УДК 535.131

Измерение некоторых характеристик DC/DC-преобразователей с использованием осциллографов Rigol серии MSO8000

 

Лемешко Н.В. (д.т.н., зам. нач. отдела АО «Корпорация «Комета», 

Савкин А.М. (инженер по применению)

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» №№10,11-2025.

Ключевые слова: DC/DC-преобразователь, классификация, осциллограф, импульсная помеха, фильтр-стабилизатор импеданса, частота широтно-импульсной модуляции.

 

В статье рассмотрены способы измерения специализированных характеристик DC/DC-преобразователей. Впервые приведена классификация таких преобразователей с обобщением их классификационных признаков, которую, по мнению авторов, можно считать отвечающей требованиям полноты и универсальности. Проанализирована номенклатура наиболее важных характеристик преобразователей, которую предложено дополнить показателями эмиссии кондуктивных помех и передачи нестабильности входного напряжения в выходное. Для последних составлены схемы измерений, выявлены требования к средствам и условиям измерений. Представлены результаты измерений некоторых параметров для DC/DC-преобразователя RUICHI EM-843, полученные с использованием осциллографа Rigol MSO8204 и источника электропитания Rigol DP932.

 

Введение

В настоящее время широко распространен принцип проектирования, основанный на системной интеграции функционально завершенных электронных модулей. Одним из наиболее распространенных типов таких модулей являются DC/DC-преобразователи. Их роль в современной электронике трудно переоценить, причем от качества и надежности их работы во многом зависят такие же свойства электронных устройств (ЭУ). Назначением таких преобразователей является получение одного или нескольких напряжений постоянного тока из постоянного напряжения, поступающего от внешнего источника, т.е. они являются основными элементами систем электропитания ЭУ. В дальнейшем изложении DC/DC-преобразователи для краткости иногда будем называть просто преобразователями.

Широкое распространение DC/DC-преобразователей обусловлено следующими причинами. Во-первых, существенно снизились напряжения электропитания интегральной компонентной базы с одновременным повышением потребляемого тока, в то время как такое же снижение напряжения питания ЭУ оказывается неудобным для конечного потребителя, ориентированного на стандартные постоянные напряжения, например, 6, 12 или 24 В. Во-вторых, для схем многих ЭУ более-менее сложной функциональности требуется несколько стабилизированных напряжений, что побуждает разработчиков вводить в систему электропитания соответствующие узлы, в т.ч. в целях снижения зависимости от качества первичного постоянного напряжения. В-третьих, существенную роль играет фактор стоимости: при крупносерийном производстве цена DC/DC-преобразователей заметно снижается и почти не влияет на цену ЭУ для конечного потребителя.

Современный рынок DC/DC-преобразователей предлагает их как в интегральном, так и в модульном исполнении. Основные характеристики преобразователей приводятся в спецификациях, однако потребность в их измерениях может возникнуть в следующих случаях:

— при выборочном контроле качества партии приобретенных преобразователей;

— при диагностике и ремонте преобразователей;

— при проведении ресурсных и специальных испытаний.

Классификация DC/DC-преобразователей

Преобразователи используются в устройствах управления в промышленности, схемах распределения электроэнергии, связи, транспорта, схемах сигнализации, измерительных приборах, медицинском оборудовании, автомобилестроении, возобновляемых источниках энергии, компьютерах, оргтехнике, военной, авиационной и многих других областях. Это определяет различия в их назначении, конструкции, принципах преобразования напряжений и, конечно же, многообразие классификационных признаков. Общим для всех DC/DC-преобразователей является принцип их функционирования, согласно которому входное постоянное напряжение импульсно преобразуется в переменное, как правило, с частотой несколько десятков и даже сотен килогерц, повышается или понижается, а затем выпрямляется и подается в нагрузку. Исходя из этого, DC/DC-преобразователи часто называют импульсными.

Рис. 1. Типовая структурная схема DC/DC-преобразователя с управлением силовым ключом с использованием широтно-импульсной модуляции

Типовая структурная схема DC/DC-преобразователя представлена на рис. 1. Управление постоянным током, поступающим от источника электропитания, осуществляется при помощи силового ключа, работающего в импульсном режиме. Он включен последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, выходное напряжение которого представлено импульсами с длительностью и амплитудой, зависящей от сигнала с широтно-импульсной модуляцией. Для получения выходного постоянного напряжения эти импульсы поступают на выпрямитель и далее — на выходной фильтр. Выходное напряжение подается как на нагрузку, так и на контроллер, который формирует управляющее воздействие для широтно-импульсного модулятора. Элементы для накопления энергии обычно размещаются до силового ключа и после импульсного трансформатора, что позволяет сгладить импульсы отбора тока от источника и повысить стабильность выходного напряжения DC/DC-преобразователя, снизить его пульсации. Данная схема отражает характерный признак всех импульсных источников электропитания — наличие силового ключа, а также выпрямителя и фильтра, которые вместе иногда называют непрерывной или линейной частью. Входной фильтр снижает эмиссию кондуктивных помех в питающую сеть и устанавливается в целях обеспечения электромагнитной совместимости. В качестве силовых ключей используются мощные биполярные и полевые транзисторы разных типов и технологий производства.

