Wirkungsgrad des Wandlers ermitteln

Hier ist eine relativ einfache Lösung, aber nicht unbedingt eine billige (abhängig von Ihrem Budget).

Ein Oszilloskop liefert Ihnen wahrscheinlich nicht die gewünschte Genauigkeit, da es normalerweise einen 8-Bit-ADC verwendet, der eine Messunsicherheit von 0,2 % allein durch die Abtastdigitalisierung ergibt.

Erwägen Sie stattdessen einfach die Verwendung von zwei Tischmultimetern wie dem Agilent 34401A. Ich habe mir keine anderen Modelle angesehen, aber der 34401A kann Strom mit der erforderlichen Genauigkeit messen (z. B. 0,05 % des Messwerts + 0,005 % des Skalenendwerts im 100-mA-Bereich).

Sie können extern mit 300 Messwerten/Sekunde (bei 5-1/2-stelliger Auflösung) getriggert werden, sodass Sie ein viel kürzeres Abtastfenster als Ihr Lastschaltzyklus erhalten. Wenn Sie die Messgeräte anschließen, um den Eingangs- und Ausgangsstrom zu messen, und sie dann gleichzeitig auslösen, können Sie die Ergebnisse vergleichen, um den Wirkungsgrad zu bestimmen (vorausgesetzt, die Eingangs- und Ausgangsspannungen bleiben konstant).

Wenn sich auch die Eingangs- und Ausgangsspannungen ändern, benötigen Sie möglicherweise 4 Multimeter, um alle erforderlichen Informationen zu erhalten.

Wenn Sie Ihre Messung auf die Momente synchronisieren können, in denen die Last umschaltet, benötigen Sie nur halb so viele Multimeter, da Sie zuerst messen können, wie sich der Eingangsstrom und die Eingangsspannung als Reaktion auf die Lastumschaltung ändern, und dann die Messgeräte bewegen und messen, wie die Ausgang reagiert auf das Schaltereignis.

Die genannten Spezifikationen können mit zwei hochwertigen Voltmetern und zwei Spannungsamperemetern mit sehr niedriger Bürde erreicht werden, die alle protokollieren können, um die Verwendung von Mittelungsalgorithmen zu ermöglichen.

Um die spezifizierte Auflösung von 0,25 % zu überschreiten, müssen Strom- und Spannungsmessungen unter der Annahme identischer Messtechniken am Ein- und Ausgang (daher identische relative Fehler) die aus der Wirkungsgradberechnung resultierende Unsicherheitsgleichung erfüllen$(\eta=P_{out}/P_{in})$:

Durch die Verwendung von uCurrent zur Beseitigung der Bürdenspannung kann eine Strommessgenauigkeit von 0,5 % im mA-Bereich und mit einem Qualitätsmessgerät wie dem Fluke 87V eine Spannungsmessgenauigkeit von 0,05 % im 6-V-Bereich erreicht werden. Setzen Sie es in die Gleichung ein:

Ziemlich knapp. Der aktuelle Messfehler überschwemmt diese Zahl. Es kann unter Verwendung von Mittelungsalgorithmen verbessert werden, wobei hauptsächlich zufällige Fehler angenommen werden. Messgeräte mit Protokollierungsfunktion würden eine einfache Messsynchronisation ermöglichen.

Wenn die Welligkeit am Ein- oder Ausgang gemessen werden kann, verwenden Sie die [wahren] RMS-Messwerte. In diesem Fall ist die angegebene gemessene Effizienzauflösung jedoch wahrscheinlich nicht brauchbar.$\sqrt{4\left(\frac{V_{ripple,RMS}}{5V}\right)^2}$wäre das beste Maß, nach dem ich suchen würde. (z. B. 0,8 % für 20 mV _RMS - Welligkeit.)

