Determinar la eficiencia del convertidor

Question

Me gustaría para determinar con la mayor precisión posible (idealmente dentro de un límite de error de +/- 0.25% o más, pero supongo que es casi imposible) la eficiencia de un convertidor, utilizando un método sencillo.

Necesito tener el valor instantáneo de la eficiencia, de manera que calorimétrico enfoques no hacer (Además de que no tienen el equipo para que).

Por 'instantánea' me refiero a que desde el interruptor funciona a alta frecuencia - en la parte superior de decenas de el rango de los kHz - no va a falsificar los resultados promedio de ellos sobre 10 ciclos de ser necesario, debido a que la carga se cambia cada pocos segundos o así; de modo que el tiempo de resolución requerida es del orden de 100-1k medidas/segundo.

La medición de los voltajes de entrada y salida y las corrientes sería otra opción, pero esto da muy impreciso resultados. (Parcialmente debido a que el instrumento que yo uso tiene un límite de 20 a y la corriente I de la medida es de unos 100 mA.)

Lo que tengo es: muy baja potencia del convertidor (P_rated = 5 W) con varios puntos de carga en las que se mide la eficiencia en tensión constante V_out = 5 V. he multímetros digitales y ámbitos (con sondas de corrientes). En teoría puedo medir en el PCB (tengo acceso a los componentes y las huellas.)

Puede alguien sugerir un ajuste/método sobre cómo podría conseguir alguna mejora en mi la exactitud de la medición? O tal vez necesito comprar algo más para obtener un mejor resultado?

EDIT: El convertidor es un simple buck (DC/DC) convertidor con un rectificador síncrono o un diodo (ambas configuraciones posibles). Usted puede ver las especificaciones completas aquí.

Answer 1

He aquí una solución relativamente simple, pero no necesariamente uno barato (dependiendo de tu presupuesto).

Un osciloscopio es probable que no se dará la exactitud que usted pidió porque en general el uso de 8-bit ADC, dando un 0,2% en la medición de la incertidumbre de la toma de muestras de digitalización.

En su lugar, considere la posibilidad de simplemente utilizando dos de sobremesa multímetros, como Agilent 34401A. Yo no he visto en otros modelos, pero el 34401A puede medir la corriente en la precisión que necesita (por ejemplo, el 0,05% de la lectura + 0.005% de la escala completa en el 100 mA rango).

Se puede activar externamente a 300 lecturas / segundo (5-1/2 dígitos de resolución), por lo que usted obtiene una ventana de muestra mucho más corta que su carga de un ciclo de conmutación. Si el gancho metros para medir la entrada y la corriente de salida, a continuación, activar simultáneamente usted será capaz de comparar los resultados para determinar la eficiencia (asumiendo que los voltajes de entrada y salida están manteniendo constante).

Si los voltajes de entrada y salida también están cambiando, usted puede necesitar 4 multímetros para obtener toda la información que necesita.

Si usted puede sincronizar su medición a los momentos en que los interruptores de carga, sólo se necesita la mitad como muchos multímetros, porque el primero puede medir cómo la corriente de entrada y la tensión, el cambio en la respuesta a la carga del interruptor y, a continuación, mover los metros alrededor y medir cómo la salida responde al evento de conmutación.

Answer 2

El mencionado especificaciones puede lograrse mediante el empleo de dos de alta calidad de los voltímetros y los dos de muy bajo voltaje de carga amperímetros, todos capaces de registro para habilitar el uso de un promedio de algoritmos.

