№7 / 2014 / статья 5

Точное измерение КПД устройств с ультрамалым собственным потреблением

Крис Глейсер (Texas Instruments)

В современных разработках широко используются интегральные импульсные преобразователи напряжения с ультрамалым собственным потреблением, такие, как TPS62740, TPS62091 или TPS62360 производства Texas Instruments. В инженерной практике, в процессе разработки и отладки важно корректно измерить КПД этих изделий.

Каждый инженер, тесно связанный с силовой электроникой, знает и понимает основные принципы организации лабораторных измерений КПД. Однако имеется много важных нюансов, которые необходимо учитывать при измерении КПД приборов с ультранизким током собственного потребления IQ. Схемные токи преобразователей напряжения (ПН) с потреблением менее 1 мкА очень малы, и их измерение является нетривиальной задачей. Если не учитывать определенных особенностей измерений, то результаты опытов, использующиеся для вычисления КПД ПН при малых нагрузках, могут ошибочно показывать, что КПД значительно ниже, чем в официальной документации, а также ниже, чем наблюдаемый КПД при реальном применении. В этой статье рассматриваются основные принципы организации такого измерения, освещаются распространенные ошибки при измерении КПД ПН с ультрамалым собственным потреблением в режимах малой нагрузки и демонстрируется решение этих проблем.

Основные принципы измерения КПД ПН

В публикации [1] детально рассматривается оптимальная организация стенда для точного измерения КПД преобразователя, спроектированного для работы в режиме низкого энергопотребления. Основные причины проблем, описанные в настоящей статье, также объясняются в публикации [1] и поэтому должна быть прочитана в первую очередь.

В соответствии с общепринятыми представлениями КПД преобразователия в настоящей статье определяется согласно следующей формуле:

Обратим внимание на два ключевых вывода, сделанных в публикации [1].

Во-первых, любые ПН, работающие в энергосберегающем режиме, потребляют от источника питания импульсный ток (короткие интервалы времени потребления тока сравнительно большого значения чередуются с длительными паузами, когда ток потребления очень мал). Это означает, что от источника питания фактически потребляется переменный ток. ПН, работающие в режиме непрерывного тока или же использующие ШИМ, потребляют от источника питания практически постоянный ток. Использование RMS амперметра для измерения импульсного тока преобразователя напряжения может привести к значительной ошибке измерений входного тока. Таким образом, на входе стенда для корректного изменения КПД обязательно должен быть установлен входной конденсатор достаточно большой емкости, подключаемый после амперметра, измеряющего входной ток ПН. Конденсатор сглаживает импульсный ток, потребляемый ПН в режиме частотно-импульсной модуляции, и в итоге через входной амперметр протекает постоянный ток.

Во-вторых, в публикации [1] указывается корректное размещение вольтметров (на входе и выходе преобразователя) относительно амперметров. Это важно для обоих типов преобразователей, работающих как с ШИМ, так и с частотно-импульсной модуляцией, и призвано исключить влияние падений напряжения на амперметрах на расчет КПД. Таким образом, каждый вольтметр должен быть подключен непосредственно к шинам входного и выходного напряжений на печатной плате ПН. В идеале – к контактам разьемов «S+/S-», имеющимся на большинстве плат категории «Еvaluation modules». Соответственно, входной амперметр выносится ближе к источнику питания, а выходной амперметр объединяется с нагрузкой. Такое размещение оборудования в составе стенда (рисунок 1), обеспечивает наилучшую точность измерения КПД преобразоватея с частотно-импульсной модуляцией.

Проблемы испытательного стенда для измерения КПД преобразователя с ультрамалым током собственного потребления IQ

Измерение КПД устройств с ультрамалым током собственного потребления IQ требует особого обсуждения. Для определенности будем относить к ним приборы с IQ ≤ 10 мкА. Ниже этого уровня входной ток преобразователя оказывается сопоставим с величинами токов, протекающих через один или оба вольтметра, а также с током утечки входного накопительного конденсатора. Это может существенно повлиять на правильность измерения входного тока преобразователя и, соответственно, на величину КПД ПН при малых нагрузках. Обратите внимание, что если стендовое оборудование имеет повышенное собственное потребление, то это может приводить к похожим проблемам с обеспечением точности измерения КПД даже у преобразователей, не относящихся к группе приборов с ультрамалым током собственного потребления IQ [2].