Vieles im Folgenden ist (hoffentlich) „angewandter gesunder Menschenverstand 101“. Es wird einiges an empirischem Twiddeln vorgeschlagen (ein größerer Kondensator verursacht hier ... / eine längere Bandkonstante hilft xxx, macht aber yyy schwieriger ...). Obwohl dies weitaus komplexer zu sein scheint als "nur ein Tischnetzteil zu verwenden", gelten die gleichen Überlegungen, unabhängig davon, was verwendet wird. Wenn das Netzteil von aufgestiegenen Meistern wie HP oder Tektronix erstellt wurde, kann es möglicherweise bereits mit rückgekoppeltem Rauschen und schnellen Stromschwankungen umgehen. Wenn es von Mindersterblichen erstellt wurde, wie viele der billigeren Tischnetzteile, kann es anfällig für lastbedingte Probleme sein, ohne dass dies offensichtlich ist. Ich habe die angezeigte Spannung gesehenBei Zwei-Meter-Versorgungen (Strom und Spannung) steigen die Versorgungen sehr stark an, wenn die Belastung variiert wurde, obwohl die Versorgung nie in Strombegrenzung war und die Spannung konstant und tatsächlich mehr oder weniger konstant sein sollte. Das Hinzufügen einer Rauschfilterung zwischen Versorgung und Last neigt dazu, solche Probleme auf Kosten des Hinzufügens eines "Last"-Widerstands zu beheben. Dies kann möglicherweise überwunden werden. Siehe unten.

Der Begriff "Bürdenspannung" wird häufig verwendet, um den Spannungsabfall über einem Amperemeter zu bezeichnen. In den folgenden Beispielen gibt es einen Belastungswiderstand von NULL.

Einfache Methode: Die Eingangsleistung kann ausreichend gut gemessen werden, indem sichergestellt wird, dass die Betriebsspannung der gewünschten entspricht, und dann der Strom so gemessen wird, dass keine "Bürdenspannung" entsteht. Im Folgenden finden Sie eine einfache und eine noch einfachere Möglichkeit, dies zu erreichen.

Das erste Diagramm erfordert ein paar Kleinigkeiten, um es fertigzustellen (hauptsächlich ein paar Kondensatoren), ist aber so wie es ist nahezu brauchbar.

R1C1 und R2C2 sind einfach Rauschfilter für die verwendeten Messgeräte. Die Anforderungen werden unten diskutiert.

Magie. In gewisser Weise. R_Isense wird als Strommesswiderstand verwendet. Da der Strom vor dem Spannungsregler von IC1/Q1 erfasst wird, ist der Spannungsabfall darüber unwichtig. Solange Vin angemessen ist, kann der Abfall über R_Isense 0,1 Ohm oder 1 Ohm oder 10 Ohm oder mehr betragen. Es gibt keine "Bürdenspannung" - der Spannungsabfall am Messwiderstand spiegelt sich nicht in einer Änderung der Ausgangsspannung wider. Bürdenspannung = Null.

Anstatt einen Widerstand bei R_Isense zu verwenden, kann ein Amperemeter verwendet werden. Dies hat auch keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung und die Bürdenspannung ist Null.

Wenn die Schaltung zwischen einem Schlaf- und Wachmodus mit Strömen im Mikroamperebereich im ersten Fall und 10 oder 100 mA im letzteren Fall umschaltet, finde ich es nützlich, ein Amperemeter zu verwenden, das auf automatische Bereichseinstellung an der Stelle von R_Isense eingestellt ist ODER ein Voltmeter mit automatischer Bereichswahl über R_Isense. Dadurch kann der Strom in beiden Modi angezeigt werden und es gibt wieder/noch keine Lastspannung, da sich das Messgerät auf der Eingangsseite des durch IC1/Q1 gebildeten Spannungsreglers befindet.

