Почему один и тот же блок питания ведёт себя по-разному в разных схемах
14 Разработчики радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) часто сталкиваются с ситуацией, когда устройство, собранное из проверенных компонентов по схеме, рекомендованной в даташите на микросхему, работает не так, как ожидалось. Причин возникновения такой ситуации может быть несколько. Одна из них — неправильный выбор блока питания (БП) и, как следствие — его непредсказуемое поведение в собранном аппарате.
Возникает вопрос: «почему блок питания нестабилен в готовом устройстве и что с этим делать»?
В сфере электроники заняты специалисты, обладающие разной квалификацией: студенты профильных технических ВУЗов, DIY-разработчики (do it yourself — сделай сам), инженеры-схемотехники, R&D специалисты (Research and Development — исследование и разработка) и другие. Поэтому предлагаемый материал подготовлен с учётом интересов всех перечисленных категорий сотрудников.
Время чтения: 21 минута
- Что скрывает даташит: параметры, которые определяют реальное поведение БП
- Нагрузка определяет поведение БП
- Пульсации: почему 50 мВ в даташите не значит, что в схеме столько же
- Переходной отклик: почему Wi-Fi сбрасывает МК, а резистор нет
- Как диагностировать питание
- Как правильно протестировать БП перед применением в схеме
- Как правильно выбрать правильный БП под вашу задачу
Что скрывает даташит: параметры, которые определяют реальное поведение БП
Одинаковые БП в разных схемах дают разные результаты. Например, один и тот же стабилизированный источник питания (ИП) 12В 3А при запитывании светодиодной ленты работает идеально. Этот же прибор, питающий устройство, содержащее сервоприводы, сразу после запуска уходит в защиту. Это нормально?
Конечно нормально. ИП, нагрузка или потребитель (приёмник) электроэнергии и соединительные провода образуют систему, поведение которой зависит от всех перечисленных компонентов.
Проанализируем, какие параметры ИП и как влияют на его работу, как их найти в даташите или измерить в лаборатории и как подобрать блок для конкретного потребителя электроэнергии.
Зачастую даташиты содержат не все параметры, знания которых необходимы разработчику РЭА для решения своих задач. Это делается в маркетинговых целях и для противодействия конкурентам. Вот пример:
Вы читаете: 5В, 3А, пульсации 50 мВ. Этого недостаточно, чтобы понять, как БП поведёт себя в вашей схеме. Величины приводятся для конкретных условий. К ним относится использование резистивного потребителя при мощности, равной 0.7 от максимальной. По факту, это статический режим.
В общем случае у вас другой потребитель и, как правило, динамический. Поэтому для понимания особенностей выбираемого ИП, нужны его скрытые параметры: load regulation coefficient (коэффициент регулирования нагрузки), transient response (TR — переходной отклик) и выходной импеданс (Zout).
Рассмотрим наиболее употребляемые девять характеристик из даташит и что за ними скрывается:
- Выходное напряжение Vout, например, 12,0 В ±1%. Это статическая величина при номинальном потреблении. Она не учитывает просадку напряжения при скачке нагрузки.
- Максимальный Imax, например, 5А. Это статическая величина для постоянного потребления. Пиковая мощность при включении оборудования может быть значительно больше.
- Пульсации и шум (Ripple & Noise), например, 50 мВ Vpp (амплитуда от пика до пика). Параметр приводится при номинальном потреблении. При малом значение Vpp может быть другим.
- Переходный отклик, например, ±5%/1мс. Он показывает скорость восстановления выходного напряжения после скачка тока.
- Минимальная нагрузка (Imin). Существуют ИП, которые неустойчиво работают при малых мощностях. При этом их выходной сигнал начинает скачкообразно изменяться. Такая особенность присуща БП типа SMPS (Switch Mode Power Supply — импульсный источник питания).
