Un ejercicio de aprendizaje - Dispositivo de prueba de reguladores de voltaje

Introducción

Internet está lleno de artículos que documentan proyectos de desarrollo electrónico exitosos, mostrando las habilidades y conocimientos del desarrollador. Sin embargo, esto presenta una visión algo desequilibrada de la realidad del proceso de desarrollo, donde no todos los proyectos se desarrollan sin problemas o tienen éxito. Sin embargo, los proyectos que no salen según lo planeado a menudo tienen las lecciones más valiosas para enseñar. Por lo tanto, para ajustar el equilibrio, aquí hay una historia sobre un prototipo de placa de circuito impreso que no cumplió con las expectativas, pero que proporcionó un ejercicio de aprendizaje útil en el camino. También veremos cómo volver a encaminar el prototipo imperfecto con algunas ideas para mejoras futuras.

Descripción del Proyecto

Este proyecto empezó cuando necesitaba un método para medir el rendimiento de módulos de potencia disponibles en el mercado, analizando ruido, eficiencia, voltaje de salida, tiempo de arranque y respuesta transitoria de carga. El problema era que las hojas de datos que vienen con los reguladores de voltaje o de tensión podrían ser algo insuficientes cuando se trata de información detallada para estos parámetros críticos. El problema es que una hoja de datos excesivamente optimista que se desvía del rendimiento en el mundo real puede impactar significativamente el rendimiento del circuito de pcb cuando conectas el regulador de voltaje o tensión en tu circuito cuidadosamente diseñado.

Descubrir que un regulador de voltaje no funciona como se esperaba después de haberlo soldado en una placa de circuito impreso prototipo puede ser un error costoso y que consume mucho tiempo, especialmente si descubres que el componente de reemplazo requiere que el diseño de la placa sea cambiado. Por supuesto, también existe el riesgo de que el componente de reemplazo no funcione completamente como se predijo a partir de la información de la hoja de datos.

La mejor forma de resolver este problema es el desarrollo de un dispositivo de prueba en el que puedas colocar cualquier regulador de voltaje, también conocido como regulador de tensión, para probar su rendimiento en el mundo real antes de usar el componente en tu diseño placa de circuito impreso, especialmente antes de permitir que se acerque a una placa de circuito.

El enfoque adoptado para desarrollar el dispositivo de prueba de regulador de voltaje fue emplear una ranura PCIe 1x con una placa base correspondiente para agilizar las pruebas del regulador. Una ranura estándar de Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) x1 proporciona una solución compacta para conectar el dispositivo de prueba a la placa de control en una aplicación con requisitos de ancho de banda bajos.

Utilizar una placa de control simplifica la tarea de configurar múltiples reguladores para pruebas, permite ajustar la capacitancia de entrada y salida para alinearla con las directrices del fabricante, y se adapta a cualquier disposición de pines.

El entorno de prueba incluye una Carga Electrónica DC Programable Rigol DL3021, pero la tasa de cambio de corriente disponible para las pruebas de transitorios de carga fue insuficiente para las pruebas planificadas. Para resolver esto, se montó un arreglo de resistencias en una placa, utilizando interruptores MOSFET para cambiar entre estas cargas estáticas a una velocidad suficiente para proporcionar el transitorio de carga rápido requerido. Esta placa de carga estática conmutable se conectó luego a una segunda ranura de tarjeta en la placa de control.

El entorno de prueba también incluye un osciloscopio para mediciones de señal y respuesta, por lo que integrar sondas de osciloscopio en el dispositivo de prueba ofrecería beneficios significativos al realizar las pruebas.

Una vez establecidos los requisitos para el dispositivo de prueba de regulador de voltaje, empezó la fase de desarrollo, así como la experiencia de aprendizaje, ya que rápidamente aparecieron problemas, como ahora veremos.

Sondas de Osciloscopio Integradas

El primer desafío y oportunidad para aprender de los errores surgió de la necesidad de integrar sondas de osciloscopio. El enfoque de desarrollo consistió en desmontar y realizar ingeniería inversa de una sonda Rigol utilizada por los medidores LCR de Rohde y Schwarz. El análisis de cada componente apoya la creación de un esquemático de sonda estándar a partir de los valores observados. El problema era que el uso originalmente previsto para esta sonda era con un osciloscopio de entrada de alta impedancia que utiliza conductores ultrafinos y perdidos con una resistencia de 400 ohmios/metro para ayudar a amortiguar cualquier reflexión. La resistencia del conductor de la sonda al escudo es de uno a dos órdenes de magnitud más baja que el cable coaxial estándar.