Классификационная схема DC/DC-преобразователей, представленная на рис. 2, выработана на основе обзора ряда источников, основными из которых являются [1 – 6], и публикуется впервые. Она охватывает более десятка классификационных признаков, по которым ниже будут даны только необходимые комментарии.

DC/DC-преобразователи по исполнению принято разделять на интегральные и модульные. Интегральный вариант предполагает установку на плату минимального количества дополнительных элементов, обеспечивающих либо повышение мощности преобразователя до требуемого уровня, либо фильтрацию и регулирование. Основными из таких элементов являются силовые ключи и накопительные емкости. Модульное исполнение предполагает конструкцию DC/DC-преобразователя в виде законченных, иногда и помещенных в корпуса изделий, устанавливаемых в ЭУ как отдельные покупные единицы.

DC/DC-преобразователи могут иметь фиксированную или произвольную полярность входного напряжения, причем последний случай обычно соответствует реверсивному выходному напряжению, которое требуется, например, для управления двигателями постоянного тока. DC/DC-преобразователи с фиксированной полярностью входного напряжения могут быть как неинвертирующими, так и инвертирующими, т.е. меняющими полярность выходного напряжения относительно общей точки подключения входа и выхода. Некоторые типы преобразователей способны работать с входными напряжениями произвольной полярности, сохраняя на выходе напряжение одной и той же заданной полярности. Типовым применением инвертирующих преобразователей является получение двухполярного напряжения для электропитания операционных усилителей.

По степени пропорциональности между входным и выходным напряжениями преобразователи разделяются на стабилизированные и нестабилизированные. Простейшим примером нестабилизированного преобразователя является резистивный делитель напряжения, который, конечно же, не имеет ничего общего со схемой на рис. 1. Нестабилизированные схемы как наиболее дешевые могут вообще не включать ни силовых ключей, ни цепей управления ими, ни даже какой-либо следящей обратной связи, и применяются для потребителей, не критичных к уровню напряжения питания, например, твердотельных реле, электродвигателей постоянного тока (ЭДПТ) для некоторых применений, логических схем на КМОП-элементах, газоразрядных счетчиков. Однако большинство DC/DC-преобразователей выдают потребителям стабилизированное напряжение, чему способствует сама суть используемых принципов управления накоплением энергии.

Рис. 2. Классификационные признаки DC/DC-преобразователей

В качестве накопительных элементов DC/DC-преобразователей могут использоваться индуктивности и емкости, от чего принципиально зависит режим работы управляющих ключей. Емкостные элементы применяются в случае сравнительно небольшой мощности преобразователей как наиболее дешевые и не содержащие дорогостоящих обмоточных изделий, исключая, возможно, внутренние развязывающие трансформаторы. Если выходная мощность преобразователя свыше 500 Вт, то целесообразно использовать индуктивности или гибридные схемы включения накопительных элементов.

Необходимость гальванической развязки между входом и выходом DC/DC-преобразователей возникает в случае особых требований по электробезопасности, при их использовании в технологических установках с предполагаемым наличием «плавающих земель». Такое решение применяется и в случае отсутствия «чистого» заземления, препятствующего нормальной работе чувствительных узлов ЭУ из-за распространения помех по цепям электропитания.  Для его реализации используются трансформаторы. Одноканальные преобразователи с гальванической развязкой имеют обычно четыре точки подключения. Она позволяет выдерживать повышенную разность потенциалов между входом и выходом, за счет чего удается создавать преобразователи для потребителей напряжения в несколько сотен вольт.

Пожалуй, наиболее необычным и непривычным классификационным признаком DC/DC-преобразователей является обратимость преобразования энергии. Необратимые преобразователи способны передавать энергию строго в одном направлении, т.е. от системы электропитания к потребителю, в то время как обратимые соединяют две системы электропитания с разными напряжениями. Обратимые преобразователи применяются для взаимного резервирования устройств и систем по электропитанию, а также в системах с аккумуляторными батареями и рекуператорами [1]. Таким образом, обратимые DC/DC-преобразователи имеют весьма узкую область применения.

По принципу управления силовыми ключами DC/DC-преобразователи делятся на устройства с позиционным и импульсным управлением [2]. Первый тип преобразователей относится к релейному классу, принцип их действия основан на том, что при выходе напряжения за некоторые границы меняется состояние автоколебательного режима некоторой схемы, формирующей управляющее воздействие на силовой ключ. Типовым для таких решений является использование триггеров Шмидта, их недостаток состоит в большом уровне пульсаций выходного напряжения. Позиционное регулирование предполагает цикличность смены насыщения и отсечки силовых ключей при пересечении выходным напряжением преобразователя некоторого порогового уровня. Если такой уровень единственный, то речь идет об однопозиционном регулировании, если два — то о двухпозиционном регулировании, причем последнее позволяет заметно повысить точность поддержания выходного напряжения, в первом приближении устанавливая границы его регулирования. Достоинством преобразователей с позиционным управлением является простота их схемотехники, недостатком — значительные пульсации выходного напряжения, неприемлемые для чувствительных потребителей.