Входное сопротивление вольтметра, измеряющего UВХ

Два вольтметра в составе стенда (рисунок 1) имеют конечное входное сопротивление. Например, стандартные носимые цифровые мультиметры Fluke с автономным питанием имеют входное сопротивление примерно 10 МОм. Если представляется, что это – очень большая величина, и входное сопротивление мультиметра не влияет существенно на точность измерения КПД, рассчитаем, какой ток протекает через него при измерении обычно используемого входного напряжения ПН 3.6 В. В случае, когда 3.6 В приложено к входным клеммам мультиметра (параллельно его входному сопротивлению), через вольтметр протекает ток 360 нА. Это 360 нА эффективного тока утечки, который забирается прямо со входа ПН и, соответственно, протекает через амперметр, измеряющий Iвх. Таким образом, подключение вольтметра ко входу преобразователя увеличивает Iвх на 360 нА. Если испытываемое устройство имеет IQ, например, 20 мкА, то эти 360 нА утечки через вольтметр составляют менее 2% от Iвх и не играют большой роли. Однако, если тестировать понижающий импульсный регулятор, подобный TPS62740 производства компании Texas Instruments, чей IQ = 360 нА, дополнительное потребление вольтметра удваивает наблюдаемый Iвх. Это выражается в очень большой разнице значений КПД преобразователя (реального и кажущегося).

Рис. 1. Рекомендуемая организация стенда для измерения КПД преобразователя с частотно-импульсной модуляцией

Рис. 1. Рекомендуемая организация стенда для измерения КПД преобразователя с частотно-импульсной модуляцией

Дополнительный ток нагрузки, протекающий через вольтметр на выходе преобразователя

Вольтметр, подключенный к выходу ПН, играет ту же роль, что и входной. Через него протекает некоторый дополнительный ток (ток утечки), не измеряемый в качестве тока нагрузки. Соответственно, эта утечка не учитывается при расчете КПД, вследствие чего рассчитанный КПД получается ниже действительного. Вольтметр на выходе создает дополнительную нагрузку, которая приводит к протеканию дополнительного (измеряемого) тока на входе преобразователя. Наличие этого дополнительного не измеряемого тока нагрузки и создаваемого им дополнительного входного тока уменьшает измеренное значение КПД преобразователя по сравнению с реальной величиной.

Влияние большого тока утечки дополнительного входного накопительного конденсатора

Наконец, дополнительный входной конденсатор, используемый для сглаживания тока, потребляемого преобразователем, может иметь большой ток утечки и значительно влиять на Iвх. Например, некоторые конденсаторы большой емкости имеют гарантированную величину тока утечки порядка сотен микроампер. Ток утечки может изменяться со временем, поэтому его реальную величину нужно проверять перед проведением любых измерений КПД. Этот дополнительный ток, если он достаточно большой, может значительно ухудшить значение КПД.

Решение проблем измерительного стенда

Три описанные выше проблемы подключения измерительных приборов можно решить очень просто. Наиболее важным моментом, который следует помнить, является следующий простой факт: оборудование стенда, используемое при получении исходных данных для вычисления КПД, может вносить погрешности в результаты измерений. Это имеет особое значение при малых нагрузках преобразователя, когда токи очень малы и их точное значение трудно измерить.

Учет тока утечки через внутреннее сопротивление входного вольтметра

Есть три метода учета тока утечки через входной вольтметр:

  • отсоединение вольтметра;
  • изменение схемы подключения вольтметра в стенд;
  • компенсация этого тока утечки.

Первый и простейший метод – фиксация входного напряжения вольтметром, подключенным к стенду по обычной схеме, и затем отсоединением вольтметра от входа преобразователя перед выполнением измерения входного тока. Таким способом обеспечивается точное измерение Uвх без увеличения Iвх. Этот метод вносит минимальную погрешность измерения. Что действительно недопустимо, так это считывание значения входного напряжения с дисплея источника питания (который обычно не калиброван) и использование этих данных для расчета КПД. Для измерения входного напряжения на отладочных платах типа EVM, напротив, следует использовать вольтметр высокой точности. Это позволяет избежать падения напряжения на соединительных проводах между источником питания и отладочной платой.

Второй метод учета тока утечки через входной вольтметр заключается в изменении схемы его подключения. Положительный вывод вольтметра может быть перенесен на положительный вывод входного амперметра, в то время как подсоединение земляного (отрицательного) вывода вольтметра сохраняется без изменений (контакт разъема S- на EVM-плате). В этом случае входной вольтметр не создает дополнительного измеряемого тока и, следовательно, не влияет на расчет КПД. Недостаток этого метода состоит в том, что вольтметр дополнительно измеряет падение напряжения на входном амперметре. Однако при очень малых нагрузках указанное падение напряжения обычно незначительно. Для минимизации этой погрешности при больших нагрузках схема включения входного вольтметра может быть возвращена к первоначальному виду (рисунок 1), когда Iвх в 100 и более раз превышает ток утечки через вольтметр. Это позволяет иметь простой стенд, в котором входной вольтметр постоянно подключен к испытательному оборудованию и погрешности измерения минимизированы.