Q1 und IC1 sind ein grundlegender Spannungsregler. Das Ziel besteht darin, Vout auf der gleichen Spannung wie Vr zu halten. Sagen Sie +5 VDC oder was auch immer. Um den sehr grundlegenden Betrieb der Schaltung klar zu halten, habe ich keine Rauschfilterung an Vout oder in der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers gezeigt, wie unten besprochen. Die Filterung kann so stark sein, wie es erforderlich ist, um ein sauberes Vout zu erhalten, und so gering wie erforderlich, um die Reaktion auf Lastschritte aufrechtzuerhalten. Ein größerer Kondensator über Vout erleichtert die Aufrechterhaltung der Spannung, ABER verhindert, dass schnelle Stromschwankungen über Isense gesehen werden. Wenn Vout über Vr steigt, geht der Ausgang des Operationsverstärkers auf Low, schaltet Q1 aus und reduziert Vout nach Bedarf. Wie gezeigt, ist der Operationsverstärker ein Komparator mit Open-Loop-Aktion und ohne Rückkopplung. Während dies OK funktionieren würde, möchte der Benutzer dem Operationsverstärker möglicherweise eine endliche Verstärkung geben, indem er negatives Feedback verwendet. Es wird ein N-Kanal-MOSFET verwendet, aber dies könnte ein P-Kanal-MOSFET mit invertierter Ansteuerung zum Operationsverstärker sein. Q1 könnte bipolar sein, aber es gibt keinen offensichtlichen Vorteil, in typischen Fällen keinen MOSFET zu verwenden.

Wie gezeigt, kann (wird) das Rauschen des Abwärtsreglers die Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers stören. Ein Kondensator kann über Vout hinzugefügt werden, um Stromspitzen und schnelle Schwankungen zu erzeugen und das SMPS-Rauschen zu reduzieren. Ein Filter gemäß R1C1 und R2C2 kann zwischen Vout und dem invertierenden Eingang hinzugefügt werden, um Rauschen zu reduzieren, das den Operationsverstärker beeinträchtigen kann. Ein RC-Filter am invertierenden Eingang mit einer 1/Zeit-Konstante mehrere Dekaden unterhalb der SMP-Schaltfrequenz sollte ausreichen. zB wenn der Buck-Regler bei 100 kHz arbeitet, dann ist eine Filterfrequenz von <= 1 kHz ein guter Ausgangspunkt. eh 10k, 0,1 uF.
Zeitkonstante t = RC = 10.000 x 1E-7 = 0,001 oder Frc =~~~ 1 kHz.

Sobald Sie die Spannungsversorgung "stabil genug" erhalten, wenn die Last variiert, erhalten Sie etwas kostenlose Magie. Versorgungsstrom fließt durch R_Isense. Der Laststrom kann durch Messen der Spannung hier bestimmt werden. Je mehr Spannung Sie über R_Isense abfallen lassen, desto mehr Genauigkeit (eigentlich Auflösung) steht zur Bestimmung des Stroms zur Verfügung. Wenn sagen I_load max = 100 mA. Wenn R_Isense 10 Ohm beträgt, fällt es bei 100 mA um 1 Volt ab. Wenn R_Isense = 100 Ohm ist, wird es 10 Volt bei 100 mA abfallen. Offensichtlich muss Vin groß genug sein, um dies zu ermöglichen. Mit einem 4-stelligen Voltmeter können Sie 0,1-mA-Schritte bei 100-mA-Vollausschlag auflösen. Wenn verfügbar, können Sie mit einem 6-stelligen Voltmeter beliebiger Genauigkeit 1-µA-Schritte auflösen. Es ist unwahrscheinlich, dass ein Messgerät mit 6-stelliger "Genauigkeit" verfügbar ist. Die Verwendung eines Multi-Ranging-Messgeräts, wie oben erwähnt,

EINFACHER:

Eine lästige, aber einfachere und supergünstige Lösung ist das folgende Diagramm.

Dies ist funktional äquivalent zu der früheren Anordnung, verwendet jedoch keine aktive Elektronik und hat wiederum eine effektive Lastspannung von null.

Der Strom wird mit R_Isense oder einem Amperemeter an dieser Position erfasst und Vout wird dann mit dem Messgerät an Vout2 gemessen. Die Filterung ist oft entscheidend für den korrekten Zählerbetrieb. Da Voltmeter verwendet werden, können die Zeitkonstanten R1C1 und R2C2 so hoch wie erforderlich sein, um das Rauschen der Schaltsignale auf Kosten des Ansprechzeitverlusts zu entfernen.

Lastleistungsmessung ist „mehr vom Gleichen“. Spannungsmessung mit gefiltertem Messgerät, um das SMPS-Rauschen ausreichend zu reduzieren. „Genug“ variiert je nach Hersteller und Geräuschpegel, ist aber wie oben „einfach“.