Para exceda la resolución de 0,25%, la corriente y la tensión de las mediciones, asumiendo idéntica técnicas de medición en la entrada y la salida (por lo tanto, idénticos errores relativos), debe satisfacer la incertidumbre de la ecuación resultante del cálculo de la eficacia de \$(\eta=P_{out}/P_{in}) \$: $$ \sqrt{\left(\frac{\delta P}{P_{in}}\right)^2+\left(\frac{\delta P}{P_{out}}\right)^2} < 0.25\% $$ $$ \sqrt{\left[\left(\frac{\delta V}{V_{in}}\right)^2+\left(\frac{\delta I}{I_{in}}\right)^2\right]+\left[\left(\frac{\delta V}{V_{out}}\right)^2+\left(\frac{\delta I}{I_{out}}\right)^2\right]} < 0.25\% $$

El uso de la uCurrent para deshacerse de la carga de tensión se puede alcanzar el 0,5% actual de la exactitud de la medición en la mA rango, y, con un medidor de calidad, tales como el Fluke 87V, 0.05% medición de voltaje de precisión en la gama de 6V. Un enchufe en la ecuación:

$$ \sqrt{\left(\frac{0.05\%\times 6V}{5V}\right)^2+(0.5\%)^2+\left(\frac{0.05\%\times 6V}{5V}\right)^2+(0.5\%)^2} = 0.71\% $$

Bastante cerca. La medición de la corriente de error pantanos de esta figura. Se puede mejorar con el uso de un promedio de algoritmos, suponiendo que la mayoría de error aleatorio. Metros con capacidad de registro permitiría la simple medición de sincronismo.

Si ondulación en la entrada o salida puede ser medido, utilice el [verdadero] RMS lecturas. En este caso, sin embargo, el especificado mide la eficiencia de la resolución es probable que no es útil. \$ \sqrt{4\left(\frac{V_{ripple,RMS}}{5V}\right)^2} \$ sería la mejor medida que me iba a buscar. (Por ejemplo. 0.8% para 20 mv_{RMS de la} onda.)

Answer 3

Un montón de las siguientes es (ojalá) "aplicar el sentido común 101". Hay un poco justo de empírico cambiando sugerido (un condensador más grande aquí hace ... / más tomé constante ayuda xxx pero hace yyy más difícil ...). Mientras que esto puede parecer mucho más complejo que "sólo el uso de un banco de la alimentación de tensión" las mismas consideraciones se aplican cualquiera que sea utilizado. Si el suministro de energía fue creado por los ascendidos maestros, tales como HP o Tektronix ya puede ser capaz de lidiar con la alimentados atrás el ruido y la rápida corriente de variaciones. Si fue creado por menor-los mortales como son muchos de los más baratos de banco de fuentes de alimentación, puede ser susceptible a la carga inducida por problemas sin aparente. He visto el voltaje indicado en los dos metros (corriente y voltaje)el aumento del suministro de muy sustancialmente a medida que la carga fue variado, incluso a pesar de que la oferta nunca fue en limitación de corriente y de tensión en caso de haber sido constante y, de hecho, más o menos constante. La adición de un filtro de ruido entre la fuente y la carga tiende a solucionar tales problemas en el costo potencial de la adición de "carga" de resistencia. Esto puede ser capaz de superar. Ver a continuación.

El término "carga de tensión" se utiliza a menudo para referirse a la caída de voltaje a través de un amperímetro. En ellas los ejemplos a continuación es CERO carga de resistencia.

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Método sencillo: potencia de Entrada puede ser medido adecuadamente bien por asegurar que el voltaje de operación es lo que se desea y, a continuación, la medición de la corriente de una manera que produce cero "voltaje de carga". A continuación son una simple e incluso de una manera más sencilla de lograr esto.

El primer diagrama se requieren un par de trozos y piezas para acabar con ella (principalmente un par de condensadores), pero está cerca utilizable como es.

R1C1 y R2C2 son simplemente los filtros de ruido para los medidores utilizados. Los requisitos que se describen a continuación.

Magia. De las clases. R_Isense se utiliza como una corriente de la resistencia de sensado. Debido a que la corriente se detecta antes de que el regulador de voltaje de IC1/Q1 la caída de voltaje a través de ella es importante. Mientras Vin es adecuado, el de la gota a través de R_Isense puede ser de 0,1 ohm o 1 ohm o 10 ohmios o más. Hay cero "voltaje de carga" - la caída de tensión en la resistencia de sensado no se refleja en un cambio en el voltaje de salida. Voltaje de carga = cero.