- Выходная ёмкость (Cout). Она определяется в основном номиналом конденсатора, входящего в состав выходного фильтра ИП. Cout влияет на импеданс ИП и форму TR. Импеданс также зависит от качества Cout. Она характеризуется ESR (Equivalent Series Resistance — эквивалентное последовательное сопротивление). Чем величина ESR меньше, тем лучше конденсатор.
- Особенности организации защиты SCP (Short Circuit Protection — защита от короткого замыкания). Механизмы работы защиты от перегрузки могут быть разными:
- если величина CC (constant current — постоянный ток) превышает заданное значение, выходное напряжение ИП становится равным 0;
- источник переходит в hiccup (икающий режим), когда происходит периодический перезапуск БП и последующий уход в защиту, если перегрузка не устранена;
- ИП уходит в режим fold-back (ограничение тока), при этом выходная мощность остаётся на безопасном уровне для питаемой РЭА.
- Коэффициент регулирования нагрузки ±0,5%. Чем меньше изменяется Vout при изменении потребления от минимума до максимума, тем качественнее ИП.
- Коэффициент полезного действия (КПД), например, КПД равен 87% при мощности 50%. Значение КПД зависит от величины потребляемой мощности. Когда эта мощность равна 10%, КПД может снизиться до 60%.
Параметры, приведённые в пп. 4, 5, 6 в даташитах часто не указываются. Обратите внимание на то, что большинство рассмотренных параметров, за исключением пп. 4, не описывает поведение ИП при его эксплуатации в случае с динамическим потреблением мощности. Именно в этой ситуации проявляется большинство проблем.
Нагрузка определяет поведение БП
В зависимости от импеданса выделяют следующие типы энергопотребителей:
- Схема резистивного типа с чисто активным импедансом.
- Цепь с ёмкостным импедансом.
- Модуль с индуктивным импедансом.
- Устройство с динамическим потреблением.
- Аппаратура с нелинейным потреблением.
- Нагрузка в спящем режиме.
Кратко остановимся на перечисленных случаях. В следующей таблице приводится информация, которая поможет читателям уяснить особенности происходящих в РЭА процессов и выбрать для каждого случая нужный источник. Тип потребителя энергии соответствует его номеру в списке, который расположен в начале этой части статьи:
| Номер потребителя | Примеры | Особенности переходного процесса при включении (отключении) потребителя или в процессе его работы | Необходимый тип БП | Действия разработчика |
| 1 | Лампа накаливания, нагревательный элемент, передатчик в режиме ЧМ* или ФМ** | Переходной процесс отсутствует, потребление почти постоянное | Любой, отвечающий требованиям к величине отдаваемой мощности | Не требуются |
| 2 | Плата с конденсатором большой ёмкости в цепи питания | В момент включения возникает большой inrush (пиковый) ток. При этом возможно срабатывание защиты ИП | ИП с автоматическим перезапуском и защитой hiccup (от сбоев), мягким стартом | Подбор БП |
| 3 | Электродвигатель, электромагнитное реле, трансформатор, дроссель | В момент выключения возникает обратная ЭДС самоиндукции, которая может вывести из строя ИП | БП с защитой от бросков напряжения по питанию или с защитным TVS-диодом на выходе | Организация дополнительной защиты |
| 4 | Микроконтроллер (МК) с Wi-Fi, экстремальная импульсная нагрузка, передатчик в режиме АТ*** | Кратковременные броски потребления | ИП с быстрым TR | Подбор БП, применение дополнительного блокировочного конденсатора |
| 5 | Импульсный ИП, передатчик в режиме АМ**** | Присутствие гармоник на выходе | ИП с PFC (Power Factor Correction — коррекция коэффициента мощности) | Предварительный расчёт PFC, подбор источника |
| 6 | IoT датчики, пульты и брелки дистанционного управления в sleep-mode (спящий режим) | Продолжительные броски потребления при переходе из спячки к бодрствованию | Источник с заявленным минимальным рабочим током или линейный БП для sleepmode | Подбор ИП, измерение его параметров при минимальной мощности |
Примечания:
*ЧМ (**ФМ) — частотная (амплитудная) модуляция или манипуляция.