Рис. 2. Организация измерений КПД с компенсацией влияния утечки тока через входной вольтметр

Рис. 2. Организация измерений КПД с компенсацией влияния утечки тока через входной вольтметр

Третий метод учета тока утечки через входной вольтметр заключается в измерении этого тока с помощью дополнительного амперметра (рисунок 2). Полученное значение тока через вольтметр вычитается из измеренной величины Iвх. Этот результат используется для вычисления КПД. Такой метод учета тока утечки через входной вольтметр является наилучшим. Рассчитанное этим способом значение КПД наиболее точно, поскольку входной вольтметр остается постоянно подключенным к измерительному стенду. Кроме того, если предположить, что Uвх не изменяется в процессе испытаний, ток утечки вольтметра также остается приблизительно постоянным. Этот факт позволяет выполнить единственное измерение тока утечки вольтметра, соответствующее данному входному напряжению, и использовать это значение для вычисления КПД при различных нагрузках. Другими словами, запись данных с этого дополнительного амперметра для всех вариантов комбинаций Uвх и Iвых не требуется.

Учет дополнительного тока нагрузки через внутреннее сопротивление выходного вольтметра

Ток утечки выходного вольтметра можно определить теми же тремя способами, что и для входного вольтметра. Первый метод (отсоединение выходного вольтметра) может быть применен, как и описано выше, путем подключения вольтметра к измерительному стенду, снятия значения Uвых, затем его отключения и снятия значения Iвх. Второй метод для измерения Uвых (изменение схемы подключения выходного вольтметра) немного отличается. В этом случае выходной вольтметр подключается к стенду после выходного амперметра, чтобы его ток утечки суммировался с током нагрузки, давая полный ток Iвых. При испытаниях, когда ток нагрузки в 100 и более раз превышает ток утечки через вольтметр, можно восстановить стандартную схему подключения выходного вольтметра, используя контакты разьема «S+/S-» на отладочной плате EVM. Третий метод (компенсация тока утечки через выходной вольтметр) может быть применен таким же образом, как и для входного вольтметра. Заметим, что для этого метода значения тока нагрузки, указываемые на графике зависимости КПД от сопротивления нагрузки, должны быть получены суммированием тока, протекающего через нагрузку, и тока утечки через вольтметр. Игнорирование этого обстоятельства может слегка сдвинуть график КПД вдоль оси тока нагрузки.

Наилучший путь исключения погрешностей, связанных с токами утечки, проходящими через вольтметры, это использование вольтметров с минимально возможным уровнем входного тока. Например, данные о величине КПД, приведенные в документации на TPS62740 [3], получены на стенде с использованием мультиметров Agilent 34410A. Их входное сопротивление в режиме вольтметра, равное 10 ГОм, обеспечивает очень малый ток утечки и отсутствие какого-либо влияния вольтметра на измеряемое значение КПД.

Минимизация влияния тока утечки дополнительного конденсатора большой емкости на входе ПН

Наконец, влияние тока утечки входного конденсатора лучше всего устраняется выбором конденсатора подходящего типа. Керамические конденсаторы большой емкости с диэлектриком X5R или X7R с малыми токами утечки рекомендуются для использования при измерении КПД преобразователя с ультрамалым собственным потреблением. Технология производства этих конденсаторов обеспечивает наименьшие значения токов утечки. Если же напряжения для керамического конденсатора оказываются слишком велики – следует использовать полимерные или танталовые конденсаторы с малыми токами утечки. Необходимо проверять по документации на конденсаторы, могут ли их токи утечки вызывать заметные погрешности измерения. Также необходимо измерять реальные значения токов утечки конденсаторов, используемых при измерении КПД.

Результаты измерений КПД преобразователя напряжения при различных вариантах организации испытательного стенда

На рисунке 3 сравниваются результаты измерений КПД при нескольких различных конфигурациях испытательного стенда, используемого для тестирования отладочного модуля TPS62740EVM-186 [4]. Правильная организация измерений подразумевает в том числе и использование керамического конденсатора 100 мкФ в качестве входной накопительной емкости и компенсации токов утечки входного и выходного вольтметров. Указанной величины входной емкости достаточно для получения точных результатов измерений, о чем свидетельствует потребление приблизительно постоянного тока от источника питания. Если же для подключения источника питания к стенду используются более длинные провода, которые имеют повышенный импеданс, форма входного тока может несколько изменяться, становясь ближе к синусоидальной. В этом случае появляется дополнительная погрешность измерения Iвх, следовательно, возникает необходимость увеличить емкость накопительного входного конденсатора для сохранения точности измерений.