El problema para los aficionados y las pequeñas empresas es que la adquisición de este cable coaxial de resistencia ultra baja solo está disponible en carretes gigantes y costosos, lo cual es impráctico para requerimientos de longitud corta y bajo volumen. La única opción realista era usar un cable coaxial estándar de 50 ohmios/metro y ajustar los valores de los componentes de la sonda para compensar la diferencia. Utilicé las herramientas de simulación de Altium para equilibrar la alta capacitancia del cable coaxial y aplicar la compensación correcta en el diseño del circuito integrado de la sonda. Desafortunadamente, a pesar de todo el meticuloso análisis y esfuerzo de diseño de la placa de circuito impreso, las sondas integradas nunca lograrían el rendimiento requerido. Incluso después de afinar cuidadosamente el diseño del circuito, solo ofrecen un ancho de banda real de aproximadamente 80MHz. Aunque esto sería más que adecuado para pruebas de reguladores, el esfuerzo necesario para implementar y ajustar las sondas integradas superaba los beneficios. En última instancia, conectar sondas estándar a la placa para las pruebas ofrecía una mejor solución.

Límites de la Revisión de Diseño

A menudo, los diseños de placas de circuito impreso (PCB) fallan debido a la falta de una revisión de diseño rigurosa para identificar los problemas que pueden parecer obvios pero que eluden al diseñador porque está demasiado involucrado en el diseño propuesto. Uno de los mayores riesgos para el éxito del proyecto es acelerar los planes con una entrada de revisión de diseño insuficiente. Sin embargo, incluso las revisiones de diseño realizadas adecuadamente no son infalibles. Este proyecto es un excelente ejemplo de lo último.

El desarrollo del banco de pruebas para el regulador de voltaje empezó con un diseño de prueba de concepto implementado como una placa experimental funcional, aunque algo tosca. Este prototipo inicial demostró la viabilidad del diseño y ofreció un punto de partida para el refinamiento hacia una placa prototipo final. El diseño fue revisado por dos ingenieros experimentados, con el proyecto aprobado con solo pequeños ajustes necesarios. Sin embargo, estas revisiones exhaustivas no pudieron identificar los problemas de tierra que plagaban el proceso de desarrollo.

Problemas de Conexión a Tierra

El diseño de la placa prototipo tenía múltiples dominios de tierra en lugar de tierras analógicas y digitales separadas. No necesitas el beneficio de la retrospectiva para darte cuenta de que este enfoque es típicamente una terrible idea.

Uno de los problemas de conexión a tierra surgió cuando la alimentación al regulador de tensión y la carga resistiva estática necesitaban ser conmutadas usando MOSFETs para medir la respuesta transitoria. Sin embargo, el entorno de prueba empleó una Fuente de Alimentación DC Lineal de Banco Rigol DP832, un dispositivo de arranque relativamente suave. Esta característica es típica de todas las fuentes de alimentación de laboratorio, por lo que el dispositivo de prueba de regulador de voltaje tuvo que adaptarse a este comportamiento del equipo de prueba. La solución elegida fue configurar la placa de control para permitir que el canal de suministro de energía se habilitara y estabilizara antes de controlar un interruptor MOSFET para aplicar energía al regulador bajo prueba.

El problema es que la placa de control se conecta con cinco canales de suministro de energía, tres canales de osciloscopio, la placa de carga DC y una conexión de detección para la carga DC. Esta complejidad resultó en el enredo de los dominios de tierra en el circuito implementado.
El esquema de diseño de PCB parecía impecable, lo que significaba que el problema no era aparente para el diseñador y eludió las revisiones de diseño de PCB. Sin embargo, una vez implementado, proporcionó una referencia de tierra inferior al regulador de voltaje bajo prueba, lo que significaba que el componente estaba siempre activo, incluso cuando supuestamente estaba deshabilitado, esperando a que la tensión de suministro de energía se estabilizara.

