise in Stromversorgungen für ein schnelles Absenken der Ausgangsspannung und somit für schnellere Entladezeiten.

Zwei Arten von Down-Programming-Schaltkreisen kommen zum Einsatz: In der ersten Variante wird ein FET über die Ausgänge platziert. Ist die Ausgangsspannung höher als der eingestellte Wert, aktiviert und entlädt der FET den Ausgangskondensator (Bild 2). Der FET kann als Senke für Ströme zwischen 10 und 20 % des Ausgangsstroms der Stromversorgung dienen. Dabei ergibt sich eine leichte Verschlechterung des Down-Programming-Stroms in der Nähe von 0 V. Alternativ wird der Down-Programmer zwischen dem Plus-Anschluss der Stromversorgung und einer Minus-Quelle platziert (Bild 3). Damit wird der Ausgang auf Low gezogen, ohne eine Verschlechterung in der Nähe von 0 V zu verursachen.

Einige Stromversorgungen können als Senke einen Strom nahe ihres gesamten Ausgangsstroms ziehen. Damit können sie als programmierbare Quelle oder Last zum Einsatz kommen.

Tipp 5: Automatische Bereichseinstellung vereinfacht das Setup

Bild 4: Stromversorgungnen mit Auto-Ranging steuern die maximale Ausgangsleistung nach Kennlinie. Livingston / Keysight

Da der Platz in Prüfständen und Racks begrenzt ist, sind Netzteile mit einstellbaren Spannungen und Strömen von Vorteil. So lassen sich DC/DC-Wandler unter verschiedenen Spannungs-/Stromkombinationen bei etwa gleicher Leistung testen.

Eine einfache DC-Stromversorgung liefert nur einen statischen Ausgangswert und bietet lediglich eine maximale Spannungs- (U_max) und Stromeinstellung (I_max) für einen maximalen Leistungspunkt (P_max = U_max · I_max). Fortschrittlichere Stromversorgungen verfügen über Mehrbereichsausgänge, bei denen eine automatische Bereichseinstellung zahlreiche Spannungs-/Stromkombinationen abdeckt (Bild 4). Damit erübrigt sich der Einsatz verschiedener Netzteile.

Tipp 6: Netzteile im Parallel- oder Serienbetrieb

Eine Serienschaltung von zwei oder mehr Stromversorgungen ermöglicht höhere Versorgungspannungen. Dabei muss aber ein Überschreiten von Schwebespannung oder negativen Spannungen an jedem Netzteil vermieden werden. Jede Stromversorgung sollte unabhängig eingestellt werden können, einen gleich großen Anteil der Gesamtausgangsspannung liefern und den Strom auf das Maximum begrenzen, den die Last sicher handhaben kann.

Die Parallelschaltung mehrerer Netzteile sorgt für höhere Ströme – aber auch hier gibt es Einschränkungen. Eine Master-Einheit muss im Konstantspannungsmodus (CV) betrieben werden, die übrigen Stromversorgungen im Konstantstrommodus (CC). Die Ausgangslast muss dabei genügend Strom ziehen, um die CC-Einheiten im Stromregelungsmodus zu halten.

In modernen Netzteilen lassen sich die Ausgänge gruppieren, um einen einzelnen Ausgang mit höherer Strom- und Leistungsabgabe bereitzustellen.

Tipp 7: Leistungsanalyse mit netzteilinternen Analyse-Tools

Um das Netzteil für Einrichtungen spezifizieren zu können, die dynamischen und gepulsten Strombelastungen ausgesetzt sind, müssen der Spitzen- und der durchschnittliche DC-Stromverbrauch ermittelt werden.

Dies erfolgt per Oszilloskop, mit dem sich ein Shunt oder ein Stromfühler überwachen lassen. Einfacher und kostengünstiger ist es, ein Netzteil mit integrierter Messfunktion zu verwenden. Modelle wie die Keysight 66300 Mobile Communications DC-Quelle speichern bis zu 4096 Datenpunkte mit Abtastintervallen von 15 µs bis 31.200 s. Wie Oszilloskope erfassen sie Vor- und Nach-Trigger-Pufferdaten beim Überschreiten anwenderdefinierter Schwellenwerte.

