При производстве разнообразных электронных устройств проектирование, тестирование и разработка блоков питания для них зачастую уходит разнообразным подрядчикам в Китае, т.к. именно при таком варианте себестоимость блока питания получается значительно ниже и общая выгода от такого решения очевидна. Но при таком раскладе возникает вопрос — как же проконтролировать качество, как оценить ключевые характеристики и как быстро протестировать целую массу всевозможных демо-образцов с самых разнообразных заводов.
В этом цикле статей я хотел бы подробно рассказать, как я подхожу к решению задачи по тестированию блоков питания. В первой статье из цикла я собираюсь ответить на вопросы: на какую информацию Я опираюсь при составлении методик испытания, какие тесты и при каких условиях нужно провести и что является критериями для вынесения вердикта.
Всем интересующимся — добро пожаловать под кат!
Я уже относительно длительное время являюсь инженером по аппаратному тестированию и повидал немало разнообразных источников питания, использование которых в продакшене могло бы привести к серьезным негативным последствиям. И так как блок питания является основой любого электронного изделия, для обеспечения высокого качества и надежности в работе устройств — необходима проверка его эксплуатационных характеристик и конструктивных ограничений. Отсутствие какого либо тестирования ставит под угрозу успешность всего проекта и делает разработчика уязвимым перед потенциально неприятными ситуациями, особенно если проблемы начнут возникать после того, как продукты уже выпущены и положены на полки магазинов или переданы клиенту.
Почти всегда в обычных условиях эксплуатации блоки питания работают без каких-либо проблем. Но нередки ситуации когда блоки питания находятся “на грани”, например, может работать нормально в обычных условиях, но когда источник питания нагревается или охлаждается, или когда компоненты стареют, его характеристики могут измениться до такой степени, что подключенное устройство может выйти из строя.
Очень часто производители применяют не надежные технические решения, которые приводят к проблемам, которые я могу с удовольствием перечислить целым списком:
И этот список можно продолжать очень долго, и в конечном итоге хотелось бы подстраховать себя от возможных рисков, ведь чем ближе проект к завершению — тем дороже потом обойдется исправление допущенных ошибок.
Тестирование блока питания по сути своей не является сложным делом. Нужно только хорошо понимать, какие тесты необходимы и как их правильно выполнять и в этом цикле статей я хотел бы рассказать обо всём, что знаю про тестирование блоков питания, как это делается, на что опереться при выборе критериев тестирования и как можно было бы автоматизировать часть рутины при тестировании. Всех интересующихся приглашаю в этот увлекательный экскурс. Поехали!
Как обычно, прежде чем приступить написанию целого цикла статей я разбил эту большую тему на вполне конкретные вопросы. Для того чтобы описать, как же тестировать блоки питания — я поставил перед собой вопросы, которые требовали вполне конкретных ответов:
Ответы на эти вопросы во многом дадут понимание, как же мной осуществляется тестирование блоков питания и как можно избежать потенциальных проблем в будущем. И в этой статье я отвечу на первые три.
Так же, я, пожалуй, сделаю несколько важных оговорок, во избежание скорых выводов о материалах и для недопущения неоправданных ожиданий читателя:
Прежде чем начинать какое-либо испытание или исследование — необходимо определиться с отправными точками, на что мы будем опираться при составлении методики испытания. Проводить подробного анализа, откуда, что и какие значения взяты за основу требований будет излишним т.к. по этой теме можно написать целую книгу. Вместо этого, я по ходу описания некоторых тестовых сценариев постараюсь ссылаться на источник конкретных значений, а сейчас лишь приведу базовые стандарты и полезные материалы.
Очень интересным показался документ от Intel “ATX Version 3.0 Multi Rail Desktop Platform Power Supply. Design Guide”. Ценнен не столько сам документ, сколько то, что в нем можно найти список определяющих стандартов, методик, требований и технических условий, с опорой на которые осуществляется разработка блоков питания ATX. Во многом эта информация может быть полезна для выработки конечных требований.
Сайт компании AGC тоже показался интересным, т. к. на приведенной странице перечислены стандарты, используя которые, компания осуществляет свою деятельность. Познакомившись с этими стандартами, можно узнать много интересного.
Другой, очень сайт, который я нашел когда готовил статью — сайт компании Cybernetics Labs которая занимается сертификационными испытаниями в части PSU Efficiency и Noise Level. Хотелось бы конечно более подробного описания тестовых методик и тестового оснащения — но, в целом, почитать было интересно. Тут описана методология, а тут тестовое оснащение. Рекомендую к прочтению.
Дополнительно упомяну сайт Siemens c перечислением стандартов на которые стоит обратить внимание при разработке тестовых методик и параметров тестирования.
Так же, у меня в арсенале оказалось порядка десяти разнообразных отчетов о тестировании разных блоков питания, чьи PASS/FAIL критерии я также взял в качестве основы для методик и параметров своего будущего стенда. По ходу описания тестовых сценариев — я приведу некоторые из них.
Пролистав огромное количество стандартов, разнообразных методик тестирования и материалов по теме — Я заложил для себя базу того, на что опереться при составлении плана тестирования, понимание того, как тестировать, на какие значения опираться и теперь можно смело переходить к определению того, а что же мы в итоге будем тестировать.
Среди всех возможных блоков питания, есть те, с которыми мне приходится работать чаще всего — это как правило импульсные преобразователи с выходным напряжением от 5V до 20V. Мощности этого ассортимента блоков обычно зависят от устройства с которым идут в комплекте. В моем случае — это и 7.5W маломощные обратноходовые преобразователи, и 65W блоки с USB Power Delivery для относительно мощных потребителей с различными профилями нагрузки.
Охватив взором весь ассортимент возможных DUT — получается следующий набор базовых характеристик:
Но это скорее будет играть роль при выборе измерительного оборудования, нежели при составлении тестовых сценариев т.к. они плюс-минус общие для большинства импульсных измерителей. Поэтому просто возьмем это на заметку и перейдем к перечислению тестовых сценариев и критериев для вынесения оценки.