El problema de tierra fue identificado y resuelto mediante la medición exhaustiva de resistencias y tensiones en puntos críticos del circuito en todos los estados operativos variados para correlacionar el rendimiento real con las predicciones del diseño y resolver las discrepancias. Este proceso permitió identificar los problemas de tierra como la causa y habilitó la modificación del prototipo para mejorar el diseño del circuito y demostrar que los cambios funcionarían.

Puedes cambiar una placa de circuito impreso de prototipo de manera efectiva cortando pistas y redirigiendo caminos de conductividad con enlaces de alambre. Llamamos a estos enlaces 'alambres de parche', pero la realidad es que esta es una forma efectiva de verificar los cambios de diseño propuestos y validar el rendimiento del circuito de manera sistemática. En este ejemplo, resolver los problemas de tierra necesitaba un optoacoplador y el recableado de algunos caminos de tierra.

Problemas con MOSFET

Los problemas relacionados con los controladores MOSFET que no funcionaban como se esperaba también obstaculizaron la verificación del diseño del prototipo. A través de la investigación, identifiqué que el rendimiento del interruptor era incompatible con la topología del diseño montado. Una investigación exhaustiva no pudo encontrar ningún problema de diseño que pudiera causar el comportamiento problemático observado, así que probé los MOSFETs fuera de la placa de PCB para intentar identificar la causa. En este punto de la investigación, rápidamente se hizo evidente que los MOSFETs no funcionaban según las hojas de datos, lo que efectivamente socavaba todo el proceso de diseño, que depende de la corrección de las hojas de datos.

Otro problema con los MOSFET fue que los componentes se quemaban regularmente a pesar de los suficientes márgenes de seguridad incorporados en el diseño del circuito usando un par de MOSFET en paralelo conectados para manejar la carga máxima. Diagnosticar problemas de diseño es una etapa desafiante del proceso de desarrollo para un diseñador de electrónica. Sin embargo, múltiples factores independientes que afectan el rendimiento exacerban el problema, incluyendo componentes que no se comportan como se espera y problemas de tierra no obvios, lo que puede desafiar a los desarrolladores más experimentados.

El desafío al resolver el problema con los componentes MOSFET que se quemaban era que no había una causa aparente. Si todos los componentes del circuito funcionaban como se esperaba, el problema no debería ocurrir. En un intento por aislar la causa a una parte particular del diseño del circuito, reemplacé los controladores de puerta utilizando los componentes que se habían usado con éxito en la placa experimental inicial. El desafío era que estos componentes experimentales estaban alojados en un paquete DIP mientras que los controladores en la placa prototipo tenían un footprint SOT-23-5. Sin embargo, los resultados de este ejercicio demostraron que el problema de los MOSFETs que se quemaban se debía a los controladores utilizados en la placa prototipo. Una investigación exhaustiva de las hojas de datos de los controladores no logró identificar por qué estos componentes no eran adecuados para su uso en el circuito.

Después de resolver el problema con el controlador MOSFET, los problemas de conmutación todavía plagaban la placa. Al final, la única forma de obtener un rendimiento fiable fue reemplazar los componentes MOSFET en la placa prototipo con los componentes MOSFET montados en orificios pasantes TO-251 equivalentes que había utilizado con éxito en la placa experimental. Este cambio finalmente proporcionó la fiabilidad necesaria para las pruebas regulares, aunque, en teoría, no debería haber habido ninguna diferencia de rendimiento.

Esta es probablemente la lección más importante; solo porque la hoja de datos de un componente te indica que tu diseño es perfecto, los problemas de rendimiento todavía pueden deberse a problemas con el componente en lugar de un error en el diseño del circuito.

Había un último problema con MOSFET del que podemos aprender, que surgió de la necesidad de mover físicamente la placa prototipo fuera del área de desarrollo durante la remodelación del laboratorio. Después de mover la placa de vuelta al área del laboratorio para reanudar las pruebas, la función de conmutación de carga falló en operar como se esperaba. Resulta que uno de los MOSFETs había estado expuesto a una descarga electrostática accidental (ESD) y falló. El reemplazo del componente dañado restaura la funcionalidad, y las pruebas pudieron reanudarse.