Наибольшее распространение в настоящее время получили DC/DC-преобразователи с импульсным управлением, в которых применяются импульсные модуляторы. В зависимости от конкретного решения они формируют сигналы с частотно-импульсной, фазо-импульсной или широтно-импульсной модуляцией (ЧИМ, ФИМ, ШИМ соответственно), характеристики которой зависят от уровня выходного напряжения. Преобразователи с ШИМ вполне заслуженно получили наибольшее распространение по причине удобства использования таких сигналов для управления силовыми ключами и распространенности интегральных ШИМ-модуляторов. В зависимости от конкретного преобразователя при ШИМ могут изменяться либо длительность импульса, либо пауза, либо и то, и другое, ведь в конченом счете результат управления определяет интеграл от сигнала с ШИМ. Это справедливо также для применения ЧИМ и ФИМ.

Применение импульсной модуляции характеризуется интервалом наблюдения за выходным сигналом для выработки управляющего воздействия. Если DC/DC-преобразователь работает на холостом ходу или с постоянным током нагрузки, то это параметр не играет существенной роли. Однако если нагрузка характеризуется импульсным потреблением тока с длительностью порядка частоты ШИМ, то это способно приводить к повышению пульсаций выходного напряжения. Для таких нагрузок интервал наблюдения следует выбирать существенно больше периода ШИМ.

По количеству зон управления DC/DC-преобразователи подразделяются на однозонные и многозонные [1]. Первая, наиболее распространенная группа характеризуется импульсной модуляцией на всю возможную глубину. Многозонные преобразователи характеризуются разделением на несколько преобразующих секций со структурой, в целом соответствующей представленной на рис. 1. Выходы таких секций могут включаться последовательно, параллельно или смешенным способом, а входы — подключаться к одному или нескольким источникам постоянного тока. В каждой секции импульсная модуляция осуществляется на глубину, меньшую полной в соответствующее количеству секций целое число раз. В каждой из них импульсная модуляция происходит поочередно и с равными интервалами, и напряжение регулируется в пределах одной зоны. Ясно, что многозонные преобразователи имеют куда более сложную схемотехнику, чем однозонные. Их достоинствами являются меньшие масса входных и выходных фильтров и пульсации выходного напряжения за счет кратно большей эффективной частоты управления. Для них характерны в среднем меньшие коэффициенты нагрузки элементов и более высокая надежность за счет того, что выход из строя любой ячейки при достаточном их количестве не влечет за собой полный отказ преобразователя. Многозонные преобразователи являются фактически единственным приемлемым решением, когда необходимо:

— повысить входное напряжение, не применяя несколько последовательно соединенных ключевых элементов;

— увеличить выходную мощность, не используя параллельное соединение ключевых элементов;

— повысить коэффициент полезного действия;

— улучшить точность стабилизации выходного напряжения;

— снизить спектральную плотность шума выходного напряжения.

Отчасти технически схожими с многозонными решениями являются синхронизируемые DC/DC-преобразователи. Они могут функционировать как самостоятельные изделия, но выходы нескольких однотипных изделий могут соединяться и параллельно с синхронизацией импульсного управления таким образом, чтобы их выходные напряжения были строго одинаковыми. Синхронизируемые преобразователи также обеспечивают взаимное резервирование и применяются в некоторых системах телекоммуникаций. В качестве дополнительных классификационных признаков DC/DC-преобразователей, не вынесенных на схему на рис. 2, можно рассматривать наличие защиты от перегрузки на выходе и от перегрева. Наиболее дешевые модели их не имеют, и потому их надежность и срок службы при постоянной работе под номинальной нагрузкой оставляют желать лучшего.

Наиболее распространенные DC/DC-преобразователи, выпускаемые крупными сериями, являются одноканальными, стабилизированными, однозонными, однопериодными, необратимыми, перестраиваемыми, неивертирующими, несинхронизируемыми трехполюсниками. Они имеют фиксированные полярность и управление, не имеют гальванической развязки, работают с использованием ШИМ. Это те преобразователи, которые устанавливаются в качестве вторичных источников электропитания на печатные платы ЭУ.

Характеристики DC/DC-преобразователей

Далее мы будем говорить о так называемых выходных характеристиках DC/DC-преобразователей, т.е. тех, которые определяют их применимость по назначению. На выбор преобразователя для конкретного применения влияние оказывает совокупность его количественных и качественные свойств. К последним стоит отнести конструкционное исполнение преобразователя, наличие корпуса, степень универсальности модуля, необходимость его регулировки, возможность применения во взрывоопасных средах, наличие гальванической развязки, защиты от короткого замыкания, перегрева и обратной полярности, завершенность сертификационных и квалификационных процедур и т.д.

К наиболее важным количественным характеристикам DC/DC-преобразователей, определяющим их выбор, относятся:

— диапазон входных напряжений;

—  диапазон выходных напряжений;

— максимальный выходной ток;

— максимальный входной ток при максимальной отдаваемой в нагрузку мощности;

— максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку;

—  потребляемый ток или мощность на холостом ходу;

— погрешность выходного напряжения;

— коэффициент полезного действия при максимально допустимой мощности, отдаваемой в нагрузку;

— размах пульсаций напряжения на выходе при номинальном токе ΔU_вых при номинальном токе или номинальной выходной мощности;

— характеристики электромагнитных помех, формируемых преобразователем, во временной и в частотной области;

— частота импульсов ШИМ f_ШИМ;

— диапазон рабочих температур при заданном нагрузочном режиме и входном напряжении.

