Testy zwarciowe zasilacza liniowego [ULNLPS]

Opublikowano przez

Pierwszy prototyp zasilacza liniowego został wykonany i poddany serii testów weryfikujących poprawność działania w stanach dynamicznych i awaryjnych. Jednym z kluczowych przypadków jest zwarcie wyjścia – zarówno pojedynczego kanału, jak i wszystkich jednocześnie.

Do testów przygotowano stanowisko składające się z badanego zasilacza, generatora przebiegów arbitralnych, modułu szybkiego łącznika z tranzystorem MOSFET, sondy prądowej oraz sondy napięciowej.

Standardowe przewody USB okazały się nieprzydatne – ich rezystancja znacząco ogranicza prąd zwarciowy i fałszuje wyniki. W pierwszych próbach sumaryczny prąd z czterech wyjść wynosił ok. 30 A, co było wartością podejrzanie niską. W związku z tym wykonano przewody o przekroju 0,5 mm² (20 AWG) i sprowadzono cztery kanały do jednej pary przewodów o niskiej impedancji.

Układ zwarciowy początkowo oparto na tranzystorze IFRP520 (100 V, 0,27 Ω, 9,2 A), który uległ uszkodzeniu przy pierwszym załączeniu. Zastąpiono go tranzystorem IRFB4710 (100 V, 14 mΩ, 75 A), zdolnym do pracy impulsowej przy dużych prądach.

Zdjęcie uszkodzonego tranzystora pochodzącego z układu do testowania.

Zwarcie czterech wyjść jednocześnie

Zasilacz zachowuje się powtarzalnie i stabilnie podczas zwarcia.

Zarejestrowano:

  • maksymalny prąd zwarcia: 70 A (17,5 A / kanał)
  • czas impulsu wysokoprądowego: ok. 100 µs

Energia tego impulsu pochodzi z kondensatorów wyjściowych (tantalowych i ceramicznych).

Widok na PCB z gniazdem USB

Po rozładowaniu kondensatorów:

  • prąd spada do ok. 12 A
  • następnie ograniczany jest do 9 A (2,25 A / kanał)

Napięcie wyjściowe w stanie ograniczenia wynosi ok. 236 mV i odpowiada spadkom napięcia w obwodzie pomiarowym.

Pomiar prądu zwarcia czterech wyjść jednocześnie (analiza szybka 700us).
Ch.1 – napięcie na czterech połączonych wyjściach. Ch.2 – prąd zwarciowy na wyjściu.

Zwarcie jednego wyjścia

W tym przypadku zjawiska dynamiczne są wyraźnie inne.

Zarejestrowano:

  • maksymalny prąd zwarcia: 28,2 A
  • czas impulsu: ok. 100 µs
  • prąd ustalony: ok. 2,5 A

Oznacza to, że ograniczenie prądowe działa niezależnie dla kanałów, a sprzężenie między nimi jest niewielkie.

Pomiar prądu zwarcia jednego wyjścia (analiza szybka 280us).
Ch.1 – napięcie na wyjściu czterech połączonych kanałów. Ch.2 – prąd zwarciowy na wyjściu.
Pomiar prądu zwarcia jednego wyjścia (analiza w dłuższym czasie – 28s).
Ch.1 – napięcie na wyjściu czterech połączonych kanałów. Ch.2 – prąd zwarciowy na wyjściu.

Zwarcie jednego wyjścia i pomiar napięcia na pozostałych

Zwarcie jednego nie wpływa w sposób znaczący na pracę pozostałych wyjść. Zaobserwowano spadek napięcia wyjściowego pozostałych kanałów wynoszący 0,8%, co wskazuje na dobrą separację energetyczną kanałów i poprawnie zaprojektowaną topologię zasilania.

Pomiar przed zwarciem
Pomiar po zwarciu

Test z ładowaniem baterii kondensatorów

Stanem zbliżonym do zwarcia jest podłączenie do wyjścia zasilacza kondensatora o dużej pojemności.
W chwili początkowej jego impedancja jest bliska zeru, dlatego dla stabilizatora jest to najtrudniejszy przypadek dynamiczny – trudniejszy niż klasyczne zwarcie, ponieważ układ musi jednocześnie uruchomić własną pętlę regulacji i dostarczyć znaczną energię.

Test polegał na załączeniu zasilacza przyciskiem na panelu przednim przy podłączonym obciążeniu pojemnościowym.

