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Fehlersuche an Schaltnetzteilen Fünf Analyseverfahren für getaktete Stromversorgungen

Autor / Redakteur: Mike Hertz* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

In jüngster Zeit wurden Messverfahren entwickelt, die eine systematische und exakte Fehlersuche in getakteten Stromversorgungssystemen erleichtern. Wir zeigen Ihnen fünf Verfahren, wie Schaltzeiten und Frequenzbereiche der Schaltzyklen überprüft, die Nichtmonotonitäten im Verlauf des Anstiegs der Steuerspannung erkannt, Tastverhältnisse eines Ansteuer-ICs und die Kontrolle der Reaktionen des Regelkreises auf Einhalten der vorgegebenen Toleranzen überwacht werden.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Verfahren 1: Frequenzstabilität einer getakteten Stromversorung automatisiert auffinden

Probleme in der Frequenzstabilität einer getakteten Stromversorgung lassen sich durch automatisierte Messverfahren finden. Misst ein Oszilloskop die Dauer einer Signalperiode, so kann dieser Wert direkt in den Augenblickswert der Signalfrequenz umgewandelt werden. Werden Parameterwerte über alle Abtastwerte gemessen, anstatt nur eine Signalperiode des erfassten Signals, kann eine Folge der momentanen Frequenzen jeder einzelnen Taktperiode des Signals errechnet werden.

Wird ein Toleranzband auf die Momentanfrequenzen angesetzt, untersucht das Oszilloskop die ermittelte Folge nach Abweichungen, um unzulässige Frequenzen bezogen auf jede einzelne Signalperiode zu erkennen. Die Signalsuchfunktion nutzt diesen neuen Ansatz, um Frequenzabweichungen automatisch grafisch und numerisch anzuzeigen und alle Schaltzyklen zu bestimmen, die außerhalb der geforderten Frequenzstabilitätskriterien liegen.

Bild 1: Die Signalsuchfunktion findet und markiert automatisch sechs Schaltzyklen, deren Momentanfrequenzen außerhalb des festgelegten Frequenzstabilitätsbereichs liegen. Eine vergrößerte Darstellung einer fehlerhaften Periode wird automatisch im unteren Raster rot markiert dargestellt (Archiv: Vogel Business Media)

Bild 1 zeigt den differenziell erfassten Drain-Source-Spannungsverlauf des Leistungs-FETs in einem Schaltnetzteil auf Kanal 1. Hier wurde die Schaltschwelle der Frequenzmessung mit der Frequency-at-Level-Parametermessung auf 20% der Signalamplitude festgelegt. Erfasst wurde nur die Schaltfrequenz. Höherfrequente Schwingungen werden ausgeblendet. Die Signalpegel lassen sich visuell überprüfen, um die geeignete Schaltschwelle einstellen zu können. Sind in den Signalen Schwingungen innerhalb einer Periode vorhanden, ist der Schwellwert so zu wählen, dass nur steigende Flanken der primären Schaltfrequenz gemessen werden.

Das Suchfenster wurde auf die Nennschaltfrequenz von 66,04 kHz mit einer zulässigen Abweichung von ± 50 Hz eingestellt. Ist die Frequenzstabilitätsbedingung verletzt worden, kann das Ergebnis gespeichert werden. Das Oszilloskop markiert die Signalperiode mit einem roten Rechteck, die das vorgegebene Toleranzband verletzt. Sechs Schaltzyklen aus dieser Stromversorgung halten diese Bedingung nicht ein.

Verfahren 2: Verlauf der Drain-Source-Spannung beim Abschalten von MOSFETs

Die Drain-Source-Spannung eines geschalteten MOSFET ist im leitenden Zustand nahe Null und nähert sich im gesperrten Zustand der Betriebsspannung. Die Schaltzeiten entsprechen den Ein- und Ausschaltzeiten des Bauelements. Die Drain-Source-Schaltzeit kann aus einem einzigen Anstieg beim Abschalten oder einem einzigen Abfall beim Einschalten des Bauteils bestimmt werden. Das reicht jedoch für eine genaue Beschreibung des Bauteilverhaltens nicht aus. Statistisch gesehen entspricht eine Anzahl von 1000 Messungen einem Vertrauensintervall von ±3 Sigma. Für ±3,5 Sigma sind bereits 10.000 Messungen notwendig.