В этом перечне определяющими являются электрические характеристики DC/DC-преобразователя, а слова «максимальный» соответствует тем значениям параметров нагрузочного режима, которые способны обеспечиваться DC/DC-преобразователем в течение продолжительного времени без его перегрева и повреждения, т.е. они соответствуют номинальному нагрузочному режиму при условии предписанного производителем размещения и наличия должного охлаждения. Предельно допустимый выходной ток и отдаваемая в нагрузку мощность могут увеличиваться на десятки процентов, например, при обдуве воздухом некоторых преобразователей в заданном направлении, обычно вдоль ребер радиаторов силовых транзисторов. Эти данные приводятся в спецификации на преобразователь.

Совершенно очевидно, что определение токов и напряжений в рамках тестирования DC/DC-преобразователей, в особенности для внесения в спецификацию, требует применения амперметров и вольтметров либо мультиметров лабораторного класса, и здесь применение осциллографии не требуется. Однако без неё не обойтись, когда измеряются уровень пульсаций выходного напряжения, частота ШИМ, а также уровень и спектр частот электромагнитных помех.

Представленная номенклатура характеристик ориентирована на случай, когда в процессе работы DC/DC-преобразователя напряжение на его входе представляется неизменным. Однако в реальных условиях эксплуатации это не так: входное напряжение может претерпевать существенные, как быстрые, так и медленные изменения за счет изменения топологии системы электропитания и действия других потребителей. Чтобы охарактеризовать способность DC/DC-преобразователя отрабатывать такие изменения, введем для них дополнительную характеристику s — коэффициент передачи пульсаций входного напряжения в выходное, для определения которой также необходимо использовать анализ во временной области. Данный параметр несет информацию о возможных кратковременных импульсных помехах с шириной спектра, намного превышающей частоты ШИМ. Они могут, например, оказывать влияние на работу узлов синхронизации в цифровых устройствах и системах радиосвязи [7].

Для измерений типовых характеристик вторичных источников электропитания, к которым относятся и DC/DC-преобразователи, могут использоваться специальные программные опции, функционирующие на аппаратной платформе современных цифровых осциллографов, причем некоторые из них специально предназначены для измерения режимов силовых ключей [8], что требует подключения к внутренним цепям преобразователей. Функциональность таких опций недостаточна для измерений перечисленных характеристик, и они имеются только для некоторых серий осциллографов. Ввиду этого для обеспечения наиболее широкого охвата средств измерений мы будем рассматривать в качестве основных методов исследований осциллографию для временной области и быстрое преобразование Фурье для частотной области.

Особенности и схемы измерения некоторых характеристик DC/DC-преобразователей

3. I. Размах пульсаций напряжения и частота ШИМ могут быть определены прямыми измерениями на основе осциллографии по схеме, представленной на рис. 3. Нагрузка R_n, подключаемая к выходу преобразователя, должна быть такой, чтобы выходной ток был близок к номиналу, поскольку он определяет отбор мощности от накапливающего энергию элемента. Осциллограф подключается непосредственно к нагрузке, и его канал работает в режиме пропускания переменного тока. Синхронизация осуществятся по положительному перепаду, соответствующему моменту включения силового ключа преобразователя. Поскольку размах пульсаций может меняться от реализации к реализации, то измерения целесообразно проводить с накоплением путем синхронного наложениям ряда осциллограмм.

Перед проведением измерений следует определить амплитуду и частоту пульсаций, имеющихся на выходе источника электропитания. Некоторые виды преобразователей, в особенности повышающих, из-за особенностей схемотехники способны напрямую транслировать на выход импульсную составляющую питающего напряжения, что составляет весьма серьезную проблему при каскадном или ветвящемся последовательном включении нескольких преобразователей и требует использования дополнительных фильтров, например, конденсаторов большой емкости. Таким образом, напряжение, поступающее на выход преобразователя, должно иметь приемлемую спектральную чистоту.

Рис. 3. Схема измерений пульсаций напряжения и частоты ШИМ

Как показали эксперименты, проведенные с разными DC/DC-преобразователями, пульсации выходного напряжения могут носить непериодический характер, что определяется применением для управления силовым ключом ЧИМ, либо её сочетанием с ШИМ, либо использованием ШИМ с переменной частотой. По этой причине для описания качества выходного напряжения следует использовать измеренный во временной области размах пульсаций, дополненный спектрограммой, полученной на основе быстрого преобразования Фурье. Максимальные частоты таких измерений обычно не превышают 1…5 МГц.

Отдельное внимание при проведении измерений размаха пульсаций следует уделить качеству цепей заземления. В случае их повышенного полного сопротивления возможно появление на экране осциллографа артефактов посторонних помех, которые снизят качество результатов измерений и затруднит их трактовку.

4. II. Характеристики кондуктивных помех, формируемых преобразователями, принято определять в неразрывной связи с условиями их измерений. К таковым относятся тип и характеристики применяемого измерительного преобразователя, которым в типовом случае относятся эквиваленты сети (ЭС). Они задают частотную зависимость нагрузочного импеданса Z для кондуктивных помех, формируемых исследуемой нагрузкой. Пример схемы ЭС, широко встречающейся в зарубежных стандартах и предназначенной для использования в сетях переменного тока, представлен на рис. 4. Главными элементами, определяющими полное сопротивление эквивалента сети, являются входное сопротивление измерительного прибора, катушка индуктивности 50 мкГн и резистор сопротивлением 5 Ом. Остальные элементы схемы образуют фильтр верхних частот с частотой среза ниже 9 кГц и обеспечивают развязку испытуемого оборудования от сети электропитания.