En lugar de utilizar un resistor en R_Isense un amperímetro puede ser utilizado. Esto también no afecta a la tensión de salida y el voltaje de carga es cero.

Si el circuito cambia entre un sueño y vigilia modo con las corrientes en los microamperes rango en el primer caso y de 10 o de 100 mA en el último me parece útil el uso de un amperímetro auto-rango io lugar de R_Isense O una escala automática voltímetro a través de R_Isense. Esto permite que la corriente en modo de mostrarse y de nuevo/todavía hay cero voltaje de carga a medida que el medidor está en el lado de entrada del regulador de voltaje formado por IC1/Q1.

Q1 y IC1 son un básico regulador de voltaje. El objetivo es mantener Vsal en el mismo voltaje Vr. Decir +5 VDC o lo que sea. Para mantener a los básicos de funcionamiento del circuito claro que no han mostrado ningún filtrado de ruido en Vsal o en el opamp bucle de realimentación, como se discute a continuación. El filtrado puede ser tan pesado como es necesario para obtener una limpieza Vsal y como el mínimo necesario para mantener la respuesta a la carga pasos. Una mayor capacitor a través de Vsal hará mantener la tensión más fácil, PERO evitar la rápida corriente de variaciones de ser visto a través de Isense. Si Vsal se eleva por encima de Vr el op-amp de salida pasa a bajo girar fuera de la Q1 y la reducción de Vsal como sea necesario. Como muestra el amplificador operacional es un comparador con circuito abierto de acción y no hay retroalimentación. Mientras que esto iba a funcionar, ACEPTAR, el usuario puede desear dar el opamp finito ganancia con realimentación negativa. Un MOSFET de Canal N es sused pero esto podría ser un MOSFEt de Canal P con invertida de la unidad para el opamp. Q1 podría ser bipolar, pero no hay ninguna ventaja evidente en no usar un MOSFET en casos típicos.

Como se muestra el ruido de la pelota regulador de mayo (se) interrumpir el opamp bucle de retroalimentación. Un condensador puede ser añadido a través de Vsal a la fuente de los picos de corriente y las variaciones rápidas y reducir smps ruido. Un filtro como por F1C1 nd R2C2 puede agregarse entre Vsal y la entrada inversora para reducir el ruido que puede afectar el opamp. Un filtro RC a la entrada inversora con un 1/tiempo constante de varias décadas por debajo de la smps switchiong frecuencia debería ser suficiente. por ejemplo, si la pelota regulador funciona a 100 kHz, a continuación, un filtro de frecuencia de <= 1 kHz, es un buen punto de partida. eh 10k, 0.1 uF.
constante de tiempo t = RC = 10,000 x 1E-7 = 0,001 o Frc =~~~ 1 kHz.

Una vez que usted consiga la alimentación de Tensión "bastante estable" a medida que la carga varía usted consigue un poco de magia gratis. Suministro de corriente fluye a través de R_Isense. La corriente de carga se puede determinar mediante la medición de voltaje a través de aquí. Thje más de tensión que permiten a gota a través de R_Isense el más precisión (en realidad resolución) está disponible para la determinación de la corriente. Si dicen que la I_load max = 100 mA. Si R_Isense es de 10 ohms caerá 1 v a 100 mA. Si R_Isense = 100 ohmios se reducirá de 10 Voltios a 100 mA. Obviamente Vin tiene que bve lo suficientemente grande como para permitir esto. De los 4 dígitos voltímetro le permitirá resolver 0,1 mA pasos a 100 mA a escala completa. Si dispone de un código de 6 dígitos voltímetro de cualquier precisión que pasa a ser le permitirá resolver 1 uA pasos. Un metro con 6 dígitos "exactitud" es poco probable que esté disponible. El uso de un multi que van medidor, como se mencionó anteriormente, da de alta precisión y resolución.

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Más SENCILLO:

Un molesto de usar, pero más sencillo y super solución de bajo costo es según el diagrama a continuación.