Wenn Rload konstant ist, kann auf Power out geschlossen werden.

Wenn Rload dynamisch ist, wird ein Strommesswiderstand oder ein Äquivalent benötigt. Auch hier ist eine "angemessene" Filterung unerlässlich - mit "angemessener Abhängigkeit von der Immunität des Messgeräts gegenüber SMPS-Rauschen.

Es scheint, dass der einfache Teil darin besteht, die von der Last am 5-V-Ausgang verbrauchte Wattleistung zu messen, da Sie Kohlewiderstände problemlos verwenden können, um eine rein ohmsche Last aufzubauen.

Um die vom PS verbrauchte Leistung zu messen, müssten Sie anscheinend Leistungsfaktorberechnungen durchführen. Wenn die Genauigkeit nicht so entscheidend wäre, könnte so etwas wie ein Kill-a-Watt angemessen sein.

Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, verfügt ein professionelles Labor im Allgemeinen über Instrumente, die regelmäßig professionell kalibriert und zertifiziert werden. Eine Fehlergrenze von +/- 0,25 % ist eine extrem enge Toleranz, da dies ein kumulativer Fehler über alle Messgeräte hinweg ist. Mit anderen Worten, wenn der Fehler bei der Messung der Eingangsleistung 0,1 % und der Fehler bei der Messung der Ausgangsleistung 0,2 % betrug, dann beträgt der potenzielle Gesamtfehler 0,3 % und verfehlt bereits Ihr Ziel. Vergessen Sie nicht, die Tatsache zu berücksichtigen, dass die meisten digitalen Anzeigen +- 1-stellig sind, was ebenfalls berücksichtigt werden muss.

Ich wünsche dir viel Glück und bin gespannt, wie du das machst.

Ich gehe davon aus, dass der Eingang eine Gleichstromquelle ist (ich versuche zu raten: ein Photovoltaikmodul?).

OPTION1: Ein I->V-Konverter am Ausgang des Konverters, wie der MAX4173, den Sie auf der Platine haben, und derselbe am Eingang. Dann können Sie mit dem Oszilloskop mit einer guten Mittelung die verbrauchte Leistung ziemlich genau messen, indem Sie 2 Kanäle für den Eingang (VI) und 2 für den Ausgang verwenden. Neben dem einfachen Messen der Werte können Sie die mathematischen Funktionen des Oszilloskops verwenden oder (meiner Meinung nach am besten) die USB-Schnittstelle des Oszilloskops mit den von Agilent bereitgestellten Treibern verwenden (ich verwende diese Treiber für das N6705B, aber sie müssen existieren auch für Ihr Oszilloskop) und laden Sie die Daten auf Ihren PC herunter.

OPTION2 (einfacher, aber weniger genau): Sie können den Ausgangsstrom direkt mit der Signalzufuhr zum ADC des dsPIC messen: Sie müssen auch die vom Spannungsteiler verbrauchte Leistung berücksichtigen, aber es ist eine einfache Aufgabe, wenn Sie den genauen Wert kennen der Widerstände (möglich) und der Ausgangsspannung (die Sie haben). Für den Eingang braucht man noch einen V->I Konverter, aber mit so etwas ist das ganz einfach machbar .

Vielleicht hat das Oszilloskop nicht die höchste Präzision, aber mit vielen Proben können Sie immer noch bessere Ergebnisse erzielen und es gibt Ihnen eine Flexibilität, die das Handmultimeter nicht hat. Und wenn Sie es mit einem PC verbinden, erhalten Sie Zugriff auf die breiteste Palette an Analysen.

OPTION3: Wenn die Quelle eine sich langsam ändernde Spannung liefert, können Sie einfach das Multimeter verwenden, um Strom und Spannung zu messen; Das Problem ist, dass Sie die Daten auf diese Weise nicht automatisch speichern können.

HINWEIS: Da die Ausgangsspannung aufgrund des Schaltens wahrscheinlich eine AC-Komponente enthält, könnten Sie versuchen, über eine endliche Anzahl von Perioden der Welligkeit zu mitteln.