При измерениях кондуктивных помех, формируемых DC/DC-преобразователями, можно использовать стандартные ЭС, однако их схемы будут являться в некоторой степени избыточными. Действительно, П-образный фильтр необходим при подключении ЭС к сети переменного тока общего назначения, он блокирует поступление из неё кондуктивных помех к точке подключения средства измерений. При этом сам фильтр не вносит заметного вклада в обеспечение нагрузочного импеданса для формируемых преобразователем помех. Известно также [9, 10], что к ЭС не предъявляются особые требования к конструкции и схемотехнике. Поскольку полоса частот анализа кондуктивных помех DC/DC-преобразователей обычно простирается до единиц мегагерц, то в схемах, подобных представленной на рис. 4, то резонансы на паразитных индуктивностях и емкостях будут практически отсутствовать.

Рис. 4. Пример схемы эквивалента сети

Рис. 5. ФСНИ: а) принципиальная схема;
б) расчетное значение нагрузочного импеданса для помех, формируемых нагрузкой ФСНИ

В схеме на рис. 4, а также в других типах ЭС через обмоточные изделия проходит полный ток питания испытуемых изделий. Для ЭДПТ он может составлять до 10 А и более. Кроме того, катушки индуктивности должны сохранять свои свойства во всей полосе рабочих частот. Для исключения насыщения они должны иметь магнитопровод достаточного сечения или быть реализованными без него, но это означает большие размеры и существенное количество витков. Классическая электротехническая сталь, пермаллои и другие магнитные материалы, применяемые в низкочастотной технике, не подходят для такого применения, поскольку демонстрируют снижение магнитной проницаемости на 1,5…2 порядка относительно постоянного тока на частотах порядка 50 кГц. Лучшим вариантом является использование обмоточных изделий на ферритовых магнитопроводах.

Исходя из этого, ЭС, являющиеся специфическими и дорогостоящими измерительными преобразователями, можно заменить на фильтр – стабилизатор нагрузочного импеданса (ФСНИ) с более простой схемой и без требований по калибровке. Схема ФСНИ, показанная на рис. 5,а включает емкостной фильтр на электролитическом конденсаторе большой емкости, две индуктивности и RC-цепь. Нагрузочный импеданс для кондуктивных помех создается разделительной емкостью C = 0,1 мкФ, входным сопротивлением средства измерений R = 50 Ом и двумя одинаковыми индуктивностями L₁ = L₂ = 7 мГн, выполненными на ферритовых магнитопроводах. Сопротивление источника электропитания по высокой частоте будет много меньше сопротивления индуктивностей и фильтрующей емкости С_ф = 4000 мкФ. Исходя из этого, кондуктивные помехи, формируемые преобразователем, нагружаются на полное сопротивление, зависящее от частоты и равное , где . На рис. 5,б показана расчетная зависимость модуля импеданса от частоты, не учитывающая изменение индуктивностей с ростом частоты. Такая схема используется в экспериментальной части работы. В последней формуле, однако, не учтено активное сопротивление катушек индуктивности, которое формирует падение напряжения, требующее компенсации при большом потреблении тока нагрузкой.

Схема измерений эмиссии кондуктивных помех с использование ФСНИ представлена на рис. 6, здесь ключевым средством измерений также является осциллограф с функцией БПФ. Входное сопротивление его канала должно быть равно 50 Ом. Помехи будут импульсными и периодическими в соответствии с характером отбора мощности от источника питания. Во временной области определяется размах импульсных помех, в режиме БПФ строится их спектрограмма в обозначенном выше частотном диапазоне. Результаты, измерений в частотной области могут быть пересчитаны к требуемому её значению, в т.ч. к предписанному CISPR для диапазонов А и В [9, 10]. При необходимости измерения в частотной области можно проводить с использованием анализатора спектра, имеющего более высокую чувствительность и меньшие ограничения на соотношение ширины полосы обзора и полосы разрешения.

Рис. 6. Схема измерений эмиссии кондуктивных помех

Использование ФСНИ позволяет также снизить пульсации питающего DC/DC-преобразователь напряжения, поэтому он может использоваться и в схеме на рис. 3, причем вместо входа измерительного прибора к ВЧ-разъему ФСНИ подключается нагрузка номиналом 50 Ом. Если DC/DC-преобразователь сертифицируется по ЭМС, то применение ФСНИ не допускается, поскольку оно не позволит сопоставить спектральную плотность кондуктивных помех с нормами помехоэмиссии, и здесь без использования эквивалента сети, соответствующего требованиям стандартов [9, 10], уже не обойтись.

III. Коэффициент передачи пульсаций входного напряжения в выходное измеряется при постоянной нагрузке на выходе преобразователя. Для формирования пульсаций входного напряжения можно использовать:

— программируемый источник электропитания с внешним управлением и достаточным быстродействием;

— два последовательно включенных источника, выход одного из которых, формирующий импульсы, имеет защиту по току и периодически замыкается силовым ключом, например, МОП-транзистором с малым сопротивлением канала;

— генератор сигналов, нагруженный на усилитель подходящей мощности.