Итак, определив, что будем тестировать — стоит перейти к перечислению того, в каких тестовых сценариях мы будем проводить проверки и потом на базе этой информации можно будет понять, какое тестовое оборудование и с какими характеристиками нам потом понадобится. К слову. Этому вопросу будет посвящена вторая статья в цикле.
Вне зависимости от того, насколько прост или сложен блок питания — он должен быть протестирован, для того, чтобы убедиться в том, что источник питания работает должным образом и соответствует заявленным требованиям. Чаще всего, такие требования составляются исходя из параметров разрабатываемого устройства и условий применения устройства и на основании этих требований составляется общая стратегия тестирования и тест-план. В таком тестовом плане должно быть отражены все допустимые эксплуатационные пределы, температурные условия эксплуатации, параметры входного и выходного напряжения, которые считаются нормальными и питаемое устройство должно работать без сбоев и что все необходимые запасы соответствуют требованиям.
С этого мы и начнём. Определим внешние условия, в которых будут осуществляться тесты блоков питания. В идеале, тесты необходимо проводить при двух температурных режимах работы:
Существуют также дополнительные проверки, которые необходимо производить при исследовании блоков питания:
В этом случае, необходимо обеспечить вокруг тестируемого устройства термостабильные условия с помощью соответствующей термокамеры (с конвекционным обдувом и без него), проверять тепловизором и термопарами, нет ли перегрева отдельных компонентов при эксплуатации при длительной нагрузке.
Помимо этого, обязательно нужно проводить изучение уровня нагрева корпуса блока питания, чтобы температура не превышала безопасных значений. При нормальной температуре эксплуатации в +25С температура поверхности блока питания (в т.ч. при номинальной нагрузке) не должна превышать +60С (по сути дельта по температуре должна быть не больше 35 градусов по отношению к окружающей температуре).
Контроль температуры поверхности блока питания можно производить не только термопарами, но и с помощью тепловизора:
Тему с термоиспытаниями различных электронных приборов тоже можно развить до целой серии статей или даже книги, если есть такая необходимость — напишите об этом комментарий. Возможно получится эту тему рассмотреть в будущих статьях.
Итак, после проверки того, что устройство безопасно в длительной перспективе и не представляет собой пожароопасный объект можно переходить к контролю электрических параметров.
Перейдем к параметрам сети электропитания, которые также являются внешними условиями эксплуатации. У большинства блоков питания, которые я исследую номинальное входное напряжение 100-240 VAC при частоте переменного тока в 50-60 Hz. Поэтому при исследовании можно сформировать несколько сценариев для проверки того, как блок питания поведет себя при разных условиях и зафиксировать в таблицу выходное напряжение при номинальной нагрузке блока питания:
Плюсом сюда можно добавить сценарий проверки блока питания на устойчивость к кратковременным и длительным скачкам напряжения. В этом режиме также нужно отслеживать, сколько вольт выходного напряжения у блока питания, чтобы исключать ситуацию повреждения подключенного к блоку устройства:
Перечислю также вполне конкретные тест-кейсы которые необходимо провести для определения качества исполнения блока питания, связанные с первичной, называемой “горячей”, частью блока питания.
AC Inrush Current, что означает — ток зарядки входных емкостей. Чаще всего, проходным критерием считается то, что пиковое значение тока не должно превышать 60А при длительности процесса заряда не дольше 500μs. В некоторых маломощных источниках питания приводится величина в 40А.
Тест проводится, как правило, при холодном старте с номинальной нагрузкой, на отдельном стенде на блоке в разобранном состоянии с подключением к элементам, на которых можно зафиксировать падение напряжения и рассчитать ток заряда. Приведу пример осциллограмм с такого теста:
Также этот тест может быть использован в качестве relaibility-теста когда производится циклическое включение\выключения блока, и что в итоге не должно приводить к выходу его из строя.
Input discharge. После отключения питания на клеммах блока питания напряжение с выпрямляющей емкости должно снизиться до уровня ниже 42.4V за время меньше 1 секунды.
Power Consumption. Проводится проверка собственного потребления мощности блока без нагрузки. В случае разных блоков обычно определяются свои собственные значения потребления, которые обычно колеблются в районе 100 — 200mW.
Leakage current. Производится проверка тока утечки при максимальном напряжении 264V и это значение не должно превышать значения 0.25mA.
Первый параметр, который обычно проверяют при оценке характеристик выходного напряжения блока питания — способность удерживать выходное напряжение в рабочем диапазоне вне зависимости от текущей нагрузки. Стандартами индустрии определено, что значение выходного напряжения при любом значении нагрузки (от 0% до 100%) не должно выходить за рамки ± 5% от номинального.
Соответственно при этом тесте необходимо провести полный цикл проверки с фиксацией значения напряжения и должен будет получиться график вида:
Следующим шагом необходимо оценить КПД блока питания. Существует целый перечень стандартов, регулирующих минимальную величину КПД при нагрузке и при ее отсутствии. Приведу таблицу со стандартами регулирующими эти значения:
Таким образом, в зависимости от того, кто будет оценивать результат — приемлемый уровень КПД будет разным и для себя я взял значение значение КПД ≥ 70% при нагрузке от 0% до 10% и КПД ≥ 80% при нагрузке от 10% до 100%. Количество потребляемой мощности в простое (без нагрузки) должно быть ≤100mW.
Так же необходимо проводить тестирование с длительной фиксацией значения КПД, которая не должна падать с увеличением длительности непрерывной эксплуатации.
При проведении теста, для наглядности можно сделать полный прогон по всему диапазону мощностей, чтобы получить график вида:
Внимание! Вероятно, такой способ увеличения нагрузки линейно от 0% до 100% может внести некоторые искажения в результаты в сторону улучшения картины т.к. измерение производится не в дискретных точках, а плавным повышением величины нагрузки. Поэтому надо запомнить этот момент и дополнительно изучить его.
