Un convertidor DC-DC es una unidad de control electrónico (ECU) que convierte un voltaje de fuente de alimentación de un nivel a otro. Para garantizar que las ECU de CC-CC funcionen sin problemas, los fabricantes primero deben realizar pruebas funcionales rigurosas mientras la ECU aún se encuentra en las instalaciones de fabricación.
Lok Teng Kee, Tecnologías Keysight
Un convertidor DC-DC es una unidad de control electrónico (ECU) que convierte un voltaje de fuente de alimentación de un nivel a otro. Para garantizar que las ECU de CC-CC funcionen sin problemas, los fabricantes primero deben realizar pruebas funcionales rigurosas mientras la ECU aún se encuentra en las instalaciones de fabricación.
Las pruebas funcionales de los convertidores CC-CC generalmente requieren simulación de entrada de energía y salida de carga para medir la estabilidad e integridad de la salida de voltaje, la eficiencia energética, etc. Los niveles de potencia varían de bajo a alto. Las aplicaciones automotrices suelen utilizar convertidores CC-CC de alta potencia en el rango de más de 200 W.
Los convertidores CC-CC se utilizan en sistemas de parada de ralentí de automóviles. Estos sistemas detienen automáticamente la combustión del motor cuando el automóvil está parado y solo reinician el motor cuando el conductor pisa el acelerador. Estos sistemas se están adoptando, impulsados por los esfuerzos de la industria para reducir las emisiones de carbono y crear un entorno ‘más verde’.
Prueba de funcionamiento del convertidor DC-DC
Los convertidores CC-CC se utilizan para proporcionar comodidad en el interior del vehículo. Mantiene una potencia de 12 V para evitar interrupciones en los sistemas de información y entretenimiento del vehículo y de ventilación del ventilador durante el arranque del motor. La Figura 1 es un diagrama de bloques simplificado que muestra la funcionalidad de una ECU de convertidor CC-CC típica durante el arranque. Cuando el arranque por impulso hace que el voltaje de la batería caiga por debajo de 12 V, se envía una señal de activación a la ECU para aumentar el voltaje y mantener un nivel de salida constante alrededor de 12 V.
simulación de estado
Las pruebas funcionales de las ECU de CC-CC requieren un emulador de entrada de batería que pueda generar tipos de formas de onda arbitrarias para entradas de alta potencia a la ECU. Los fabricantes suelen crear un patrón de entrada de impulso definido. La Figura 2 muestra un ejemplo de una entrada de impulso de voltaje emulada para fines de prueba. Se requiere una fuente de alimentación de CC dinámica de alta potencia para crear patrones de voltaje arbitrarios con altas corrientes de entrada para simular transitorios de batería en el proceso de prueba.
Lograr un escenario de prueba funcional adecuado requiere una fuente de alimentación de CC dinámica capaz de generar pulsos de 12 V a 6 V con un tiempo de caída de aproximadamente 1-2 ms, que cumpla con los requisitos de la mayoría de las emulaciones de respuesta transitoria de la batería automotriz. Elegir la fuente de alimentación adecuada también es importante para minimizar los costos de instalación inicial. Los instrumentos como Keysight N7951A/N7971A tienen opciones de 1 kW y 2 kW con una clasificación de 20 V, y hay menor potencia (< 300 W) または高電力 (> 300 W) tipo ECU. Esto le brinda la flexibilidad para satisfacer diferentes necesidades de energía mientras aprovecha el mismo equipo.
Además de la emulación de entrada, se requieren cargas electrónicas o pasivas para simular los efectos de las redes electrónicas automotrices. Se requiere una solución de conmutación de carga para proporcionar la flexibilidad de desconectar y conectar cargas para establecer un circuito de bucle abierto/cerrado para las comprobaciones funcionales. La solución también debe poder manejar altas corrientes para aplicaciones automotrices. Los ingenieros de pruebas a menudo necesitan desarrollar interruptores personalizados para las conexiones de carga, teniendo en cuenta los circuitos de seguridad y protección en caso de falla de la ECU. Especialmente en la diversa industria de fabricación de automóviles, los interruptores personalizados a menudo deben rediseñarse para adaptarse a diferentes aplicaciones de ECU, lo que lleva mucho tiempo y es costoso. Por lo tanto, las soluciones de conmutación de carga estándar suelen ofrecer un mejor retorno de la inversión. Algunos proveedores de soluciones, como Keysight, ofrecen soluciones de conmutación de carga estándar. Estas soluciones listas para usar admiten operaciones de alta corriente a largo plazo de hasta 40 A por canal, un requisito común para las pruebas de fabricación de automóviles.