Применяемые источники питания должны обладать значительным запасом по нагрузочной способности, поскольку изменение питающего напряжения может приводить к кратковременному повышению потребляемого тока. Как и в случае с измерением помех, результаты измерений будут привязаны к условиям их проведения, в первую очередь, к среднему напряжению электропитания и к сопротивлению нагрузки преобразователя.

Рис. 7. Схема измерений коэффициента передачи пульсаций входного напряжения
в выходное напряжение DC/DC-преобразователя

Схема измерений с применением двух источников показана на рис. 7. Здесь используются два канала осциллографа, подключаемые к входу и выходу преобразователя, работающего под номинальной нагрузкой. Синхронизация осуществляется поочередно по положительному и отрицательному перепаду напряжения на входе канала 1. Значение коэффициент передачи пульсаций входного напряжения в выходное s рассчитывается на основе результатов прямых измерений как отношение амплитуд пульсаций на выходе и на входе DC/DC-преобразователя. Входное сопротивление каналов осциллографа равняется 1
МОм, они должны работать в режиме пропускания постоянного тока. Длительность и период следования импульсов должны обеспечивать завершение переходных процессов после каждого изменения входного напряжения.

Из представленного описания принципов измерений перечисленных характеристик DC/DC-преобразователей можно установить основные требования к применяемым средствам измерений. Осциллографы должны иметь сравнительно небольшую полосу рабочих частот, классические принципы запуска развертки, встроенную функцию быстрого преобразования Фурье или анализа спектра, а также выполнять автоматические измерения типовых параметров сигналов. Лучшим вариантом для измерений в частотной области является использованием анализаторов спектра ка отдельных приборов. В случае необходимости точки подключения каналов осциллографа дополняются внешними нагрузками на 50 Ом.

Важной особенностью организации проведения измерений параметров DC/DC-преобразователей является необходимость охлаждения нагрузок. Существуют преобразователи с номинальной мощностью до единиц киловатт, они также должны испытываться при номинальной нагрузке. В качестве таковой целесообразно использовать проволочные сопротивления, в т.ч. намотанные на керамическое основание нихромовой лентой. При необходимости используется принудительное охлаждение или кратковременный режим работы нагрузок с ограниченной тепловой емкостью.

Пример измерений некоторых характеристик DC/DC-преобразователей

Используемые средства измерений и оснастка. В качестве объекта исследований был выбран RUICHI EM-843 – повышающий DC/DC-преобразователь с входным напряжением в диапазоне 10…32 и выходным регулируемым напряжением 12…35 В. Он имеет максимальную выходную мощность до 100 Вт при максимальном токе не более 6 А с возможностью повышения предельной выходной мощности до 150 Вт при использовании принудительного охлаждения. Путем предварительной настройки на его выходе было установлено напряжение 17,5 В. Его выход нагружался на активное сопротивление номиналом 8 Ом, что соответствовало мощности 38,3 Вт. Это значение, как видно, было весьма далеко от предельного для EM-843, что связано с проблемой рассеивания тепла и ограничением по предельному току обмоток ФСНИ, схема которого соответствовала рис. 5,а. Важной особенностью ФСНИ являлось существенное падение напряжения на обмотках индуктивности при протекании постоянного тока. При токе порядка 3,5 А падение напряжения на них составляло 5,3 В, и для его компенсации на вход ФСНИ подавалось напряжение 18 В, что соответствовало 12,7 В на входе преобразователя. При этом на индуктивностях выделялась мощность порядка 16 Вт, что определяло их заметный нагрев. В эквивалентах сети для решения этой проблемы используются принудительно охлаждаемые индуктивности, обмотки которых выполнены проводом сечением до 4 мм².

Для электропитания использовался источник Rigol DP932 с тремя каналами, два из которых имеют выходные напряжение и ток до 32 В/3 А и при необходимости могут работать в последовательном и в параллельном режиме, что существенно расширяет номенклатуру типов преобразователей, которые могут от него получать питание. Внешний вид источника представлен на рис. 8,а.

В качестве средства проведения анализа во временной и в частотной областях использовался осциллограф Rigol MSO8204 с четырьмя каналами и полосой пропускания 2 ГГц, частотой дискретизации до 10 Гвыб./с в одноканальном режиме и 8-битным аналого-цифровым преобразователем. Учитывая, что частоты ШИМ редко превосходят 500 кГц, характеристики осциллографов данной серии с запасом подходят для измерительных задач, связанных с тестированием и диагностикой DC/DC-преобразователей. Внешний вид осциллографа представлен на рис. 8,б. Подключение каналов осциллографа к необходимым точкам измерительной цепи выполнялось с использованием пассивных пробников с полосой пропускания не менее 350 МГц.

Рис. 8. Внешний вид использовавшихся средств Rigol: а) источника электропитания Rigol DP932; б) осциллограф MSO8204

Проверка качества выходного напряжения источника электропитания выполнялась с использованием схемы, представленной на рис. 9. Здесь выход питания ФСНИ не подключался к объекту тестирования, а напряжение с него подавалось на вход осциллографа Rigol MSO8204 через пассивный пробник. Как отмечалось выше, для получения правильного представления об уровне пульсаций напряжения на выходе преобразователя его входное напряжение должно иметь много меньший аналогичный показатель. Канал осциллографа работал в режиме пропускания переменного тока, высокочастотный выход ФСНИ нагружался на проходную 50-омную нагрузку.