В дополнение к этому — полученные цифры точно будут отличаться, от результатов измерения если их провести с PCBА блока питания без использования шнура, который подключается к устройству. Кстати, если провести такое испытание — можно узнать величину падения напряжения на кабеле и проверить соответствует ли он заявленной величине AWG от производителя (это стандартное обозначение сечения проводников в тех, или иных продуктах).
Итак, перечислю остальные тестовые кейсы связанные с параметрами выходного напряжения.
Turn On Delay Time. Время задержки появления выходного напряжения после подачи питания. Чаще всего определяется так, что время задержки должно быть не больше 1 секунды при напряжении питания 230VAC и не больше 2 секунд при напряжении питания 90-115VAC. Стандартами определяется значение <3 секунд при номинальной нагрузке:
Shut Down Hold Up Time. После отключения питания время удержания номинального напряжения при номинальной нагрузке должно быть больше чем 5ms:
Output Voltage Rise Time. Этот параметр определяет, сколько времени потребуется на формирование номинального выходного напряжения и по сути длительность нарастания фронта напряжения. Это время может сильно варьироваться и обычно влияние величины этого времени на работоспособность незначительно. Стандартами определено, что это значение должно быть не больше чем 100ms, но как правило в большинстве блоков питания, не превышает 10ms.
Output Voltage Fall Time. Этот параметр определяет время падения фронта напряжения при отключении блока питания из сети, по сути показывая время разряда выходных емкостей при номинальной нагрузке. Стандартами определено, что это значение должно быть не больше чем 100ms, но как правило не превышает 20ms.
Output Voltage Overshoot. Определяет допустимую величину выброса при включении блока питания при номинальной нагрузке и при холостом ходе. Тестовыми стандартами определена величина <5% от номинального напряжения при любых условиях эксплуатации.
Output Voltage Undershoot. По сути обратный Overshoot-у процесс, который приводит к появлению отрицательного напряжения относительно земли и возникает на падающем фронте сигнала, которое может непреднамеренно привести к непредсказуемым последствиям. Чаще всего тестовыми стандартами определяется величина <10% от номинального напряжения при любых условиях эксплуатации.
Что такое Output Voltage Overshoot и Output Voltage Overshoot отлично демонстрируется на изображении:
Следующим немаловажным пунктом по проверке блоков питания является тест на определение уровня пульсаций и шумов при различных режимах работы. Чаще всего измеряют уровни пульсаций и шума при номинальной нагрузке, но я лично проверяю при различных значениях линейной нагрузки:
Во время исполнения сценариев фиксируется отклонение напряжения от номинального и учитывается и действующее напряжение и амплитуда отклонения (V peak-to-peak). Результаты в этом случае представляются в виде “Напряжение ± амплитуда шума" с точностью до второго знака включительно. И снимается осциллограмма при измерении в качестве визуального подтверждения.
Так же есть немаловажные требования которые необходимо соблюсти при подобного рода замерах:
Пример схемы тестирования блока питания с USB-выходом:
Примеры осциллограмм пульсаций при различных режимах работы:
В качестве проходных значений устанавливается величина <150mV при любых значениях нагрузки.
В общем случае, если нет заранее заготовленного профиля нагрузки, проверяется способность блока питания выдерживать импульсные, динамические нагрузки. Для себя я составил вот такую таблицу с пяти различными сценариями которые позволяют показать, насколько блок питания пригоден для такого режима эксплуатации:
Прогнав эти сценарии можно понять, до какой степени проседает напряжение, есть ли выбросы по напряжению, и будут ли проблемы с таким блоком питания. Пример осциллограммы одного из сценариев:
Немаловажным аспектом, который необходимо проверять — это разнообразные защиты, которые должны быть предусмотрены в конструкции блока питания. Перечислю также те моменты которые нужно проверить.
Output Over Current Protection и Short circuit protection. Эта защита должна обезопасить от оплавления, перегрева и выхода из строя всего блока питания в ситуациях, когда например в нагрузке возникает короткое замыкание, либо идет потребление тока с превышением. То есть при превышении номинального тока блок питания должен уйти в защиту, но с циклическими попытками восстановить подачу тока раз в несколько секунд, чтобы разовое превышение тока не требовало перезапуска всего блока питания целиком.
Примерный вид осциллограммы хорошо работающей защиты OCP:
Примерный вид осциллограммы хорошо работающей защиты при коротком замыкании:
Обычно OCP должен срабатывать когда нагрузка превышает значение в 115-130% от номинальной. Чаще всего это значение меняется в широком диапазоне от модели к модели блока питания.
Over voltage protection. Ни разу не попадал в ситуацию, когда выходное напряжение выходило за пределы Load Regulation по верхнему ограничению. Но блок питания должен уйти в защиту при превышении выходного напряжения на величину не более чем 150% и должен восстановить работоспособность при устранении причины такой проблемы.
Over-Temperature Protection. Этот пункт подразумевает в моем понимании несколько кейсов. Во-первых, при перегреве блок питания должен уйти в защиту и прекратить свою работу. Во-вторых, превышение окружающей температуры при эксплуатации блока не должно вызывать каких-либо проблем с безопасностью. То есть, блок питания устанавливается в максимальную эксплуатационную температуру с максимальной нагрузкой и до момента отключения, выхода из строя, или по истечению 4 часов тестирования в таких условиях — он не должен создать никаких опасных ситуаций, как с точки зрения пожарной безопасности, так и с точки зрения риска поражения электрическим током.
Дополнительно, по этой теме можно почитать в стандарте IEC 60068-2-2.