Warunki początkowe:
– rozładowane kondensatory wewnętrzne zasilacza;
– rozładowane kondensatory obciążenia.

Obciążenie:
Podłączone do jednego kanału zasilacza zestawu dwóch kondensatorów elektrolitycznych o pojemności 2 × 0,1 F / 25 V.

Niebieski – napięcie wyjściowe
Czerwony – prąd wyjściowy

Faza 1 – start zasilacza (0 – 240 ms)
Po załączeniu napięcie wyjściowe narasta liniowo. Prąd ładowania narasta do wartości 3A i utrzymuje tą wartość przez około 240 ms do czasu naładowania kondensatorów stanowiących obciążenie. Oznacza to, że zasilacz pracuje w trybie ograniczenia prądowego jeszcze przed osiągnięciem regulacji napięcia.
Zasilacz uruchamia się jako źródło prądowe, a nie napięciowe. To jest kluczowa i pożądana właściwość umożliwiająca pracę z urządzeniami wymagającymi dużego prądu rozruchowego.

Faza 2 – przejście z trybu prądowego na napięciowy (ok. 300 ms)
W momencie gdy napięcie kondensatora zbliża się do napięcia nastawy:
– prąd zaczyna maleć wykładniczo;
– napięcie osiąga wartość regulowaną;
– nie występuje zjawisko przeregulowania.
Zasilacz przechodzi z trybu ograniczenia prądu (CC) do stabilizacji napięcia (CV) w sposób ciągły – bez oscylacji pętli regulacji.
Wiele stabilizatorów LDO w tym punkcie wpada w oscylacje lub generuje overshoot.

Faza 3 – stabilizacja
Po naładowaniu kondensatora:
– prąd spada do wartości bliskiej zeru;
– napięcie pozostaje stabilne;
– brak oscylacji i brak ponownego wzbudzenia.

Podłączenie dużej pojemności do już pracującego zasilacza

Warunki testu:
– zasilacz w stanie ustalonej pracy;
– napięcie wyjściowe ≈ 5 V
– podłączenie obciążenia poprzez szybki łącznik (tranzystor).
– obciążenie: 2 × 0,1 F (0,2 F)
– jeden kanał zasilacza

Moment podłączenia

Po dołączeniu kondensatora napięcie wyjściowe gwałtownie zapada się prawie do zera.
Jest to zjawisko fizycznie nieuniknione – kondensator o napięciu 0 V wymusza przepływ prądu ograniczony wyłącznie impedancją wyjścia zasilacza i przewodów. Jednocześnie prąd osiąga około 25 A.
Jest to prąd rozładowania kondensatorów wyjściowych stabilizatora.

Wejście w ograniczenie prądowe
Po bardzo krótkim czasie regulator przechodzi w tryb CC.
Od tego momentu kondensator ładowany jest stałym prądem.
Na przebiegu widać:
– liniowy narost napięcia;
– stały prąd ładowania.
Układ zachowuje się jak źródło prądowe mimo pracy przed zdarzeniem w trybie stabilizacji napięcia.

Powrót do regulacji napięcia
Po osiągnięciu napięcia nastawy:
– prąd maleje wykładniczo;
– napięcie stabilizuje się;
– brak przeregulowania
– brak oscylacji
– Przejście CC/CV jest ciągłe.

Wnioski praktyczne

  • Zasilacz można bezpiecznie włączać na obciążenia o bardzo dużej pojemności (setki miliFaradów) – start przebiega w trybie źródła prądowego, bez udaru prądowego i bez nadnapięcia.
  • Podłączenie rozładowanego urządzenia do już pracującego wyjścia nie powoduje przepięcia ani niestabilności. Układ samoczynnie przechodzi w ograniczenie prądowe i wraca do regulacji napięcia w sposób ciągły.
  • Odbiornik nie wymaga układów pre-charge ani soft-start – można bezpiecznie zasilać przetwornice, moduły FPGA, płyty główne i duże banki kondensatorów.
  • Zwarcie jednego kanału nie destabilizuje pozostałych. Spadek napięcia jest niewielki i krótkotrwały.
  • Ograniczenie prądowe działa powtarzalnie i przewidywalnie.
  • Brak oscylacji pętli regulacji przy obciążeniu pojemnościowym – układ nadaje się do zasilania czułej elektroniki analogowej i cyfrowej.
  • W stanach przeciążenia energia wydziela się w czasie kontrolowanym, co ogranicza stres termiczny elementów i zwiększa niezawodność.