Рис. 9. Измерительная установка для оценки качества напряжения для питания DC/DC-преобразователя: а) схема; б) фотография

Рис. 10. Осциллограмма напряжения на питающем выходе ФСНИ в отсутствие нагрузки

На рис. 10 представлена осциллограмма шума на выходе источника Rigol DP932, полученная на интервале 2 мкс при вертикальном разрешении 10 мВ/дел. Максимальный размах шума по результатам автоматических измерений составляет 44,3 мВ, что является отличным показателем для вторичных источников электропитания. На рис. 11,а и б представлены спектрограммы, полученные на основе БПФ с полосой обзора 3 МГц в полосе разрешения 1 и 2 кГц и. На этих рисунках для разрешения по времени 50 и 100 мкс/дел. хорошо виден периодический процесс, аддитивный по отношению к шуму. Его частота составляет 3,9 кГц, амплитуда — не более 15 мВ, что видно на спектрограмме. Наиболее интенсивные спектральные составляющие наблюдаются на частотах ниже 10 кГц, что много ниже ожидаемой частоты ШИМ DC/DC-преобразователя. Выше этой частоты спектральная плотность шумов составляет -74 дБ отн. 1 В в полосе 1 кГц. Спектральные составляющие не свидетельствуют о наличии иных периодических составляющих. Таким образом, качество питающее напряжение для DC/DC-преобразователя следует признать приемлемым для проведения дальнейших измерений.

Рис. 11. Спектрограммы напряжения на выходе ФСНИ в полосе частот до 3 МГц при полосе разрешения: а) 1 кГц; б) 2 кГц

Измерение формы, амплитуды пульсаций на выходе преобразователя, частоты ШИМ осуществлялось с использованием схемы измерений, представленной на рис. 12. К питающему и радиочастотному выходам ФСНИ подключались преобразователь и та же проходная нагрузка. К выходу преобразователя подключались нагрузка сопротивлением 8 Ом и канал 1 осциллографа через пассивный пробник.

 

Рис. 12. Установка для измерения пульсаций напряжения на выходе
DC/DC-преобразователя: а) схема; б) фотография

На рис. 13 представлена форма одиночного импульса в составе выходного сигнала, а также результаты курсорных измерений его параметров. Он имеет форму затухающих колебаний с заполнением, близким к синусоидальному. Максимальный размах составляет ΔU_вых = 257 мВ, что много меньше размаха шума питающего напряжения на входе преобразователя. Указанное значение является определяющей характеристикой возможных вариаций выходного напряжения для заданных нагрузочных условий. Как видно на рис. 13,б, период следования колебаний составляет 21,4 нс, что соответствует частоте 46,6 МГц, намного превосходящей типовые частоты импульсов ШИМ. Из этого следует, что данные колебания являются паразитным резонансом в нагрузочной цепи преобразователя. Длительность импульса составляет около 420 нс.

 

Рис. 13. Измерения характеристик импульсов на выходе преобразователя: а) размаха;
б) частоты внутриимпульсного заполнения

На рис. 14 представлена осциллограмма выходного напряжения преобразователя с исключенной постоянной составляющей и его спектрограмма. Видно, что импульсы следуют как будто парами со средней периодичностью 7,2 мкс, что соответствует f_ШИМ = 136,7 кГц. На самом деле в силу сравнительно небольшой нагрузки контроллер ШИМ каждому второму импульсу присваивает нулевую длительность, поскольку контролируемое напряжение находится в пределах зоны допуска: Спектр напряжения имеет, как это можно ожидать линейчатый характер с максимумами на кратных гармониках. Первый спектральный пик на частоте 9,77 кГц соответствует области частот, много меньшей, чем частота первой гармоники ШИМ, и может быть отнесен к входному напряжению, как это следует из сопоставления с рис. 11,а. Как отмечалось выше, это характерно для некоторых повышающих DC/DC-преобразователей.

Измерение характеристик помехоэмиссии проводилось с использованием схемы, представленной на рис. 15. Здесь канал 2 осциллографа подключался к высокочастотному выходу ФСНИ для регистрации помех, а канал 1 был по-прежнему подключен к нагрузке. Синхронизация осуществлялась по сигналу в канале 2. Как и в прошлых случаях, оба канала работали в режиме пропускания только переменной составляющей.

На рис. 16 представлены осциллограммы напряжений на выходе преобразователя и на высокочастотном выходе ФСНИ. Любопытно, что в левой части осциллограммы начала циклов нарастания токопотребления фактически синхронизированы с импульсными составляющими выходного напряжения преобразователя, следующих здесь с периодом 16 мкс, что соответствует 62,5 кГц, или — приближенно — половине f_ШИМ. Это явление вполне понятно и было пояснено выше. Однако в правой части осциллограммы это правило нарушается. Здесь цикличность нарастания токопотребления имеет период 26 мкс, что соответствует частоте 42,2 кГц, или около 1/3 значения f_ШИМ. Из анализа данной картины можно сделать следующий вывод: контроллер адаптирует длительность импульсов ШИМ и может присваивать им нулевую длительность, если напряжение на выходе преобразователя находится в пределах допуска. Такую же картину может создавать применение двух и более накопителей энергии с индивидуальным управлением. При этом форма кондуктивных помех не соответствует аналогичной для потребляемого нагрузкой тока.