Также, бОльшую часть вопросов касающихся безопасности эксплуатации регулируют документы и стандарты:
Это достаточно важный тест, который обычно проводится специализированными лабораториями, которые предоставляют соответствующие документы о прохождении теста. Испытание, которое проводит лаборатория обычно заключается в том, что берется устройство, с которым будет использоваться данный блок питания, на нем включается типовой пользовательский сценарий и с помощью спектроанализатора в безэховой камере на расстоянии от 3 до 10 м. снимается спектр излучения от тестируемого блока в диапазонах 30MHz — 1GHz и 1GHz — 6GHz. По результатам измерений пики излучения не должны превышать пределов определенных в EN50022 Class B и FCC Class B. Плюсом к этому должен обеспечиваться запас не ниже 4dB. В испытаниях обычно проверяется от 4-х и более экземпляров.
Пример спектра с превышением допустимого уровня при анализе EMI:
Вместе с тем, помимо Radiated Emmission проводится так же измерение Conductive Emission т.е. излучение в проводниках в диапазоне 150kHz — 30MHz.
Я не буду раскрывать более детально эту тему, вопросы как тестировать, как готовить оборудование к таким проверкам. Если интересно — можно почитать базовые стандарты на тему EMI IEEE/ANSI C63.4-2014 и IEC 61000-4-4 и подчерпнуть оттуда много интересного, либо написать в комментарии о том, что хотели бы почитать статью на эту тему.
Плюсом к этому можно почитать про эти виды исследований в следующих стандартах:
Один из самых интересных сценариев, который является на текущий момент предметом моего исследования. Результат выполнения этого тестового сценария в идеале должен дать ответ на вопрос “Издаёт ли блок питания какие-либо посторонние звуки, писки которые мешают пользователям?”.
Формально, блок питания с любой стороны прослушивания, при любых условиях нагрузки в акустическом спектре не должен издавать шум более 25 dB (A-Weighted SPL/dB(A)) при размещении микрофона с чувствительностью 50 mV/Pa на расстоянии 10 см. от адаптера. Испытания всегда должны проводиться в безэховой камере с пиковым уровнем фонового шума <20 dB, в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, с коэффициентом взвешивания A.
Но при при формальном соответствии блока питания обозначенным требованиям бывали ситуации когда издаваемый акустический шум так или иначе раздражал людей, если устройство эксплуатировалось в полной тишине. Мной проводилось “прослушивание” на достаточной выборе людей разного возраста самых разнообразных блоков при различных сценариях нагрузки и с различным характером издаваемых блоком шумов. И оказалось действительно, что блок формально может попадать в PASS Criteria, а по факту будет вызывать раздражение у пользователей.
После завершения исследования на эту тему, я планирую написать отдельную статью, как проводилось исследование и какие величины допустимого шума реально не создают проблем пользователям. И плюсом есть желание рассказать о том, каким синтетическим сценарием можно “заставить” блок питания издавать те или иные шумы, как определить, что является источником шумов и т.п.
Разумеется, этим списком тестов — проверка блока питания не ограничивается, при наличии материально-технической базы, времени, возможности можно провести еще ряд исследований:
В этой статье, я постарался рассказать инженерам-разработчикам, аппаратным тестировщикам и всем интересующимся — на что обращать внимание в первую очередь при выборе блока питания для своих устройств. И каким образом проверить, соответствует ли блок питания требованиям и ожиданиям, которые минимизируют вероятные риски во время эксплуатации.
В следующей статье я расскажу о том, каким оборудованием, можно было бы реализовать описанные проверки. Следите за новостями, подписывайтесь на меня. Спасибо за внимание!
В этом цикле статей я хотел бы подробно рассказать, как я подхожу к решению задачи по тестированию блоков питания. В первой статье из цикла я собираюсь ответить на вопросы: на какую информацию Я опираюсь при составлении методик испытания, какие тесты и при каких условиях нужно провести и что является критериями для вынесения вердикта.
Всем интересующимся — добро пожаловать под кат!
❯ Предыстория
Я уже относительно длительное время являюсь инженером по аппаратному тестированию и повидал немало разнообразных источников питания, использование которых в продакшене могло бы привести к серьезным негативным последствиям. И так как блок питания является основой любого электронного изделия, для обеспечения высокого качества и надежности в работе устройств — необходима проверка его эксплуатационных характеристик и конструктивных ограничений. Отсутствие какого либо тестирования ставит под угрозу успешность всего проекта и делает разработчика уязвимым перед потенциально неприятными ситуациями, особенно если проблемы начнут возникать после того, как продукты уже выпущены и положены на полки магазинов или переданы клиенту.
Почти всегда в обычных условиях эксплуатации блоки питания работают без каких-либо проблем. Но нередки ситуации когда блоки питания находятся “на грани”, например, может работать нормально в обычных условиях, но когда источник питания нагревается или охлаждается, или когда компоненты стареют, его характеристики могут измениться до такой степени, что подключенное устройство может выйти из строя.
Очень часто производители применяют не надежные технические решения, которые приводят к проблемам, которые я могу с удовольствием перечислить целым списком:
- используется слишком дешевая, не проверенная, компонентная база и блоки питания очень быстро выходят из строя при любых малейших отклонениях в условиях эксплуатации;
- производитель не тестирует блок питания на нагрев и блок питания перегреваются, начиная представлять реальную опасность;
- в угоду экономии блок питания имеет небольшой запас по мощности и уходит в защиту по Over Current Protection едва достигнув (а иногда и нет) номинальной мощности;
- блоки питания, свистят, пищат и издают разнообразные акустические шумы, связанные с пьезоэффектом керамических конденсаторов, вибрацией трансформатора и т.д.;
- слишком большие просадки напряжения при динамической нагрузке приводят к отключению устройства, которое питается от этого блока;
- слишком большие величины пульсаций выходного тока, которые приводят к общей нестабильности работы питаемого устройства.
И этот список можно продолжать очень долго, и в конечном итоге хотелось бы подстраховать себя от возможных рисков, ведь чем ближе проект к завершению — тем дороже потом обойдется исправление допущенных ошибок.