***АТ — амплитудное телеграфирование (манипуляция).
****АМ — амплитудная модуляция.
Как следует из представленной выше таблицы, решение проблем электропитания устройств с разными типами потребителей вполне по силам даже начинающим специалистам, если у них имеется необходимые инструменты, средства измерений и навыки в работе с ними.
Пульсации: почему 50 мВ в даташите не значит, что в схеме столько же
Ответ на вопрос, вынесенный в заголовок этой части статьи, прост: потому что оцениваются разные реализации одной и той же схемы источника. Сама оценка происходит в разных условиях с помощью разных средств измерений. Остановимся на этой теме подробнее.
В даташите написано 50мВ Vpp. На осциллографе в схеме — 200мВ. Кто врёт? Производители элементной базы приводят параметры своих изделий для определённых условий тестирования. Применительно к микросхемам ИП испытания происходят на резисторе, создающем 50% потребления от номинала. Внешние соединения выполняются витыми проводниками минимальной длины и требуемого сечения. Такие проводники имеют малую паразитную индуктивность. Используемые в РЭА конденсаторы и индуктивности имеют максимальную добротность.
Добротность любого реактивного элемента представляет собой отношение его реактивного сопротивления к паразитному активному. Для ёмкостей этот параметр характеризуется ESR конденсаторов.
Дешёвые электролитические конденсаторы имеют большую величину ESR, поэтому их применение приводит к увеличению амплитуды ripple (пульсаций) напряжения на выходе.
При измерении требуется соблюдать следующие рекомендации:
- вход осциллографа в режиме AC-coupling (связь по переменному напряжению);
- чувствительность канала вертикального отклонения (КВО) устанавливается не более 50 мВ/дел;
- скорость горизонтальной развёртки задаётся в диапазоне 1–5 мкс/дел;
- щуп подключается как можно ближе к потребителю электроэнергии максимально короткими проводами.
Любой приёмник энергии (операционный усилитель, АЦП, МК и т. д.) способен частично подавлять пульсации. Такая способность характеризуется величиной PSRR (Power Supply Rejection Ratio — коэффициент подавления помех по питанию).
Если полученный PSRR недостаточен, то перед потребителем включают дополнительный LC-фильтр.
Из изложенного выше следует, что никто не врёт — ни производитель, ни измерительная техника, применяемая для диагностики. Просто разработчику необходимо строго соблюдать рекомендации из даташит по сборке БП.
Переходной отклик: почему Wi-Fi сбрасывает МК, а резистор нет
Transient response блока питания — это время восстановления, которое необходимо для возврата ИП в штатный режим после дестабилизирующего воздействия. Чем это время меньше, тем меньше вероятность того, что потребитель успеет отреагировать на изменение параметров электропитания.
Если сравнивать LDO (low-dropout regulator — линейный регулятор напряжения) vs SMPS, то для аппарата SMPS время отклика будет значительно больше, чем у LDO. Это объясняется инерционностью петли обратной связи ШИМ. В линейном стабилизаторе петля практически безинерционная, поэтому время отклика стремится к нулю. Расплата за такое быстродействие — небольшой КПД LDO.
Если сочетать применение SMPS, нагруженного на линейный стабилизатор, к которому подключены чувствительные аналоговые узлы, то проблема большого времени отклика будет решена.
Время TR можно измерить с помощью осциллографа и электронной нагрузки, для которой задаётся ступенька потребления от 10 до 90% мощности. Осциллографом измеряется глубина просадки и время восстановления рабочего напряжения. Результаты сравниваются с даташит.
МК потребляет 50 мА. При запуске Wi-Fi — скачок до 300 мА за 10 мкс. SMPS не успевает отреагировать и напряжение проваливается на 200 мс. МК сбрасывается.
Решение проблемы просадки при старте Wi-Fi заключается в применении bulk-конденсатора (блокировочного конденсатора) большой ёмкости, подключённого непосредственно к выводам питания МК. Он будет отдавать накопленную энергию для питания МК на время просадки БП. Ёмкость рассчитывается исходя из времени рассматриваемого процесса и потребления МК.