Bild 2: Die Signalsuche findet fehlerhafte Schaltzeiten und fasst alle 1635 Abweichungen im roten Histogramm zusammen. Das grüne Histogramm-Icon enthält die Verteilung aller 10956 gemessenen Schaltvorgänge. (Archiv: Vogel Business Media)

In Bild 2 wurde ein messtechnisches Vertrauensintervall der Drain-Source-Schaltzeit von ± 3,5 Sigma erreicht. Dabei wurden die Anstiegszeiten aller gemessenen Flanken ausgewertet: Das grüne Histogramm-Icon zeigt eine statistisch signifikante Besetzung der gemessenen Anstiegszeit mit 10.956 Messwerten. Die Suche im Signal hat 1635 Schaltvorgänge identifiziert, die der vom Anwender vorgegebenen Suchbedingung entsprechen. Die Werte erscheinen im roten Histogramm. Beim Anklicken einer der fünf Einträge wird dieser hellgelb hervorgehoben. Gleichzeitig wird die entsprechende Signalabweichung im Zoomfenster Z1 gedehnt dargestellt. Das rote Suchhistogramm enthält die gesamte Verteilung der abweichenden Drain-Source-Schaltzeiten, welche das festgelegte Suchkriterium erfüllen. Weicht die Messung ab, wird der entsprechende Signalverlauf gespeichert.

Bild 2: Die Signalsuche findet fehlerhafte Schaltzeiten und fasst alle 1635 Abweichungen im roten Histogramm zusammen. Das grüne Histogramm-Icon enthält die Verteilung aller 10956 gemessenen Schaltvorgänge. (Archiv: Vogel Business Media)

Weiterhin zeigt das Bild 2 eine Gaussverteilung mit einem einzelnen Häufungsmaximum, um das sich die Werte der Anstiegszeiten herum gruppieren. Die Form der Verteilung lässt auf zufällige Verteilung der gemessenen Anstiegszeiten schließen, wie sie durch das elektrische Rauschen jeder elektronischen Schaltung entstehen.

Bild 3: Die rote Histogrammdarstellung zeigt eine bimodale Verteilung der Anstiegszeiten. Die Form des Histogramms lässt erkennen, dass eine Modulationsquelle die Stabilität der Ausschaltvorgänge in der Schaltung beeinträchtigt. (Archiv: Vogel Business Media)

Im Gegensatz dazu zeigt das Histogramm in Bild 3 zwei Häufungsmaxima oder eine bimodale Verteilung. Es liegen viele Messwerte nahe etwa 105 ns (rechts) und deutlich weniger Werte bei ca. 90 ns (links). Zwischen den beiden Häufungen sind von 95 bis 100 ns keine Messwerte zu finden. Das zeigt, dass eine Modulationsquelle wie Übersprechen, Einkopplung oder Oszillatoreffekte zu einem Hin- und Herspringen der Anstiegszeit zwischen diesen beiden Werten führt. So können Erkenntnisse zu den Eigenschaften leistungselektronischer Baugruppen mit Histogrammdarstellungen von Suchergebnissen helfen, Fehlerursachen zu finden.

Verfahren 3: Fehler bei der Gate-Ansteuerung erkennen und beheben

Um das Regelverhalten eines Schaltnetzteils zu analysieren, wird die Gate-Source-Differenzspannung des Leistungstransistors gemessen. Auf den Lastwechsel hin ändert die Ansteuerschaltung ihre Pulsbreite. Das Gate-Steuersignal der Ansteuerschaltung enthält veränderliche Impulsbreiten. Die Impulse werden schmaler, wenn die Last abgeschaltet wird. Wird die Suchfunktion auf das Tastverhältnis des gesamten Ansteuersignals angewandt, so lassen sich Impulse finden, die einen bestimmten Grenzwert unterschreiten.

Zusammen mit der Suchfunktion und dem Tastverhältnis lassen sich Fehler bei der Gate-Ansteuerung erkennen, während sich das Schaltnetzteil im stabilen Regelzustand befindet. Das Tastverhältnis kann zusammen mit der Suchfunktion einen Lastwechsel in den Zeitabschnitten finden, in denen der MOSFET die Ausgangsspannung als Antwort auf den Lastwechsel verringert. Diese Werte können entweder Unregelmäßigkeiten oder Anzeichen einer normalen Zeitverhaltens sein.

Mit der überlagerten Anzeige der gefundenen Signale lassen sich nichtflüchtige Schaltzyklen darstellen. Die übereinander gelegten Impulse müssen nicht aus verschiedenen Erfassungen stammen. Aufeinander folgende Impulse aus einer einzigen Signalaufzeichnung können in einer übereinander liegenden Darstellung angezeigt werden, sofern sie eine Suchbedingung erfüllen.