Тестирование блока питания по сути своей не является сложным делом. Нужно только хорошо понимать, какие тесты необходимы и как их правильно выполнять и в этом цикле статей я хотел бы рассказать обо всём, что знаю про тестирование блоков питания, как это делается, на что опереться при выборе критериев тестирования и как можно было бы автоматизировать часть рутины при тестировании. Всех интересующихся приглашаю в этот увлекательный экскурс. Поехали!
❯ Постановка задачи
Как обычно, прежде чем приступить написанию целого цикла статей я разбил эту большую тему на вполне конкретные вопросы. Для того чтобы описать, как же тестировать блоки питания — я поставил перед собой вопросы, которые требовали вполне конкретных ответов:
- Какой нормативной базой можно воспользоваться для определения условий и методик испытания?
- Тестирование каких блоков питания и с какими характеристиками мы будем рассматривать в качестве объекта тестирования?
- Какие тесты и по какой методике мы будем проводить на стенде?
- Какое оборудование потребуется и подойдет для реализации тестового стенда?
- Как интерпретировать результаты измерений и какие результаты считать удовлетворительными, а какие неприемлемыми?
- Как автоматизировать управление измерительными устройствами?
- Как создать удобное средство для формирования отчетов о тестировании?
Ответы на эти вопросы во многом дадут понимание, как же мной осуществляется тестирование блоков питания и как можно избежать потенциальных проблем в будущем. И в этой статье я отвечу на первые три.
Так же, я, пожалуй, сделаю несколько важных оговорок, во избежание скорых выводов о материалах и для недопущения неоправданных ожиданий читателя:
- Анализ схемотехники блоков питания в этом случае я намеренно опускаю, т.к. моя цель заключается в том, чтобы провести оценку уже готового изделия, который устраивает нас по заявленным параметрам. При начале тестовых исследований я беру за основу то, что все блоки питания которые реализованы схемотехнически “неудачно” — уже были отсеяны на этапе анализа документации. Но если есть желание, чтобы я рассказал о примерах анализа нескольких экземпляров — пишите об этом в комментариях;
- В своем рассказе я не буду претендовать на метрологический уровень исследования DUT (Device Under Test) и лишь дам информацию о том, на основании каких данных можно вынести вердикт по тому или иному DUT;
- Абсолютно точно, могу сказать, что мой подход не претендует на избыточность и всеобъемлющую полноту;
- Возможно, громкое слово «методика» вряд ли применимо к содержимому этой статьи. Кому будет резать глаз такая формулировка — считайте, что это просто методические рекомендации для проведения испытаний.
❯ Определение нормативной базы для испытаний
Прежде чем начинать какое-либо испытание или исследование — необходимо определиться с отправными точками, на что мы будем опираться при составлении методики испытания. Проводить подробного анализа, откуда, что и какие значения взяты за основу требований будет излишним т.к. по этой теме можно написать целую книгу. Вместо этого, я по ходу описания некоторых тестовых сценариев постараюсь ссылаться на источник конкретных значений, а сейчас лишь приведу базовые стандарты и полезные материалы.
Очень интересным показался документ от Intel “ATX Version 3.0 Multi Rail Desktop Platform Power Supply. Design Guide”. Ценнен не столько сам документ, сколько то, что в нем можно найти список определяющих стандартов, методик, требований и технических условий, с опорой на которые осуществляется разработка блоков питания ATX. Во многом эта информация может быть полезна для выработки конечных требований.
Сайт компании AGC тоже показался интересным, т. к. на приведенной странице перечислены стандарты, используя которые, компания осуществляет свою деятельность. Познакомившись с этими стандартами, можно узнать много интересного.
Другой, очень сайт, который я нашел когда готовил статью — сайт компании Cybernetics Labs которая занимается сертификационными испытаниями в части PSU Efficiency и Noise Level. Хотелось бы конечно более подробного описания тестовых методик и тестового оснащения — но, в целом, почитать было интересно. Тут описана методология, а тут тестовое оснащение. Рекомендую к прочтению.
Дополнительно упомяну сайт Siemens c перечислением стандартов на которые стоит обратить внимание при разработке тестовых методик и параметров тестирования.
Так же, у меня в арсенале оказалось порядка десяти разнообразных отчетов о тестировании разных блоков питания, чьи PASS/FAIL критерии я также взял в качестве основы для методик и параметров своего будущего стенда. По ходу описания тестовых сценариев — я приведу некоторые из них.
❯ Что будем тестировать?
Пролистав огромное количество стандартов, разнообразных методик тестирования и материалов по теме — Я заложил для себя базу того, на что опереться при составлении плана тестирования, понимание того, как тестировать, на какие значения опираться и теперь можно смело переходить к определению того, а что же мы в итоге будем тестировать.
Среди всех возможных блоков питания, есть те, с которыми мне приходится работать чаще всего — это как правило импульсные преобразователи с выходным напряжением от 5V до 20V. Мощности этого ассортимента блоков обычно зависят от устройства с которым идут в комплекте. В моем случае — это и 7.5W маломощные обратноходовые преобразователи, и 65W блоки с USB Power Delivery для относительно мощных потребителей с различными профилями нагрузки.
Охватив взором весь ассортимент возможных DUT — получается следующий набор базовых характеристик:
- выходные напряжения от 5V до 20V;
- выходной ток от 1.5A до 3.25А;
- выходная мощность от 7.5W до 65W;
- поддержка USB Power Delivery.
Но это скорее будет играть роль при выборе измерительного оборудования, нежели при составлении тестовых сценариев т.к. они плюс-минус общие для большинства импульсных измерителей. Поэтому просто возьмем это на заметку и перейдем к перечислению тестовых сценариев и критериев для вынесения оценки.
❯ Тестовые сценарии. Температурные условия
Итак, определив, что будем тестировать — стоит перейти к перечислению того, в каких тестовых сценариях мы будем проводить проверки и потом на базе этой информации можно будет понять, какое тестовое оборудование и с какими характеристиками нам потом понадобится. К слову. Этому вопросу будет посвящена вторая статья в цикле.