Как диагностировать питание
Следующая таблица поможет читателям по внешним проявлениям неисправности быстро разобраться в происходящем и использовать необходимые подходы для диагностики источника. Ваш симптом — в первом столбце, а метод диагностики — в третьем:
| Симптом неисправности | Возможные причины | Используемое оборудование | Способы диагностики |
| Схема сбрасывается при запуске Wi-Fi модуля для передачи данных | Пиковый ток превышает возможности БП, просадка питающего напряжения ниже допустимой величины | Осциллограф | Подключить прибор к выходу БП и при старте Wi-Fi модуля измерить просадку |
| ИП греется без видимой нагрузки | Низкий КПД при малом потреблении, ток холостого хода выше нормы | Мультиметр | Измерить ток (мА-режим), сравнить с даташитом |
| Напряжение на выходе отличается от заявленного | Потребляемая мощность превышает возможности ИП, большое падение напряжения на соединительных проводах, неисправность ИП | Лабораторный БП (ЛБП), мультиметр | Измерить Vout на клеммах БП и на нагрузке, проверить потребление от лабораторного ИП |
| БП уходит в защиту при включении РЭА | Ёмкостной потребитель создаёт большой пиковый ток заряда, короткое замыкание в схеме | Мультиметр, ЛБП, осциллограф | Проверить отсутствие КЗ, заменить БП лабораторным и проверить работоспособность РЭА, измерить просадку напряжения БП в момент старта |
| Шум/помехи в аналоговой части схемы при работе DC-DC | Пульсации с частотой переключения SMPS проникают в аналоговые цепи | Осциллограф | Измерить амплитуду пульсаций на шине питания аналоговой части РЭА |
| Схема работает с одним БП, но не работает с другим | Разные параметры переходного отклика, уровень пульсаций, импеданс выхода | Электронная нагрузка, мультиметр, осциллограф | Снять и сравнить нагрузочную характеристику обоих БП, величину пульсаций, измерить и скорректировать порог срабатывания защиты |
| При малом токе выходное напряжение скачкообразно изменяется или нестабильно | Прерывистый режим работы DC-DC на малых токах; неустойчивая петля регулирования | Мультиметр, осциллограф | Измерить потребляемый ток и сравнить с Imin в даташите, при Iфакт. меньшем Imin подобрать другой ИП |
| Схема работает от ЛБП, но не от готового источника | В готовом БП выше пульсации, долгий переходной отклик, нет CC-режима | Электронная нагрузка, осциллоскоп, мультиметр | Сравнить параметры выходного сигнала обоих источников при одинаковой отдаваемой динамической мощности |
В таблице описаны ситуации, которые встречаются наиболее часто. Рассмотреть все возможные причины некорректной работы РЭА с готовым источником, включая экзотические случаи, в небольшой публикации не представляется возможным.
Как правильно протестировать БП перед применением в схеме
Любая РЭА после сборки нуждается в предварительных испытаниях и регулировке. Это утверждение в полной мере относится к устройствам электропитания. Ниже кратко описывается набор тестов, иллюстрирующих работу ИП с разными потребителями электроэнергии.
Не верьте даташиту — измерьте сами.
Тест №1. Измерение пульсаций по питанию при номинальной потребляемой мощности.
Исследуемый объект подключается к потребителю, поглощающему номинальную мощность. Параллельно приёмнику электроэнергии присоединяется осциллограф, КВО которого включается в режим закрытого входа. Остальные параметры этого измерителя — 50 мВ/дел, 1 мкс/дел.
Осциллограмма пульсаций по питанию на выходе линейного БП выглядит так, как показано на рисунке.
Примерная осциллограмма коммутационных выбросов напряжения на выходе импульсного источника представлена на рисунке.
Тест №2. Исследование переходного отклика БП.
Схема тестирования аналогична №1, но потребитель заменяют электронным устройством, создающим ступенчатую нагрузку. На экране осциллографа наблюдают параметры переходного процесса, пример которого изображён на рисунке.
