Диагностика проблем питания: как найти просадки, пульсации и шум

Время чтения: 20 минут

Возможно, многие читатели встречались с ситуацией, когда напряжение энергоснабжения цифрового устройства, измеренное мультиметром, соответствует норме. Прибор показывает 3.3В. Но при записи данных во флеш-память микроконтроллер часто перегружается. Знакомо?

Это происходит потому, что мультиметр показывает усреднённое значение напряжения, а проблема кроется во временной области. Для их выявления нужен подходящий по характеристикам и правильно настроенный осциллограф.

Ниже представлена таблица навигации, в которой сгруппированы внешние проявления, возможные причины и перечень оборудования, необходимого для диагностики неисправностей источников энергообеспечения. Она поможет читателю, пребывающему в ситуации «включаешь — не работает или работает криво», определиться, в каком разделе материала искать алгоритм действий по восстановлению работоспособности радиоэлектронной аппаратуры.

Нашли свой симптом? Переходите в соответствующий раздел публикации. Если не смогли определиться с разделом, читайте всё по порядку.

Механизм возникновения просадок прост. Каждый блок питания имеет конечное внутреннее сопротивление, на котором происходит падение напряжения. В исправном источнике электроснабжения это сопротивление значительно меньше, чем у подключённой нагрузки, поэтому практически всё напряжение источника энергоснабжения поступает в нагрузку.

В неисправном источнике внутренняя проводимость соизмерима с проводимостью нагрузки. Поэтому на ней падает значительная часть напряжения источника, а в нагрузку отдаётся мощность, меньше необходимой.

Просадки питания бывают двух видов — статические и динамические. Статические возникают при постоянной нагрузке, а динамические — при пиковой. Пиковые провалы характерны для момента запуска в работу мощных потребителей, например, электродвигателей, записи данных во флеш-память, включение передатчиков Wi-Fi.

Даже тогда мультиметр показывает нормальное питание 5В, но этой информации недостаточно.

Динамические провалы имеют длительность в единицы микросекунд, поэтому мультиметр не успевает на них реагировать. Но детектор просадок напряжения энергоснабжения (brown-out), встроенный в микроконтроллер, успевает зафиксировать провал, поэтому устройство перезагружается.

Для обнаружения просадок длительностью 1 мкс необходим осциллограф с полосой пропускания в 10 раз большей, чем рассчитана по формуле:

то есть, 100 МГц.

Для тестирования осциллограф включается в режим открытого входа (DC-coupling). Вначале скорость развёртки выбирается в диапазоне 1–10 мкс/дел. Чувствительность канала вертикального отклонения устанавливается от 50 до 200 мВ/дел. Настраивается внешняя синхронизация измерителя от импульса, по которому включается мощный потребитель.

На экране вы увидите кратковременный провал линии развёртки (импульс отрицательной полярности) в момент запуска динамической нагрузки. Если такой импульс не обнаружен, нужно «поиграть» с чувствительностью канала вертикального отклонения и скоростью развёртки. Дефект обязательно проявится.

Источник энергоснабжения исправен, если для напряжения 3.3–5В провал составляет до 10%. В противном случае предстоит ремонт.

Способы исправления ситуации:

Для примера рассмотрим фрагмент схемы ESP32 с Wi-Fi, работающей от аккумулятора.

Если при включении Wi-Fi на передачу микроконтроллер перегружается, необходимо проверить состояние аккумулятора и при необходимости зарядить его, а в случае потери ёмкости заменить.

Если это не поможет, следует проверить блокировочные конденсаторы С7, С4, С6, С2, С3 на ёмкость и утечку с помощью измерителя эквивалентного последовательного сопротивления (ESR).

Величина ESR — частотно зависимый параметр. В документации производителей она указывается для 100 кГц и для 120Гц для импульсных и линейных блоков энергоснабжения соответственно.

Критерии оценки пригодности конденсаторов сведены в следующую таблицу.

Неисправные элементы подлежат замене.

