Como testar uma placa de fonte de alimentação smps

Para verificar as funcionalidades do produto e os parâmetros de design, um circuito de fonte de alimentação requer métodos de teste sofisticados e equipamentos de teste eletrônicos. É necessário obter um melhor conhecimento sobre os requisitos de teste SMPS para cumprir os padrões do produto. Neste artigo, aprenderemos como testar o circuito SMPS e falaremos sobre alguns dos testes mais básicos para SMPS e as normas de segurança que precisam ser seguidas para testar um circuito SMPS de forma fácil e eficiente. O exame a seguir dá uma ideia sobre as arquiteturas de fonte de alimentação mais básicas e seus processos de teste.

Se você é um engenheiro de design SMPS, também pode verificar o artigo sobre SMPS PCB Design Tips e SMPS EMI Reduction Techniques, ambos discutidos anteriormente.

Noções básicas de teste SMPS - Pontos a serem lembrados

Os circuitos de fontes de alimentação comutadas (SMPS) normalmente alternam CC de alta tensão com um ciclo de trabalho auto ajustável, a fim de regular a potência de saída com alta eficiência. Mas fazer isso apresenta questões de segurança que podem ser prejudiciais ao dispositivo se não forem cuidadas.

O esquema acima mostra uma fonte de alimentação alimentada por linha que utiliza a topologia flyback para converter CC de alta tensão em CC de baixa tensão. O esquema foi feito para compreender claramente o lado da alta e baixa tensão. No lado da alta tensão, temos um fusível como dispositivo de proteção, então a tensão da rede é retificada e filtrada pelos diodos retificadores de entrada D1, D2, D3, D4 e capacitor C2, isso significa que o nível de tensão entre essas linhas pode atingir mais de 350 V ou mais em um determinado ponto no tempo. Engenheiros e técnicos devem ter muito cuidado ao trabalhar com esses níveis de tensão potencialmente letais.

Outra coisa a se ter muito cuidado é o capacitor do filtro C2, pois ele retém a carga por muito tempo, mesmo quando a alimentação está desligada da rede elétrica. Antes de prosseguirmos com qualquer teste do circuito SMPS, este capacitor precisa ser descarregado corretamente.

O transistor de comutação T2 é o transistor de comutação principal e T1 é o transistor de comutação auxiliar. Como o transistor de chaveamento principal é responsável por acionar o transformador principal, é mais provável que fique muito quente e, como vem com um encapsulamento TO-220, há uma chance de que o dissipador de impacto tenha alta tensão. O operador de teste deve ser extremamente cuidadoso nesta seção. Um dos parâmetros mais importantes a serem observados é a seção do transformador. No esquema, é denotado como T1, o transformador T1 em conjunto com o optoacoplador OK1 fornece isolamento do lado primário. Em uma situação de teste onde a seção secundária está conectada ao aterramento e a seção primária está flutuando. A situação de conectar um instrumento de teste na seção primária causará um curto-circuito ao terra, o que pode danificar permanentemente o instrumento de teste. Fora isso, um conversor flyback típico precisa de uma carga mínima para funcionar corretamente, caso contrário, a tensão de saída não pode ser regulada adequadamente.

Testes de fonte de alimentação

As fontes de alimentação são usadas em uma variedade de produtos. Como resultado, o desempenho do teste precisa ser diferente dependendo do aplicativo. Por exemplo, a configuração do teste em um laboratório de projeto é feita para verificar os parâmetros do projeto. Esses testes requerem equipamentos de teste de alto desempenho com um ambiente de controle adequado. Em contraste, o teste de fonte de alimentação em ambientes de produção se concentra principalmente na função geral com base nas especificações determinadas durante a fase de design do produto.

Tempo de recuperação transiente da carga:

A fonte de alimentação de tensão constante tem um loop de feedback integrado que monitora e estabiliza continuamente a tensão de saída alterando o ciclo de trabalho de acordo. Se o atraso entre o feedback e o circuito de controle se aproximar de um valor crítico em seu crossover de ganho unitário, a fonte de alimentação fica instável e começa a oscilar. Esse atraso de tempo é medido como uma diferença angular e é definido como o grau de mudança de fase. Em uma fonte de alimentação típica, este valor é 180 graus de deslocamento de fase entre a entrada e a saída.

Teste de regulação de carga:

A regulação de carga é um parâmetro estático no qual testamos o limite de saída da fonte de alimentação para uma mudança repentina na corrente de carga. Em uma fonte de alimentação de tensão constante, o parâmetro de teste é a corrente constante. Enquanto em fonte de alimentação de corrente constante, é a tensão constante. Ao testar esses parâmetros, podemos determinar a capacidade da fonte de alimentação de suportar as mudanças rápidas na carga.

Teste de limite de corrente:

Em uma fonte de alimentação de corrente limitada típica, o teste é executado para observar as capacidades de limitação de corrente de uma fonte de alimentação de tensão constante. O limite de corrente real pode ser fixo ou variável, dependendo do tipo e da necessidade da fonte de alimentação.

Teste de ondulação e ruído:

Uma fonte de alimentação de boa qualidade típica ou muitas fontes de alimentação de alta qualidade de nível de áudio são testadas para medir o ruído e ondulação de saída. O nome mais comum desse teste é conhecido como PARD (Periodic and Random Deviation). Neste teste, medimos o desvio periódico e aleatório da tensão de saída em largura de banda limitada, juntamente com outros parâmetros como tensão de entrada, corrente de entrada, frequência de comutação e corrente de carga constantemente. Em termos mais simples, podemos dizer que com a ajuda desse processo, medimos o ruído AC acoplado no lado inferior e a ondulação após a retificação de saída e estágio de filtragem.