Bild 4: Die Suchfunktion findet alle Impulse aus dem Ansteuer-IC, deren Tastverhältnis kleiner als 5 % ist (rot markiert). Die blaue Kurve ist eine nichtflüchtige Überlagerung aller Impulse, deren Tastverhältnis dieser Bedingung entspricht. (Archiv: Vogel Business Media)

In Bild 4 wird an einem realen Gerät gemessen, das von Volllast auf Leerlast gesenkt wurde. Schaltzyklen unterhalb des Schwellwertes sind rot markiert, und die überlagerte Darstellung zeigt ein nichtflüchtiges Abbild der schmalen Impulse, bei einer Suchbedingung von Impulsen mit einem Tastverhältnis <5%.

Verfahren 4: Das Verhalten des Regelkreises genau analysieren

Bei einem kurzen Zeitabschnitt treten Schwankungen des Ansteuer-IC in der Impulsfolge auf. Längere Zeitabschnitte zeigen komplexere Effekte im Signal während der Messaufnahme. Gemessene Signalparameter lassen sich in ihrem zeitlichen Verlauf darstellen, so dass ein neuer Kurvenzug entsteht. Im Gegensatz zu einem erfassten Eingangssignal entspricht bei dieser Kurve die Y-Achse dem gemessenen Parameterwert. Die X-Achse ist bei dieser Verlaufsdarstellung identisch zur Zeitachse mit gleicher Skalierung. Solch eine Darstellung ist eine Funktion der Zeit.

Wenn sich das Tastverhältnis langsam ändert, liefert die Form und der Zeitverlauf wichtige Informationen, die aus dem Eingangssignal nicht abzulesen waren. Der Signalverlauf ist Grundlage für die Stabilität bei Laständerungen, bei Schwankungen der Netzspannung, beim Sanftanlauf, bei Aussetzern, beim Austausch im laufenden Betrieb und bei Kurzschlüssen zu bewerten. Darüber hinaus kann das Verhalten der Regelschleife in jedem einzelnen Taktzyklus untersucht werden.

Bild 5: Drain-Source-Spannung (gelb), wechselnder Laststrom (rot) und Verlaufsdarstellung des Tastverhältnisses als Funktion der Zeit (blau) werden dargestellt. Eine Parametermessung der Impulsbreite wird auf die Verlaufskurve angewendet, um die Reaktionszeit der Regelschleife auf den Lastsprung zu bestimmen. (Archiv: Vogel Business Media)

Im Bild 5 fällt der Laststrom vom größten auf einen geringen Wert ab. Das gelbe Signal stellt das von der Ansteuerschaltung ausgegebene Gate-Steuersignal im Abschaltbereich dar. Die blaue Kurve zeigt den Verlauf des Tastverhältnisses und zeigt zeitkorreliert das Tastverhältnis aller Schaltzyklen im gemessenen Spannungsverlauf. Wird die Impulsbreite auf den Verlauf des Tastverhältnisses gemessen, kann die Zeit von Ansteuern bis Wiederherstellen des Regelzustandes ermittelt werden. Quantitative Ergebnisse helfen dabei, das Anlaufverhalten der Regelung zu bewerten. Weiterhin kann die Obergrenze des Tastverhältnisses betrachtet werden, solange die Nennausgangsspannung nicht erreicht ist. Und schließlich kann festgestellt werden, ob der Regelzustand und ein stabiler Betriebszustand zuverlässig erreicht werden.

Verfahren 5: Nicht monotone dU/dt-Schaltflanken beim Abschalten erkennen

Beim Schaltverhalten eines MOSFETs in einem Schaltnetzteil ist die Linearität des Spannungsverlaufs beim Abschalten ein wichtiges Kriterium. Die Anstiegsgeschwindigkeit am Ausgang des Schalttransistors kann mit der Ableitungsfunktion im Oszilloskop berechnet werden.

Bild 6: Die Signalsuchfunktion hat eine Nichtmonotonität im Abschaltimpuls gefunden. Der Gate-Source-Spannungsverlauf (gelbe Kurve), die erste Ableitung dU/dt (blaue Kurve) und eine nichtmonotone Flanke (rot markiert) werden angezeigt. (Archiv: Vogel Business Media)

Im Bild 6 wurde die Suchbedingung nicht monoton ausgewählt und auf die Ableitung des Eingangssignals angewandt. Das Messgerät hat ein leichtes Zurückschwingen im dU/dt-Signal erkannt und markiert. Die gestrichelten Hilfslinien zeigen die Monotonie bei jeder Periode. Von jeder nichtmonotonen Flanke innerhalb des Signals wurde eine Bildschirmkopie abgespeichert.

*Mike Hertz ist Applikationsingenieur bei der LeCroy Corp. in Chestnut Ridge/USA.

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