Вне зависимости от того, насколько прост или сложен блок питания — он должен быть протестирован, для того, чтобы убедиться в том, что источник питания работает должным образом и соответствует заявленным требованиям. Чаще всего, такие требования составляются исходя из параметров разрабатываемого устройства и условий применения устройства и на основании этих требований составляется общая стратегия тестирования и тест-план. В таком тестовом плане должно быть отражены все допустимые эксплуатационные пределы, температурные условия эксплуатации, параметры входного и выходного напряжения, которые считаются нормальными и питаемое устройство должно работать без сбоев и что все необходимые запасы соответствуют требованиям.
С этого мы и начнём. Определим внешние условия, в которых будут осуществляться тесты блоков питания. В идеале, тесты необходимо проводить при двух температурных режимах работы:
- температура в +25С, которая считается нормальными условиями для эксплуатации, при относительной влажности от 10% до 90%;
- температура в +35С, которая считается верхним пределом нормальных условий для эксплуатации, при относительной влажности от 10% до 90%.
Существуют также дополнительные проверки, которые необходимо производить при исследовании блоков питания:
- проверка нагрева каждого из ключевых внутренних компонентов при температуре +25С и при +35С. Обычно это выглядит вот так:
- проверка при температуре в +40С, на предмет превышения температуры электронных компонентов выше 90% от максимальной температуры эксплуатации компонента при номинальной нагрузке;
- проверка при температуре в +45С, на предмет превышения температуры электронных компонентов выше максимальной температуры эксплуатации компонента при номинальной нагрузке;
- “холодный старт” блока питания после нахождения в течение 2-х часов в температуре -10С с контролем выходного напряжения при номинальной нагрузке.
В этом случае, необходимо обеспечить вокруг тестируемого устройства термостабильные условия с помощью соответствующей термокамеры (с конвекционным обдувом и без него), проверять тепловизором и термопарами, нет ли перегрева отдельных компонентов при эксплуатации при длительной нагрузке.
Помимо этого, обязательно нужно проводить изучение уровня нагрева корпуса блока питания, чтобы температура не превышала безопасных значений. При нормальной температуре эксплуатации в +25С температура поверхности блока питания (в т.ч. при номинальной нагрузке) не должна превышать +60С (по сути дельта по температуре должна быть не больше 35 градусов по отношению к окружающей температуре).
Контроль температуры поверхности блока питания можно производить не только термопарами, но и с помощью тепловизора:
Тему с термоиспытаниями различных электронных приборов тоже можно развить до целой серии статей или даже книги, если есть такая необходимость — напишите об этом комментарий. Возможно получится эту тему рассмотреть в будущих статьях.
Итак, после проверки того, что устройство безопасно в длительной перспективе и не представляет собой пожароопасный объект можно переходить к контролю электрических параметров.
❯ Тестовые сценарии. Входное напряжение
Перейдем к параметрам сети электропитания, которые также являются внешними условиями эксплуатации. У большинства блоков питания, которые я исследую номинальное входное напряжение 100-240 VAC при частоте переменного тока в 50-60 Hz. Поэтому при исследовании можно сформировать несколько сценариев для проверки того, как блок питания поведет себя при разных условиях и зафиксировать в таблицу выходное напряжение при номинальной нагрузке блока питания:
Плюсом сюда можно добавить сценарий проверки блока питания на устойчивость к кратковременным и длительным скачкам напряжения. В этом режиме также нужно отслеживать, сколько вольт выходного напряжения у блока питания, чтобы исключать ситуацию повреждения подключенного к блоку устройства:
Перечислю также вполне конкретные тест-кейсы которые необходимо провести для определения качества исполнения блока питания, связанные с первичной, называемой “горячей”, частью блока питания.
AC Inrush Current, что означает — ток зарядки входных емкостей. Чаще всего, проходным критерием считается то, что пиковое значение тока не должно превышать 60А при длительности процесса заряда не дольше 500μs. В некоторых маломощных источниках питания приводится величина в 40А.
Тест проводится, как правило, при холодном старте с номинальной нагрузкой, на отдельном стенде на блоке в разобранном состоянии с подключением к элементам, на которых можно зафиксировать падение напряжения и рассчитать ток заряда. Приведу пример осциллограмм с такого теста:
Также этот тест может быть использован в качестве relaibility-теста когда производится циклическое включение\выключения блока, и что в итоге не должно приводить к выходу его из строя.
Input discharge. После отключения питания на клеммах блока питания напряжение с выпрямляющей емкости должно снизиться до уровня ниже 42.4V за время меньше 1 секунды.
Power Consumption. Проводится проверка собственного потребления мощности блока без нагрузки. В случае разных блоков обычно определяются свои собственные значения потребления, которые обычно колеблются в районе 100 — 200mW.
Leakage current. Производится проверка тока утечки при максимальном напряжении 264V и это значение не должно превышать значения 0.25mA.
❯ Тестовые сценарии. Выходное напряжение и КПД
Первый параметр, который обычно проверяют при оценке характеристик выходного напряжения блока питания — способность удерживать выходное напряжение в рабочем диапазоне вне зависимости от текущей нагрузки. Стандартами индустрии определено, что значение выходного напряжения при любом значении нагрузки (от 0% до 100%) не должно выходить за рамки ± 5% от номинального.
Соответственно при этом тесте необходимо провести полный цикл проверки с фиксацией значения напряжения и должен будет получиться график вида:
Следующим шагом необходимо оценить КПД блока питания. Существует целый перечень стандартов, регулирующих минимальную величину КПД при нагрузке и при ее отсутствии. Приведу таблицу со стандартами регулирующими эти значения:
Таким образом, в зависимости от того, кто будет оценивать результат — приемлемый уровень КПД будет разным и для себя я взял значение значение КПД ≥ 70% при нагрузке от 0% до 10% и КПД ≥ 80% при нагрузке от 10% до 100%. Количество потребляемой мощности в простое (без нагрузки) должно быть ≤100mW.