Teste de eficiência:

A eficiência de uma fonte de alimentação é simplesmente a razão entre sua potência total de saída dividida pela potência total de entrada. A potência de saída é DC onde a potência de entrada é AC, portanto, precisamos obter um valor RMS verdadeiro da potência de entrada para conseguir isso. Um wattímetro de boa qualidade com verdadeiros recursos RMS pode ser usado. Ao fazer este teste, o testador pode entender os parâmetros gerais do projeto de uma fonte de alimentação se a eficiência medida estiver sem espaço para uma topologia escolhida, então é uma indicação clara de uma fonte de alimentação projetada ou problema de peças com defeito.

Teste de atraso de inicialização:

O retardo na inicialização de uma fonte de alimentação é a medida do tempo necessário para estabilizar a saída da fonte de alimentação. Para uma fonte chaveada, este tempo é crucial para o sequenciamento adequado da tensão de saída. Este parâmetro também desempenha um papel importante quando se trata de alimentar sensores e equipamentos eletrônicos sensíveis. Se este parâmetro não for tratado corretamente, ele leva à formação de picos que podem destruir os transistores chaveadores ou mesmo a carga de saída conectada. Este problema pode ser facilmente resolvido adicionando um circuito de “partida suave” para limitar a corrente inicial para o transistor de chaveamento.

Desligamento por sobretensão:

Uma fonte de alimentação normalmente boa é projetada para desligar se a tensão de saída da fonte de alimentação exceder um certo nível de limite; caso contrário, isso pode ser prejudicial ao dispositivo durante a carga.

Configuração típica de teste SMPS

Com todos os parâmetros necessários esclarecidos, podemos finalmente passar para o teste do circuito SMPS, uma boa bancada de teste SMPS deve ter equipamentos de teste e segurança comumente disponíveis que minimizem as preocupações com segurança.

O transformador de isolamento:

O transformador de isolamento existe para isolar eletricamente a seção primária do circuito SMPS. Quando isolados, podemos conectar diretamente qualquer ponta de prova de aterramento, negando o lado de alta tensão da fonte de alimentação. Isso elimina a possibilidade de um curto-circuito direto ao solo.

O Auto-transformador:

O autotransformador pode ser usado para aumentar lentamente a tensão de entrada de um circuito SMPS, fazendo isso enquanto monitora a corrente pode evitar uma falha catastrófica. Em uma situação diferente, pode ser usado para simular situações de baixa e alta tensão, assim podemos simular situações em que a tensão da rede muda abruptamente, isso nos ajudará a entender o comportamento do SMPS nessas condições. Em geral, uma fonte de alimentação nominal universal varia de 85 V a 240 V pode ser testada com a ajuda de um autotransformador, podemos testar a característica de saída de um circuito SMPS com muita facilidade.

A lâmpada da série:

Uma lâmpada em série é uma boa prática quando se trata de testar um circuito SMPS, uma certa falha de um componente pode levar à explosão de MOSFETs. Se você está pensando em um MOSFET explodindo, você leu certo! O MOSFET explode em fontes de alimentação de alta corrente. Portanto, uma lâmpada incandescente em série pode impedir que um MOSFET seja explodido.

A carga eletrônica:

Para testar o desempenho de qualquer circuito SMPS, uma carga é necessária, enquanto algum resistor de alta potência é certamente a maneira mais fácil de testar certa capacidade de carga. Mas é quase impossível testar a seção do filtro de saída sem uma carga variável, é por isso que uma carga eletrônica se torna necessária, pois podemos medir facilmente o ruído de saída em diferentes condições de carga variando a carga linearmente.

Você também pode construir sua própria carga eletrônica ajustável usando o Arduino, que pode ser usado para testes SMPS de baixa potência. Com a ajuda de uma carga eletrônica, podemos medir facilmente o desempenho do filtro de saída, e isso é necessário porque um filtro de saída mal projetado, em uma determinada condição de carga, pode acoplar harmônico e ruído na saída, o que é muito ruim para os sensíveis eletrônicos.

Testando o SMPS com uma sonda diferencial de alta tensão

Embora a medição de tensão possa ser feita facilmente com a ajuda de um transformador de isolamento, a melhor maneira é usar uma ponta de prova diferencial para medições de alta tensão. As pontas de prova diferenciais têm duas entradas e medem a diferença de tensão entre as entradas. Ele faz isso subtraindo a tensão em uma entrada da outra, sem qualquer intervenção dos trilhos de aterramento.

Esses tipos de sondas têm uma alta taxa de rejeição de modo comum (CMRR) que melhora a faixa dinâmica da sonda. Em um circuito SMPS genérico, o lado primário comuta com uma tensão de comutação muito alta de 340 V e um tempo de transição relativamente rápido. O que, no caso, gera ruído, nessas situações, se tentarmos medir o sinal de entrada no gate do MOSFET, iremos gate de alto ruído ao invés de um sinal de comutação de entrada. Este problema pode ser facilmente eliminado usando uma ponta de prova diferencial de alta tensão com alto CMRR que rejeita os sinais de interferência.

Conclusão

Projetar e testar uma fonte de alimentação subdesenvolvida pode apresentar problemas de segurança. No entanto, conforme mostrado no artigo, a prática comum e o equipamento de teste podem certamente reduzir muito o risco.

Espero que você tenha gostado do artigo e aprendido algo útil. Se você tiver alguma dúvida, pode deixá-la na seção de comentários abaixo ou usar nossos fóruns para postar outras questões técnicas.