Este es funcionalmente equivalente a la de un arreglo previo, pero no utiliza la electrónica activa y otra vez cero, con una carga efectiva de voltaje.

Actual es detectada con R_Isense o un amperímetro en esta posición y Vsal a continuación se mide con el medidor en Vout2. El filtrado es a menudo crucial para la correcta operación del medidor. Como los voltímetros se utilizan R1C1 y R2 C2 constantes de tiempo puede ser tan alto como sea necesario para eliminar las pymes ruido a costa de la pérdida de tiempo de respuesta.

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La carga de la medición de potencia es "más de lo mismo". La medición de tensión filtrada medidor para reducir smps ruido suficiente. "Suficiente" variará con el fabricante y el nivel de ruido, pero es "fácil", como en el anterior

Si Rcarga es constante la Potencia de salida puede ser inferido.

Si Rcarga es dinámica, a continuación, un sentido actual, resistencia o su equivalente es necesario. De nuevo - "adecuado" filtrado es esencial - con "adecuado dependiendo de la inmunidad de medidor para smps ruido.

Answer 4

Parece que la parte fácil es medir la potencia consumida por la carga en los 5V de salida, ya que usted puede fácilmente hacer uso de resistencias de carbono para la construcción de una puramente resistiva de la carga.

Para medir la potencia consumida por el PS parece que tendrían que hacer los cálculos del factor de potencia. Si la precisión no eran tan crítico, algo así como un kill-a-watt podría ser apropiado.

En general para lograr una alta precisión de un laboratorio profesional tendría instrumentos que fueron profesional calibrado y certificado en una base regular. Un límite de error de +/- 0.25% es muy apretados y tolerancia, ya que es un error acumulativo a través de todos los dispositivos de medición. En otras palabras, si el error en la medición de la potencia de entrada fueron el 0,1% y el error en la medición de la potencia de salida fueron de 0,2%, entonces el potencial de error total es de 0,3% y ya no cumple su objetivo. No olvides tomar en cuenta el hecho de que la mayoría de los lectores digitales son +- 1 digito que necesita ser tomadas en cuenta.

Os deseo mucha suerte y estoy ansiosa por ver cómo lo haces.

Answer 5

Supongo que la entrada es una fuente de CC (trato de adivinar: un panel fotovoltaico?).

OPCIÓN1: I->V convertidor en la salida del convertidor, como el MAX4173 que tiene en el tablero, y el mismo en la entrada. Luego, utilizando el osciloscopio con un buen promedio, se puede medir con bastante precisión el consumo de energía utilizando 2 canales de entrada (V-I) y 2 para el de salida. Otros que simplemente la medición de los valores, puede utilizar las funciones matemáticas del ámbito o de la (el mejor en mi opinión) el uso de la interfaz USB del alcance con los controladores proporcionados por Agilent (yo estoy usando estos controlador para el N6705B pero deben existir, también por su alcance) y descargar los datos a su PC.

OPCIÓN2 (más simple, pero menos precisa): se puede medir directamente la corriente de salida con la señal de alimentación para el ADC del dsPIC: usted tiene que considerar también la energía consumida por el divisor de tensión, pero es una tarea fácil si usted sabe el valor exacto de las resistencias (posible) y el voltaje de salida (que tiene). Para la entrada que usted todavía necesita un V->I converter, pero es fácilmente realizable con algo como esto.

Tal vez el alcance no tiene la más alta precisión, pero con muchas muestras de que usted todavía puede obtener los mejores resultados y se le da una flexibilidad que la computadora de mano con el multímetro no tiene. Y su interfaz con un ordenador, tendrás acceso a la más amplia gama de análisis.

OPCIÓN 3: Si la fuente da una variación lenta de tensión, sólo se puede utilizar el multímetro para medir la corriente y el voltaje; el problema es que de esta manera usted no puede guardar los datos de forma automática.

NOTA: Dado que probablemente el voltaje de salida tiene una componente de corriente ALTERNA debido a la conmutación, se podría tratar de un promedio de más de un número finito de períodos de la onda.