Так же необходимо проводить тестирование с длительной фиксацией значения КПД, которая не должна падать с увеличением длительности непрерывной эксплуатации.
При проведении теста, для наглядности можно сделать полный прогон по всему диапазону мощностей, чтобы получить график вида:
Внимание! Вероятно, такой способ увеличения нагрузки линейно от 0% до 100% может внести некоторые искажения в результаты в сторону улучшения картины т.к. измерение производится не в дискретных точках, а плавным повышением величины нагрузки. Поэтому надо запомнить этот момент и дополнительно изучить его.
В дополнение к этому — полученные цифры точно будут отличаться, от результатов измерения если их провести с PCBА блока питания без использования шнура, который подключается к устройству. Кстати, если провести такое испытание — можно узнать величину падения напряжения на кабеле и проверить соответствует ли он заявленной величине AWG от производителя (это стандартное обозначение сечения проводников в тех, или иных продуктах).
Итак, перечислю остальные тестовые кейсы связанные с параметрами выходного напряжения.
Turn On Delay Time. Время задержки появления выходного напряжения после подачи питания. Чаще всего определяется так, что время задержки должно быть не больше 1 секунды при напряжении питания 230VAC и не больше 2 секунд при напряжении питания 90-115VAC. Стандартами определяется значение <3 секунд при номинальной нагрузке:
Shut Down Hold Up Time. После отключения питания время удержания номинального напряжения при номинальной нагрузке должно быть больше чем 5ms:
Output Voltage Rise Time. Этот параметр определяет, сколько времени потребуется на формирование номинального выходного напряжения и по сути длительность нарастания фронта напряжения. Это время может сильно варьироваться и обычно влияние величины этого времени на работоспособность незначительно. Стандартами определено, что это значение должно быть не больше чем 100ms, но как правило в большинстве блоков питания, не превышает 10ms.
Output Voltage Fall Time. Этот параметр определяет время падения фронта напряжения при отключении блока питания из сети, по сути показывая время разряда выходных емкостей при номинальной нагрузке. Стандартами определено, что это значение должно быть не больше чем 100ms, но как правило не превышает 20ms.
Output Voltage Overshoot. Определяет допустимую величину выброса при включении блока питания при номинальной нагрузке и при холостом ходе. Тестовыми стандартами определена величина <5% от номинального напряжения при любых условиях эксплуатации.
Output Voltage Undershoot. По сути обратный Overshoot-у процесс, который приводит к появлению отрицательного напряжения относительно земли и возникает на падающем фронте сигнала, которое может непреднамеренно привести к непредсказуемым последствиям. Чаще всего тестовыми стандартами определяется величина <10% от номинального напряжения при любых условиях эксплуатации.
Что такое Output Voltage Overshoot и Output Voltage Overshoot отлично демонстрируется на изображении:
❯ Тестовые сценарии. Пульсации и шум
Следующим немаловажным пунктом по проверке блоков питания является тест на определение уровня пульсаций и шумов при различных режимах работы. Чаще всего измеряют уровни пульсаций и шума при номинальной нагрузке, но я лично проверяю при различных значениях линейной нагрузки:
- при работе блока питания без нагрузки (в режиме простоя), когда к блоку питания не подключено ничего;
- при нагрузке в 10%, 25%, 50%, 75%, 100% и при перегрузке в 110%.
Во время исполнения сценариев фиксируется отклонение напряжения от номинального и учитывается и действующее напряжение и амплитуда отклонения (V peak-to-peak). Результаты в этом случае представляются в виде “Напряжение ± амплитуда шума" с точностью до второго знака включительно. И снимается осциллограмма при измерении в качестве визуального подтверждения.
Так же есть немаловажные требования которые необходимо соблюсти при подобного рода замерах:
- на осциллографе использовать при измерениях ширину полосы в 20МГц;
- место к которому производится подключение осциллографа нагрузки должно иметь в схеме подключения bypass керамическую ёмкость номиналом 100nF и параллельным 10μF электролитическим конденсатором;
- Измерения пульсаций должны производиться при минимальном DCR кабеля в 150 mΩ ± ± 20 mW round trip impedance.
Пример схемы тестирования блока питания с USB-выходом:
Примеры осциллограмм пульсаций при различных режимах работы:
В качестве проходных значений устанавливается величина <150mV при любых значениях нагрузки.
❯ Тестовые сценарии. Динамическая нагрузка
В общем случае, если нет заранее заготовленного профиля нагрузки, проверяется способность блока питания выдерживать импульсные, динамические нагрузки. Для себя я составил вот такую таблицу с пяти различными сценариями которые позволяют показать, насколько блок питания пригоден для такого режима эксплуатации:
Прогнав эти сценарии можно понять, до какой степени проседает напряжение, есть ли выбросы по напряжению, и будут ли проблемы с таким блоком питания. Пример осциллограммы одного из сценариев:
❯ Тестовые сценарии. Защиты
Немаловажным аспектом, который необходимо проверять — это разнообразные защиты, которые должны быть предусмотрены в конструкции блока питания. Перечислю также те моменты которые нужно проверить.
Output Over Current Protection и Short circuit protection. Эта защита должна обезопасить от оплавления, перегрева и выхода из строя всего блока питания в ситуациях, когда например в нагрузке возникает короткое замыкание, либо идет потребление тока с превышением. То есть при превышении номинального тока блок питания должен уйти в защиту, но с циклическими попытками восстановить подачу тока раз в несколько секунд, чтобы разовое превышение тока не требовало перезапуска всего блока питания целиком.
Примерный вид осциллограммы хорошо работающей защиты OCP:
Примерный вид осциллограммы хорошо работающей защиты при коротком замыкании:
Обычно OCP должен срабатывать когда нагрузка превышает значение в 115-130% от номинальной. Чаще всего это значение меняется в широком диапазоне от модели к модели блока питания.