Пульсациями считаются изменения напряжения энергоснабжения с частотой промышленной сети переменного тока или с частотой преобразователя, входящего в состав источника DC-DC. Частота флуктуаций сети составляет 50–100 Гц, а частота коммутационных помех, создаваемых преобразователями, находится в диапазоне от нескольких десятков до сотен кГц.

Полосы на экране, фон в аудиосистеме, нестабильная работа АЦП — всё это может быть вызвано пульсациями.

Пульсации 50 Гц воспринимаются на слух как фон переменного тока в наушниках, акустических системах или как полосы на экране монитора.

Коммутационные помехи блоков энергообеспечения с частотами выше 30 кГц на слух не воспринимаются. Они могут стать причиной нестабильной работы питаемой от источников энергообеспечения радиоэлектронной аппаратуры.

Для поиска рассматриваемых дефектов осциллограф включают в режим работы с закрытым входом, чувствительность канала вертикального отклонения выбирают в диапазоне 10—50 мВ на деление, скорость развёртки по горизонтали устанавливают 10 мс/дел для сетевых и 5–50 мкс/дел для коммутационных пульсаций.

Для диагностики блока питания щуп прибора подключают как можно ближе к нагрузке. При этом земляной проводник должен быть минимально коротким. Если не выполнить эти требования, то в длинном земляном проводнике будут наводиться внешние радиопомехи как в антенне. Источниками таких помех служат сварочные аппараты, промышленное электрооборудование и т. д.

Результаты тестирования с длинным земляным проводником будут далеки от реальности, так как слабые пульсации будут замаскированы мощными внешними помехами.

Источник энергоснабжения исправен, если для устройств с линейным стабилизатором размах амплитуды пульсаций от пика до пика (Vpp) составляет 1–5 мВ, а для DC-DC до 1% от выходного напряжения. Для энергообеспечения чувствительных радиочастотных цепей и АЦП допустимой величиной флуктуаций будет не более 0.1%.

Отличить сетевые пульсации от коммутационных можно по форме и частоте повторения. Сетевые — это всегда синусоида 50–100 Гц. Коммутационные — это прямоугольные импульсы с переменной скважностью, зависящей от величины нагрузки.

Для подавления рассматриваемых помех проверяют и при необходимости меняют ёмкости в LC-фильтрах. Для дополнительной фильтрации применяют ферритовые бусины, надетые на проводники питания, и дополнительные LC-фильтры.

Для защиты сигнальных кабелей от коммутационных помех используют ферриты, надеваемые поверх кабеля. Пример такого разъёмного феррита показан на рисунке выше.

Высокочастотные помехи, частота которых находится за пределами полосы пропускания канала вертикального отклонения осциллоскопа, не будут видны на экране измерителя. Но именно они могут быть причиной ненормальной работы оборудования.

Всё выглядит нормально на 20 МГц. Но проблема живёт выше 100 МГц.

Для примера оценим степень влияния шумов в шине энергоснабжения на работу прецизионного аналогово-цифрового преобразователя. Она характеризуется коэффициентом ослабления флуктуаций напряжения источника (PSRR). На следующем рисунке показана зависимость этого коэффициента от частоты для преобразователей серий AD4020-AD4022.

Из рисунка видно, что на частотах более 500 кГц величина PSRR резко уменьшается с 75 до 52 дБ. При этом существенно снижается соотношение сигнал/шум аналогово-цифрового преобразователя, что ухудшает качество его работы.

Чтобы выявить такую проблему, нужна полоса осциллографа в несколько сотен МГц, поскольку прибор с верхней частотой в 20 МГц не покажет, что происходит на более высоких частотах (ВЧ).

Причинами возникновения ВЧ-шумов являются помехи от коротких цифровых сигналов в радиоэлектронной аппаратуре, переключение мощных ключевых транзисторов и работа мощных передатчиков, влияющих на электромагнитную обстановку (EMI). Таких передатчиков предостаточно на любом радиотелевизионном передающем центре.

Приёмниками радиочастотных помех выступают длинные, ничем не защищённые от наводок соединительные проводники, а также неправильно спроектированные печатные платы. Из-за ошибок разработчиков радиоэлектронной аппаратуры в таких платах могут быть контуры заземления. Перечисленные выше конструктивные элементы играют роль приёмных антенн, в которых наводится высокочастотная электродвижущая сила. В результате нормальная работа оборудования нарушается.