Тест №3. Проверка работы ИП с ёмкостной нагрузкой.
К тестируемому объекту вместо потребителя энергии подключают электролитический конденсатор 1000–2000 мкФ и соответствующим рабочим напряжением. При этом БП не должен уходить в защиту. В случае повторения эксперимента конденсатор отключают и разряжают.
Тест №4. Контроль работоспособности ИП для sleep-токов.
Схема испытаний повторяет тест №1, но электронная нагрузка переходит в режим малого потребления РЭА в режиме сна. Осциллоскопом контролируют отсутствие периодических перезапусков БП, для которых свойственны перепады выходного напряжения.
Тест №5. Тестирование поведения РЭА при питании от батарейки или аккумулятора.
Схема проверки такая же, как тест №1, но вместо разработанного блока включается ЛБП в режиме ограничения тока. Последовательно с ним включают мультиметр в мкА-режиме. Так имитируют применение батарейки с конечным внутренним сопротивлением. Изменяя порог ограничения, проверяют работоспособность готового устройства.
Практический вывод. За 30 минут проведения пяти несложных экспериментов вы получите больше информации об ИП, чем за 3 часа изучения даташита.
Как правильно выбрать правильный БП под вашу задачу
Выбирать нужно не по напряжению и току, а по характеру нагрузки. В следующей таблице собрана информация, позволяющая выбрать источник для решения большинства типовых задач:
| Задача энергообеспечения | Решение | Критерии выбора |
| Чувствительных высокочастотных каскадов, АЦП и аудиотрактов | Линейный стабилизатор LDO | Минимальные пульсации, PSRR >60 дБ |
| МК с динамическим потребителем (Wi-Fi, BLE) | SMPS с хорошей динамикой | TR <1 мс |
| Двигателей, соленоидов, электромагнитных реле | SMPS с защитой выхода от переходных процессов | Пиковое потребление в 3-5 раз больше номинального, защита от обратной ЭДС |
| IoT-датчиков в спящем режиме | LDO или SMPS с PFM (pulse-frequency modulation — частотно-импульсная модуляция) | Потребление на холостом ходу порядка10 мкА, работа с минимальной мощностью |
| Лабораторный стенд | Программируемый БП с регулируемым ограничением по току и напряжению | Минимальные пульсации |
| Промышленное применение | Изолированный встраиваемый БП в корпусе, AC-DC модуль | Наличие сертификата электромагнитной совместимости, широкий диапазон входного напряжения |
| Зарядное устройство для Li-Ion/LiPo | Специализированная микросхема TP4056, BQ25x, IP5306 | Профиль заряда CC/CV, автоматическое отключение по окончании заряда |
Разработка любой РЭА включает этап её макетирования с использованием идеального ЛБП с последующим переходом на работу с реальным БП, который предварительно тестируют с электронной нагрузкой. После такого перехода часто выявляются отклонения в работе исследуемой РЭА от нормы. Для их устранения используют дополнительные элементы в цепях энергообеспечения, такие как блокировочные конденсаторы, дроссели и пассивные фильтры.
БП — важнейший элемент любой РЭА, от параметров которого зависит её работоспособность. К ним относятся:
- отдаваемая мощность при заданной величине выходного напряжения;
- качество питающего сигнала и пределы его изменения;
- динамические характеристики;
- наличие и особенности встроенных систем защиты от перегрузок;
- импеданс.
Некоторые из перечисленных параметров в даташитах на ИП не приводятся. Тогда разработчику придётся провести собственные испытания, для которых понадобятся мультиметр, осциллограф, электронная нагрузка и некоторые аксессуары.
При предварительной отладке любой электроники применяются лабораторные БП для разработки. Поэтому для её корректной работы рекомендуется выбирать готовый ИП или проектировать собственный исходя из качества электропитания, обеспечиваемого прецизионным устройством. Тогда удачный результат разработки в кратчайшие сроки будет гарантирован.
386
415
9.7K