Over voltage protection. Ни разу не попадал в ситуацию, когда выходное напряжение выходило за пределы Load Regulation по верхнему ограничению. Но блок питания должен уйти в защиту при превышении выходного напряжения на величину не более чем 150% и должен восстановить работоспособность при устранении причины такой проблемы.
Over-Temperature Protection. Этот пункт подразумевает в моем понимании несколько кейсов. Во-первых, при перегреве блок питания должен уйти в защиту и прекратить свою работу. Во-вторых, превышение окружающей температуры при эксплуатации блока не должно вызывать каких-либо проблем с безопасностью. То есть, блок питания устанавливается в максимальную эксплуатационную температуру с максимальной нагрузкой и до момента отключения, выхода из строя, или по истечению 4 часов тестирования в таких условиях — он не должен создать никаких опасных ситуаций, как с точки зрения пожарной безопасности, так и с точки зрения риска поражения электрическим током.
Дополнительно, по этой теме можно почитать в стандарте IEC 60068-2-2.
Также, бОльшую часть вопросов касающихся безопасности эксплуатации регулируют документы и стандарты:
- EN/IEC 60950-1+A1+A2+A11+A12;
- EN-62368
- GB4943.1;
- UL 60950-1;
- IS13252, part 1.
❯ Тестовые сценарии. Электромагнитная совместимость
Это достаточно важный тест, который обычно проводится специализированными лабораториями, которые предоставляют соответствующие документы о прохождении теста. Испытание, которое проводит лаборатория обычно заключается в том, что берется устройство, с которым будет использоваться данный блок питания, на нем включается типовой пользовательский сценарий и с помощью спектроанализатора в безэховой камере на расстоянии от 3 до 10 м. снимается спектр излучения от тестируемого блока в диапазонах 30MHz — 1GHz и 1GHz — 6GHz. По результатам измерений пики излучения не должны превышать пределов определенных в EN50022 Class B и FCC Class B. Плюсом к этому должен обеспечиваться запас не ниже 4dB. В испытаниях обычно проверяется от 4-х и более экземпляров.
Пример спектра с превышением допустимого уровня при анализе EMI:
Вместе с тем, помимо Radiated Emmission проводится так же измерение Conductive Emission т.е. излучение в проводниках в диапазоне 150kHz — 30MHz.
Я не буду раскрывать более детально эту тему, вопросы как тестировать, как готовить оборудование к таким проверкам. Если интересно — можно почитать базовые стандарты на тему EMI IEEE/ANSI C63.4-2014 и IEC 61000-4-4 и подчерпнуть оттуда много интересного, либо написать в комментарии о том, что хотели бы почитать статью на эту тему.
Плюсом к этому можно почитать про эти виды исследований в следующих стандартах:
- EN 55032;
- EN 55024;
- GB/T9254;
- GB17625.1;
- GB17837;
- FCC Part 15 subpart B and CISPR 22.
❯ Тестовые сценарии. Акустический шум
Один из самых интересных сценариев, который является на текущий момент предметом моего исследования. Результат выполнения этого тестового сценария в идеале должен дать ответ на вопрос “Издаёт ли блок питания какие-либо посторонние звуки, писки которые мешают пользователям?”.
Формально, блок питания с любой стороны прослушивания, при любых условиях нагрузки в акустическом спектре не должен издавать шум более 25 dB (A-Weighted SPL/dB(A)) при размещении микрофона с чувствительностью 50 mV/Pa на расстоянии 10 см. от адаптера. Испытания всегда должны проводиться в безэховой камере с пиковым уровнем фонового шума <20 dB, в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц, с коэффициентом взвешивания A.
Но при при формальном соответствии блока питания обозначенным требованиям бывали ситуации когда издаваемый акустический шум так или иначе раздражал людей, если устройство эксплуатировалось в полной тишине. Мной проводилось “прослушивание” на достаточной выборе людей разного возраста самых разнообразных блоков при различных сценариях нагрузки и с различным характером издаваемых блоком шумов. И оказалось действительно, что блок формально может попадать в PASS Criteria, а по факту будет вызывать раздражение у пользователей.
После завершения исследования на эту тему, я планирую написать отдельную статью, как проводилось исследование и какие величины допустимого шума реально не создают проблем пользователям. И плюсом есть желание рассказать о том, каким синтетическим сценарием можно “заставить” блок питания издавать те или иные шумы, как определить, что является источником шумов и т.п.
❯ Тестовые сценарии. Другие
Разумеется, этим списком тестов — проверка блока питания не ограничивается, при наличии материально-технической базы, времени, возможности можно провести еще ряд исследований:
- тест на устойчивость работы при воздействии горячего и влажного воздуха, регулируется стандартом IEC 60068-2-30;
- тест на устойчивость к падениям, регулируется стандартом IEC 60068-2-32;
- тест на устойчивость к вибрационным воздействиям, регулируется стандартом IEC 60068-2-6;
- тест на устойчивость к работе в условиях низких температур, регулируется стандартом IEC 60068-2-1;
- тест на устойчивость к воздействию солевыми растворами, регулируется стандартом IEC 60068-2-52.
❯ Подводя итог
В этой статье, я постарался рассказать инженерам-разработчикам, аппаратным тестировщикам и всем интересующимся — на что обращать внимание в первую очередь при выборе блока питания для своих устройств. И каким образом проверить, соответствует ли блок питания требованиям и ожиданиям, которые минимизируют вероятные риски во время эксплуатации.
В следующей статье я расскажу о том, каким оборудованием, можно было бы реализовать описанные проверки. Следите за новостями, подписывайтесь на меня. Спасибо за внимание!
Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.
Насколько статья показалась вам интересной и полезной?
26.32% В целом неплохо, пригодится в работе20
65.79% Отлично! Пишите еще!50
7.89% Так себе, на разок прочитать6
0% Из ряда вон плохо! Сейчас напишу комментарий…0
Проголосовали 76 пользователей. Воздержались 8 пользователей.