Рис. 3. Сравнение результатов измерения КПД преобразователя при различных условиях измерений

Рис. 3. Сравнение результатов измерения КПД преобразователя при различных условиях измерений

На рисунке 3 также показаны результаты измерения КПД при трех вариантах неправильной организации испытаний:

  • без компенсации тока утечки входного вольтметра;
  • без компенсации токов утечки обоих вольтметров;
  • без компенсации токов утечки обоих вольтметров с добавлением тока утечки входного конденсатора величиной 5 мкА.

Как и можно было ожидать, точность измерений КПД ПН прогрессивно уменьшается по мере ухудшения условий тестирования.

Дополнительная информация к вопросу измерения КПД ПН

Есть еще два аспекта, которые заслуживают упоминания: применение источника питания с вынесенной обратной связью и использование внешних или внутренних резисторов, устанавливающих значение выходного напряжения преобразователя. Каждый из этих факторов, хотя и в меньшей степени, но все-таки влияет на величину КПД.

Источники питания, работающие с вынесенной обратной связью, иногда используются в составе стендов для измерения КПД с целью стабилизации входного напряжения преобразователя независимо от величины падения напряжения на входном амперметре. Однако, как и входной вольтметр, цепь вынесенной обратной связи потребляет определенный ток. Часто величина этого тока относительно велика – до нескольких сотен микроампер. Разумеется, такой большой ток, протекающий по измерительному стенду, влияет на расчетную величину КПД и приводит к ошибочным результатам. Таким образом, для получения точных результатов линии вынесенной обратной связи источника питания должны быть подключены до входного амперметра, а не после него.

Последняя проблема, которой стоит уделить внимание при измерении КПД преобразователя с ультрамалым собственным потреблением, заключается в выборе: использовать для установки выходного напряжения преобразователя внешние резисторы обратной связи или внутренние, интегрированные в преобразователь? Большинство ПН предполагает применение двух внешних резисторов для установки выходного напряжения. Они подключаются между линией выходного напряжения преобразователя, его выводом обратной связи и общим проводом. Это дает разработчику полную свободу для установки величины выходного напряжения. Однако применение внешних резисторов и высокая чувствительность вывода обратной связи приводят к восприимчивости ПН к помехам. Любые помехи, попадающие на вывод обратной связи, усиливаются, искажая выходное напряжение преобразователя. Для исключения этого обстоятельства и для обеспечения устойчивости преобразователя ко внешним источникам помех приходится использовать TPS62740 сравнительно небольшие сопротивления резисторов обратной связи, устанавливая ток в этой цепи порядка 1…10 мкА. Данный ток, не протекающий через нагрузку, является источником дополнительных потерь, приводящих к снижению КПД.

Для увеличения КПД резисторы обратной связи и вход усилителя сигнала ошибки преобразователя должны находиться внутри источника питания, что удаляет их от внешних источников помех. В этом случае можно без особого ухудшения КПД использовать большие значения сопротивлений задающего делителя с минимально возможным протекающим через делитель током. В то время как большинство ПН со встроенными резисторами делителя обратной связи имеют фиксированное предустановленное значение выходного напряжения, не оставляя разработчику возможностей для выбора, понижающий импульсный регулятор напряжения TPS62740 преодолевает это ограничение. Он имеет 4 цифровых входа, которые позволяют разработчику выбирать один из 16 вариантов значения выходного напряжения в диапазоне от 1.8…3.3 В с шагом в 100 мВ. Аналогично этому, преобразователи серии TPS62xxx, выпускаемые компанией Texas Instruments, имеют интегрированные резистивные делители обратной связи – с фиксированным выходным напряжением (TPS62091) или перестраиваемые по шине I2С (TPS62360). Эти преобразователи с ультрамалым собственным потреблением предпочтительны для использования, поскольку не уменьшают свой КПД из-за применения внешних резисторов и при этом обеспечивают достаточную гибкость настройки параметров.

 

Заключение

Точное измерение КПД преобразователей с ультрамалым собственным потреблением является довольно трудной задачей, поскольку токи в такой схеме очень малы. Основные принципы лабораторных измерений КПД для этих устройств должны быть слегка усовершенствованы, чтобы достичь приемлемой точности результатов, отражающих реальные характеристики схемы в конечном применении. Ключевым условием точных измерений является корректный учет или исключение различных токов утечки через измерительное оборудование.

 

Литература

  1. Jatan Naik, «Performing accurate PFM mode efficiency measurements,» Application Report. Available
  2. Chris Glaser, «Iq: What it is, what it isn’t, and how to use it,» Analog Applications Journal (2Q, 2011). Available
  3. «360nA Iq step down converter for low power applications,» TPS62740 Datasheet. Available
  4. «TPS62740EVM-186 Evaluation Module,» User’s Guide. Available

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

TI_TPS62740_NE_08_14_0_opt

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, ...читать далее