Medición de la eficiencia energética
La eficiencia energética generalmente se define como “eficiencia energética = VIOutput/VIInput x 100%”. donde VIOutput y VIInput corresponden al consumo de energía de salida y entrada de la ECU. Alta eficiencia significa menos pérdida de energía durante la conversión. Los analizadores de energía son extremadamente útiles para los ingenieros que desean medir rápidamente el consumo, la eficiencia y la calidad de la energía de CA/CC. Los analizadores multicanal pueden medir simultáneamente tanto la potencia de entrada como la potencia de salida con una precisión muy alta. Sin embargo, las verificaciones funcionales no requieren precisión y rapidez para el análisis y caracterización en la etapa de diseño, por lo que puede no ser necesario el uso de equipos de alta precisión en la línea de producción. Además, la verificación funcional normalmente prueba las operaciones solo en un nivel crítico. La figura 2 muestra los niveles típicos probados en las fases A, B y C de la señal de entrada de la batería.
Se puede usar un multímetro digital (DMM) para medir estáticamente los voltajes y corrientes de entrada y salida. Las mediciones de voltaje son relativamente fáciles de obtener probando la referencia de entrada/salida a tierra. Las mediciones de corriente usan el método de derivación de corriente en lugar de usar el DMM como un “amperímetro” que funciona solo para mediciones de baja corriente. Los transductores de corriente o las resistencias de detección se colocan en serie con todas las entradas/salidas y el voltaje diferencial se mide usando un DMM y finalmente se convierte en corriente usando la ley de Ohm V = I x R. Finalmente, podemos calcular la eficiencia energética. Utilice los resultados de tensión y corriente de entrada/salida obtenidos.
La solución de conmutación de carga TS-5000 de Keysight brinda capacidad de detección de corriente. La tarjeta de carga incluye una resistencia de detección o un transductor de corriente para la medición de corriente en todos los canales. La arquitectura de la tarjeta de carga y el conmutador de matriz permite la interconexión con DMM básicos y económicos, lo que brinda una solución de fabricación de mucho menor costo para las mediciones de eficiencia energética de CC-CC.
Medida de estabilidad
Se requiere verificación de estabilidad para garantizar la salud del convertidor CC-CC durante el arranque. Una fuente de alimentación de CC dinámica está programada para generar un patrón de impulso de batería. Luego use un digitalizador para capturar el patrón de impulso de entrada y verifique las velocidades de descenso y ascenso deseadas. Además de la verificación de entrada, los digitalizadores también se utilizan para medir la estabilidad de salida. Adquiera la forma de onda de salida de voltaje en el arranque de la ECU. La forma de onda completa muestra la estabilidad general de la salida (velocidad de establecimiento en los modos de ondulación, promedio, pico a pico y refuerzo). Se recomienda un digitalizador con una tasa de muestreo mínima de 0,1 us. Esta configuración de alta resolución es útil para capturar fallas y picos repentinos.
Las baterías de los automóviles suelen funcionar a unos 12,6 V, por lo que el digitalizador debe poder detectar señales de entrada superiores a 10 V. Los tipos de convertidores CC-CC de mayor potencia generalmente vienen con múltiples entradas/salidas y requieren un digitalizador con más capacidad. Para medir todas las entradas y salidas simultáneamente, se deben usar más de dos canales. La adquisición de formas de onda de entrada y salida debe sincronizarse dentro del mismo marco de tiempo, y también se puede mostrar la correlación entre todas las entradas/salidas, lo que reduce el tiempo total de prueba.
Los digitalizadores M9217A/L453xA de Keysight vienen con dos o cuatro opciones de canales de entrada aislados para mediciones simultáneas. El alto voltaje de entrada de ±256 V también elimina la atenuación de la señal de entrada de los equipos típicos de adquisición de datos con un rango dinámico de ±10 V. Para convertidores CC-CC con múltiples entradas/salidas, la cantidad de canales de digitalización se puede aumentar configurando digitalizadores adicionales en el sistema y la sincronización se puede lograr a través de la función de activación. Esta escalabilidad permite a los usuarios actualizar la solución en configuraciones existentes sin tener que cambiar a otro equipo.
Conclusión
El costo de las pruebas es uno de los factores clave en el costo total de fabricación de una ECU. Los fabricantes de automóviles a menudo dedican tiempo a desarrollar sus propios sistemas de prueba de rack y apilamiento y pueden terminar dedicando más tiempo a adquirir instrumentación más costosa. Elegir la instrumentación correcta o usar el método de prueba correcto puede reducir significativamente sus costos generales. Elegir una instrumentación rentable y una solución de conmutación de carga basada en un software comercial de ejecución de pruebas puede ayudar a mantener los costos bajo control mientras aumenta la ventaja competitiva de un fabricante en la industria automotriz.