Geräte-Charakterisierungssoftware arbeitet mit DC-Quellen, die über eine Batterieemulation verfügen, um Designs für Mobilfunk, Kurzstreckenfunk und Wireless LAN Access Devices genau testen zu können. Die Tests werden durch eine dynamische Stromcharakterisierung, Datenspeicherung und CCDF-Messungen (Complementary Cumulative Distribution Function) vereinfacht.

Tipp 8: Charakterisierung des Einschaltstrom mit AC-Stromquelle/Analyzer

Die Charakterisierung des Einschaltstroms über der Einschaltphase kann Bauteilbelastungen aufdecken. So lässt sich testen, ob ein Produkt Netzstörungen verursacht und damit andere Produkte beeinträchtigt. Die Analyse hilft Entwicklern auch, geeignete Sicherungen und Schutzschalter auszuwählen.

Für die entsprechende Messung sind eine AC-Stromquelle mit programmierbarer Phasenfunktion und Ausgangstrigger-Port, ein Digital-Oszilloskop und ein Stromfühler erforderlich. Fortschrittliche AC-Stromquellen/Analyzer mit integrierter Generatorfunktion, Stromsignal-Digitalisierung, Spitzenstrommessung und Synchronisierung können eine Einschaltstrom-Charakterisierung ohne Kabel vornehmen und separate Instrumente synchronisieren. Ähnliche Analyzer stehen auch für DC-Messungen zur Verfügung.

Tipp 9: Netzteil mit integrierter Strommessung

Die genaue Messung von DUT-Versorgungsströmen über 10 A liegt jenseits des Strommessbereichs eines Digital-Multimeters (DMM). Eine Möglichkeit ist, einen externen Shunt und den Spannungsmodus des DMM zu wählen. Das Netzteil selber zu verwenden, ist die bessere Lösung. Viele Netzteile bieten ein genaues Messsystem, einschließlich Shunt, das sich über einen einzigen Befehl aktivieren lässt. Mit einer Genauigkeit von etwa ±0,5 % (oder besser) hohen Ausgangsströmen zeigen sich die Vorteile von Stromquellen mit integrieter Strommessung. Bei der Messung kleiner Ströme ist der integrierte Shunt weniger genau. Ein Netzteil mit Mehrstrombereichsmessung deckt jedoch die meisten Anforderungen ab und bietet eine Vollskalengenauigkeit von 0,04 % + 15 µA bei niedrigen Strömen (100 mA) oder 0,04 % + 160 µA bei höheren Strömen (3 A).

Tipp 10: DC-Signale mit dem Listenmodus erzeugen

Bild 5: Stromversorgungen mit Generatorfunktion können aus einer Liste mehrerer Stützstellen (Zeit, Spannung) komplexe DC-Signal-Sequenzen erzeugen. Das Timing-Diagramm oben zeigt ein einfaches arbiträres Spannungssignal mit zwei Wiederholungen. Livingston / Keysight

Anstelle eines DA-Wandlers oder Arbiträr-Signalgenerators über externe Ansteuerung eines Netzteils ist es vorteilhafter eine Stromversorgung mit Listenmodus zu verwenden. Dieser Modus ermöglicht komplexe Sequenzen von Ausgangsänderungen, die mit schnellem und präzisem Timing erzeugt werden können und intern oder extern synchronisierbar sind. So lassen sich komplexe DC-Signale erzeugen, einschließlich Pulsabfolgen, Rampen, Treppen (Bild 5), Niederfrequenz-Sinussignale mit DC-Offset, arbiträre Spannungs- und Stromsignale. Sobald eine Liste von Befehlen im Netzteil gespeichert ist, wird die gesamte Liste über einen einzigen Befehl ausgeführt. Beispielanwendungen sind der PSRR-Test, die Simulation von Kfz-Anlassprofilen und die Erzeugung von Pulsaussetzern.

(jwa)