Итогом воздействия высокочастотных наводок могут быть ошибки при передаче данных по интерфейсам SPI/I2C, сбои в работе АЦП, неустойчивая работа радиочастотных цепей.

Это простой тест, в ходе которого можно визуально обнаружить связь между сбоями в работе радиоэлектронной аппаратуры, переключениями нагрузки, включением (выключением) передатчиков.

Осциллограф последовательно подключают к источнику, шине энергообеспечения и нагрузке через дифференциальный щуп, минимизирующий внешние наводки на самом щупе.

Когда точка возникновения помехи локализована, для борьбы с ней применяют ферритовые изделия на шинах энергообеспечения и блокировочные керамические ёмкости.

Если на печатной плате имеются контуры заземления, их нужно разомкнуть с помощью обычного резака для резки фольгированного текстолита.

В предыдущих разделах статьи рассказывалось о том, как проверить блок питания осциллографом. Остановимся на диагностике блока питания путём контроля тепловых режимов работы его элементов.

Иногда лучший щуп — это инфракрасный пирометр.

Косвенным признаком необходимости тепловой диагностики служит большой потребляемый блоком энергоснабжения ток холостого хода. Для обнаружения такой проблемы используют пирометры и тепловизоры.

Пирометры — простые и дешёвые устройства, позволяющие определить температуру отдельных элементов. В отличие от пирометров, тепловизоры обеспечивают определение тепловой картины всей платы или устройства.

Перед тестированием источник питания нагружают на номинальную нагрузку и последовательно оценивают температуру каждого силового элемента, электролитических конденсаторов, дросселей и нагрев платы.

Перегрев любого элемента говорит о его неисправности.

Допустимый нагрев электролитических ёмкостей — до 60 °C, полупроводниковых приборов — в соответствии с технической документацией, дросселей — до 80 °C.

Если при диагностике осциллоскопом нестабильно работающего преобразователя DC-DC проблем не выявлено, то тепловизор поможет обнаружить дефектный конденсатор с недопустимым ESR (Equivalent series resistance — эквивалентное последовательное сопротивление). Он подлежит замене.

Современная бытовая электроника характеризуется очень малым потреблением энергии. Например, ток, потребляемый микроконтроллером в режиме сна, находится в диапазоне единиц микроампер. Экономичные приборы с малой потребляемой мощностью применяются в IoT-устройствах с автономным энергоснабжением и в любой портативной радиоэлектронной аппаратуре.

Ситуация: аппарат потребляет 50 мА в режиме сна, а должен потреблять 5 мкА. Где искать?

Для повышения точности измерений токов утечки необходимо соблюдать следующие правила:

Если дефект обнаружен в программно управляемой технике, можно попробовать обновить прошивку. Если это не помогло, то причина кроется в аппаратной части.

Для поиска дефектной микросхемы с помощью мультиметра в мкА режиме нужно измерить ток, потребляемый каждым кристаллом, и выявить дефектный. Причиной паразитного потребления могут быть также полупроводниковые приборы с большим током утечки. Дефектные элементы необходимо заменить.

В завершении темы обнаружения неисправностей я поделюсь личным опытом. Не раз сталкивался с ситуацией, когда переходы биполярных транзисторов при их проверке мультиметром оказываются исправными. Но при попытке измерения коэффициента усиления этот параметр не определяется, т. е. транзистор неисправен. Поэтому нужно учитывать, что правильная прозвонка переходов не гарантирует истинную оценку состояния биполярных транзисторов.

Для профессионального поиска неисправностей в цепях энергоснабжения понадобится следующее метрологическое обеспечение.

Базовый набор:

Дополнительный набор:

Для выполнения большинства работ по поиску и устранению проблем, связанных с некорректной работой блоков энергообеспечения, достаточно иметь осциллограф с дифференциальным щупом, электронную нагрузку и мультиметр. Остальные измерители применяются по мере необходимости.