Рис. 14. Осциллограмма напряжения на выходе преобразователя с исключенной постоянной составляющей и результат БПФ для него

Рис. 15. Измерительная установка для оценки эмиссии кондуктивных помех:
а) схема; б) фотография

Рис. 16. Осциллограммы напряжений на выходе преобразователя
и на высокочастотном выходе ФСНИ

Рис. 17. Осциллограммы колебательного высокочастотного процесса

Рис. 18. Спектр кондуктивных помех, формируемых DC/DC-преобразователем

На рис. 17 в увеличенном масштабе показана осциллограмма ряда колебательных процессов, регистрируемых в канале 2 и показанных на рис. 16. Здесь видно, что генерируемые импульсные помехи, связанные с изменением токопотребления, отличаются как по частоте, так и по амплитуде. ШИМ с большим периодом (частота около 43 кГц) соответствует более интенсивной помехоэмиссии, локализованной в более узкой полосе частот, что является худшим вариантом с точки зрения сопоставления с нормами. При большей частоте ШИМ (около 135 кГц) амплитуда помех будет меньше при распределении их в более широкой полосе частот, что обычно положительно сказывается на прохождении сертификации по ЭМС.

На рис. 18 показан спектр кондуктивных помех, формируемых преобразователем, построенный на основе БПФ. Как и ожидалось, спектр соответствует шумовому процессу с пиками на выявленных частотах ШИМ и кратных им гармониках. Важно отметить, что он существенно отличается от линейчатого спектра напряжения на выходе преобразователя. Можно считать, что полоса частот помехоэмиссии не превышает утроенной максимальной частоты ШИМ. При этом кратное снижение частоты ШИМ реализуется контроллером путем установки нулевой длительности для отдельных импульсов при сравнительно небольшой нагрузке.

Таким образом, в рамках проведенного эксперимента определены частота ШИМ, уровень пульсаций, а также частотный спектр помехоэмиссии.

Заключение

Применение DC/DC-преобразователей является типовым решением для получения номенклатуры напряжений, необходимых для электропитания ЭУ различного назначения. Экспериментальное определение их параметров, в т.ч. характеристик помехоэмиссии и пульсаций выходного напряжения, может понадобиться тогда, когда речь идет о встраивании таких изделий в потенциально чувствительные устройства, например, имеющие микроконтроллерную или микропроцессорную цифровую часть, а также средства высокоточной синхронизации [12]. Рассмотренная измерительная задача должна решаться с использованием качественных средств измерений. В этом смысле осциллографы серии MSO8000 компании Rigol представляют собой подходящий инструмент, применимый к решению многих других задач, возникающих в условиях радиолаборатории.

Результаты, получаемые в ходе рассмотренных измерений, могут оказать существенное влияние на принятие решения по использованию преобразователя выбранного типа в конкретном электронном устройстве, а также в принятии мер по парированию искажений входных и выходных питающих напряжений.

Размещение статей и рекламной информации: anton.denisov@ecomp.ru

Литература и ссылки

1. Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. — М.: Энергоатомиздат, 1986. —376 с.
2. Александров Ф.И., Сиваков А.Р. Импульсные полупроводниковые преобразователи и стабилизаторы постоянного напряжения. — Ленинград: «Энергия», 1970. — 187 с.
3. Гладышев С.П., Павлов В.Б. Динамика дискретно-управляемых полупроводниковых преобразователей. / Под ред. Шидловксого А.К. — Киев: «Наукова думка», 1983. — 224 с.
4. Руденко В.С., Сенько В.И. Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. — М.: «Высшая школа», 1980. — 424 с.
5. DC-DC-преобразователи. — Интернет-ресурс https://www.impulsi.ru/company/news/371453.html (дата обращения 20.08.2025).
6. DC/DC-преобразователи. — Интернет-ресурс https://www.terratel.eu/ru/does-converter-work.html (дата обращения 20.08.2025).
7. Ермакова А.В., Горгадзе С.Ф. Синхронизация многозначных линейных рекуррентных последовательностей на основе обобщенного быстрого преобразования Фурье. — Электросвязь, №4, 2025. — с. 74-86.
8. Лемешко Н.В., Струнин П.А., Горелкин М.В. Практика измерений входных и выходных характеристик источников вторичного электропитания с применением опции R&S RTO6-K31. — Современная электроника, №4, 2022. — с. 22-30.
9. ГОСТ Р 51319-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Приборы для измерения индустриальных радиопомех. Технические требования и методы испытаний». — М.: Издательство Стандартов, 2000. — 57 с.
10. ГОСТ Р 51318.16.1.1-2007 «Совместимость технических средств электромагнитная. Требования к аппаратуре для измерения параметров индустриальных радиопомех и методы измерений. Часть 1-1. Аппаратура для измерения параметров индустриальных радиопомех и помехоустойчивости. Приборы для измерения индустриальных радиопомех». — М.: Стандартинформ, 2008. — 58 с.
11. Лемешко Н.В. Анализ динамических характеристик нагрузок и параметров источников вторичного электропитания с использованием осциллографов R&S RTO. — Контрольно-измерительные приборы и системы, №6, 2014. — с. 10-14.
12. Микенин А.Э., Пестряков А.В. Частотные характеристики синтезатора частот с кольцом компенсации шумов. — Электросвязь, №1, 2025. — с. 48-53.