Verifizierung des Wirkungsgrads von DC/DC-Wandlern

Die effiziente Nutzung von Energie spielt bei vielen Applikationen eine Schlüsselrolle. Bei der Entwicklung eines Wandlers sind oft Wirkungsgrade über 90 % gefordert. Dies wiederum erfordert hochgenaue Leistungsmessungen zur Optimierung des Wandlers. Entwickler sind auf diese Funktionalität angewiesen, um den Wirkungsgrad des Wandlers während des Entwicklungsprozesses verbessern zu können und so ein hocheffizientes Wandler-Design zu entwerfen, das für die Produktion freigegeben werden kann.

Ihre Anforderung

Der Wirkungsgrad spielt bei Leistungswandlern oft die entscheidende Rolle. Dies gilt für batteriebetriebene IoT-Geräte, um das Maximum aus der Batterie herauszuholen, und ebenso für kleine DC/DC-Wandler, die über eine Gleichspannungsschiene versorgt werden. Ein höherer Wirkungsgrad ermöglicht eine kleinere Batterie; damit lassen sich die Abmessungen des Wandlers und die Kosten des Gesamtsystems reduzieren. Aus diesem Grund ist es unbedingt empfehlenswert, den Wirkungsgrad eines Wandlers während des Entwicklungsprozesses zu bestimmen. Dazu müssen dessen Eingangs- und Ausgangsleistung mit hoher Genauigkeit gemessen werden. Der Entwickler kann schrittweise vorgehen, um den Wirkungsgrad des Designs zu verbessern. Dieser inkrementelle Prozess besteht aus mehreren kleinen Schritten, bei denen der Entwickler die Verbesserung des Wirkungsgrads nach jeder Design-Änderung bewertet. Die Bewertung des Wirkungsgrads ist eine anspruchsvolle Aufgabe, da sich die Verbesserung des Wirkungsgrads aus der Summe mehrerer, relativ kleiner Änderungen am Design ergibt. Dieser Optimierungsprozess setzt voraus, dass selbst kleine Änderungen der gemessenen Leistungswerte erkennbar sind. Dazu sind Geräte mit höchster Genauigkeit erforderlich.

Lösung von Rohde & Schwarz

Die Netzgeräte der Serien R&S®NGM202 und R&S®NGL202 eignen sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen mit kleinen Leistungswandlern. Dank ihrer Zweiquadranten-Architektur können sie sowohl als Quelle als auch als Senke betrieben werden und bieten so höchste Flexibilität. Die hochgenaue Rücklesefunktion für Spannungen und Ströme am Eingang und Ausgang gibt dem Entwickler eine sehr einfache Lösung an die Hand, die mit einem einzigen Gerät zur Messung des Wirkungsgrads auskommt. Man benötigt keine Gleichstromzuführung, keine zusätzlichen Digitalmultimeter und keine elektronische Last, da all dies bei den R&S®NGM202 und R&S®NGL202 Netzgeräten in einer einzigen Einheit integriert ist.

Der Messaufbau besteht aus einem R&S®NGM202/R&S®NGL202 und dem Messobjekt, das an die beiden Kanäle des Netzgeräts angeschlossen ist. Über optionale Sense-Leitungen wird die tatsächlich an der Last anliegende Spannung gemessen. Durch Nachregelung lässt sich die Genauigkeit bei höheren Strömen steigern.

Konfiguration des Netzgeräts

Kanal 1 ist als Konstantspannungsquelle konfiguriert, die den Wandler mit der erforderlichen Spannung und Stromstärke versorgt. Kanal 2 ist als Last im Konstantstrombetrieb konfiguriert, die den Wandler mit einem zulässigen Betriebsstrom gemäß der Wandlerspezifikationen belastet. Spannung und Strom am Eingang und Ausgang werden intern gemessen, so dass die Eingangs- und Ausgangsleistung berechnet und am Display angezeigt werden kann.

Schrittweise Konfiguration des Geräts

• Aktivieren Sie Kanal 1 als Quelle und Kanal 2 als Senke.
• Stellen Sie den Spannungspegel der Spannungsquelle ein und setzen Sie den Überstromschutz auf einen angemessenen Wert (20 % über dem maximalen Eingangsstrom des Messobjekts).
• Stellen Sie den gewünschten Ausgangsstrom ein, um das Messobjekt entsprechend zu belasten. Bei Wandlern mit einem niederschwelligen Überstromschutz, der schnell anspricht, sollten Anwender auch die Ausgangsspannung angemessen wählen, um sicherzustellen, dass das Messobjekt während der Anlaufphase des Wandlers nicht durch die interne Kapazität des R&S®NGM202/R&S®NGL202 belastet wird. Mit einer Spannung, die geringfügig unter der finalen Ausgangsspannung des Messobjekts liegt, verhindert man das Auslösen des Überstromschutzes des Messobjekts. Als Faustregel gilt, die Ausgangsspannung auf einen Wert von 10 % unterhalb der minimalen Ausgangsspannung des Messobjekts einzustellen.
• Schalten Sie den Ausgang ein, um die Kanäle zu aktivieren.

Fallstudie – Messungen des Wirkungsgrads an einem 5 W DC/DC-Abwärtswandler

Die in der obigen Tabelle aufgeführten Ergebnisse der Wirkungsgradmessungen bei unterschiedlichen Lastzuständen zeigen, dass es sich um einen Wandler mit bereits optimiertem Wirkungsgrad handelt. In den Datenblättern der Hersteller von DC/DC-Wandlern werden üblicherweise nur die bei idealer Verdrahtung gültigen technischen Daten angegeben. Mit dem R&S®NGM202/R&S®NGL202 lässt sich der Wirkungsgrad Ihrer Schaltkreise und Layouts individuell bestimmen. Diese Werte können erheblich von den im Datenblatt spezifizierten Werten abweichen.

Das bedeutet, dass der Entwickler zusätzlich zur Abarbeitung des besprochenen Optimierungsprozesses für den Wirkungsgrad mehrere Messungen durchführen muss, um den Wirkungsgrad unter allen Bedingungen zu validieren. Dieser Aufwand lässt sich mit der Fernsteuerfunktionalität des R&S®NGM202/R&S®NGL202 enorm reduzieren. Beispielsweise können die Messkurven des Wirkungsgrads mit einem externen Skript und Software automatisch erzeugt werden. Dieser automatisierte Ansatz spart dem Entwickler Zeit und verhindert zudem Bedienfehler, die während manuell ausgeführter Prozesse häufig geschehen.

Fazit

Die R&S®NGM202/R&S®NGL202 Netzgeräte-Lösung bietet Entwicklern leistungsstarke Funktionalität und Performance, um den Wirkungsgrad als Schlüsselparameter von DC/DC-Wandlern mit einem einzigen Gerät zu messen, zu evaluieren und zu optimieren. Die erweiterte Messkapazität unterstützt bei der Entwicklung eines Produkts mit hohem Wirkungsgrad. Zudem lassen sich Zeit und Aufwand während des Entwicklungszyklus reduzieren.