Estado Actual del Circuito

Con los problemas de conexión a tierra y conmutación resueltos y la idea de usar sondas integradas descartada, el prototipo de dispositivo de prueba era lo suficientemente bueno para usar en serio. He probado casi 100 reguladores de voltaje; muchos más están en proceso. Los resultados han sido invaluables para seleccionar reguladores para proyectos usando el rendimiento del mundo real en lugar de la información teórica, a veces mítica, de las hojas de datos. Este enfoque eliminó todos los puntos dolorosos de conectar un regulador de tensión y luego pasar horas investigando por qué un circuito no se comporta como se espera, solo para descubrir que es porque el regulador de voltaje no está funcionando como se esperaba.

Mejoras Planificadas

Un beneficio adicional del extenso programa de pruebas de reguladores de voltaje es que ha descubierto más información sobre el rendimiento del dispositivo de prueba e identificado áreas para futuras mejoras.

Control de Suministro de Energía y Conmutación

Un cambio clave identificado para la próxima versión mejorada del dispositivo de prueba incluye eliminar la necesidad de usar canales de suministro de energía preciosos para conmutar MOSFETs. Se necesita una solución donde estos canales de suministro de energía permanezcan disponibles para propósitos más valiosos.

El Sistema de Adquisición de Datos Keysight DAQ970A con un multímetro digital integrado tiene una tarjeta de E/S digital con conectividad USB y LAN que podría asumir la función de control de conmutación, liberando el suministro de energía. Alternativamente, siempre existe la opción de agregar un microcontrolador al dispositivo de prueba y hacer que las funciones de prueba sean completamente autosuficientes con una capacidad de control interno.

Otra mejora planificada en la fuente de alimentación es reemplazar la fuente de alimentación de la serie Rigol DP832, con su máximo de 220W de salida, por una nueva fuente de alimentación Kikusui PWX1500 valorada en 1.5 kW que ofrece muchas más opciones de suministro de salida, eliminando la necesidad de conectar en serie o en paralelo las salidas de potencia para satisfacer las necesidades de voltaje o corriente de los reguladores de voltaje de alto rendimiento bajo prueba.

Tarjetas de Carga

El segundo cambio clave es eliminar la necesidad de cambiar manualmente las tarjetas de carga, con un plan para reemplazar la tarjeta por una carga DC controlable con una tasa de cambio suficientemente rápida para las pruebas transitorias de los reguladores de tensión.

Conexión del Componente Bajo Prueba

Un tercer cambio clave es eliminar la necesidad de que los reguladores de voltaje bajo prueba sean soldados en la tarjeta adaptadora, reemplazándolo en su lugar por un método confiable de conexión del regulador que pueda manejar la multitud de diferentes configuraciones de conexión. Planeo revelar la solución a su debido tiempo.

Sondas Integradas

Finalmente, está el tema de las sondas integradas. Una solución práctica que entregue los resultados correctos mejoraría la usabilidad del dispositivo de prueba. La respuesta es reemplazar el osciloscopio de entrada de alta impedancia por un modelo con una entrada estándar de 50 ohmios que permitiría el uso de un simple divisor de voltaje para soportar la conexión de un cable coaxial común de 50 ohmios/metro para una señal casi perfecta.

Conclusión

El artículo muestra cómo el circuito mejor diseñado puede presentar problemas inesperados. Incluso los diseños de circuitos de PCB más sencillos que han sido revisados por pares independientes pueden negarse a funcionar como se esperaba cuando el diseño teórico se convierte en un dispositivo del mundo real. Críticamente, las hojas de datos pueden ser engañosas o incluso incorrectas. Irónicamente, un dispositivo de prueba diseñado para validar reguladores de voltaje contra sus especificaciones para resolver disparidades de rendimiento estuvo a punto de descarrilarse por problemas con las hojas de datos.

En este ejemplo del mundo real, la incorporación de ingenieros experimentados adicionales para proporcionar una segunda opinión no ayudó a identificar los problemas de tierra, y los problemas de conmutación nunca deberían haber ocurrido basándose en las hojas de datos de los componentes y controladores disponibles.

Sin embargo, en una nota positiva, una vez que el dispositivo de prueba estuvo operativo, rápidamente demostró su valor con la riqueza de datos recopilados de las pruebas, simplificando dramáticamente la selección de reguladores de voltaje para nuevos proyectos.

Si tienes historias similares que ofrecen valiosas oportunidades de aprendizaje o perspectivas para el diseño de circuitos, deja un comentario y comparte tus experiencias. También, háznos saber si tienes alguna sugerencia para mejoras en el dispositivo de prueba de reguladores de voltaje o ideas para nuevas características.