Um Exercício de Aprendizado - Dispositivo de Teste de Regulador de Tensão

Introdução

A Internet está cheia de artigos documentando projetos de desenvolvimento eletrônico bem-sucedidos que mostram as habilidades e conhecimentos do desenvolvedor. No entanto, isso apresenta uma visão um tanto desequilibrada da realidade do processo de desenvolvimento, onde nem todos os projetos transcorrem suavemente ou têm sucesso. Contudo, os projetos que não saem conforme o planejado muitas vezes têm as lições mais valiosas a ensinar. Então, para ajustar o equilíbrio, aqui está uma história sobre um protótipo que não atendeu exatamente às expectativas, mas proporcionou um exercício de aprendizado útil ao longo do caminho. Também veremos como colocar o protótipo imperfeito de volta nos trilhos com algumas ideias para melhorias futuras.

Visão Geral do Projeto

Este projeto começou quando eu precisei de um método para medir o desempenho de módulos de alimentação disponíveis no mercado, analisando ruído, eficiência, tensão de saída, tempo de inicialização e resposta transitória de carga. O problema era que as fichas técnicas que acompanham os reguladores de tensão poderiam ser um tanto quanto insuficientes quando se trata de informações detalhadas para esses parâmetros críticos. O problema é que uma ficha técnica excessivamente otimista que se desvia do desempenho no mundo real pode impactar significativamente o desempenho do circuito quando você conecta o regulador de tensão ao seu circuito cuidadosamente projetado.

Descobrir que um regulador de tensão não funciona como esperado depois de ter sido soldado em uma placa de circuito protótipo pode ser um erro caro e que consome muito tempo, especialmente se você descobrir que o componente de substituição exige que o design da placa seja alterado. Claro, há também o risco de que o componente de substituição pode não funcionar completamente como previsto pelas informações da folha de dados.

A melhor maneira de resolver esse problema é o desenvolvimento de um dispositivo de teste no qual você pode inserir qualquer regulador de tensão para testar o desempenho no mundo real antes de usar o componente em seu projeto de circuito, especialmente antes de permitir que ele chegue perto de uma placa de circuito. 

A abordagem adotada para desenvolver o dispositivo de teste foi utilizar um slot PCIe 1x com uma placa-mãe correspondente para simplificar o teste do regulador. Um slot padrão Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) x1 oferece uma solução compacta para conectar o dispositivo de teste à placa de controle em uma aplicação com requisitos de baixa largura de banda.

Usar uma placa de controle simplifica a tarefa de configurar múltiplos reguladores para teste, permite ajustar a capacitância de entrada e saída para alinhar com as diretrizes do fabricante, e atende a qualquer disposição de pinos.

O ambiente de teste inclui uma Carga Eletrônica DC Programável Rigol DL3021, mas a taxa de variação de corrente disponível para testes de transientes de carga foi insuficiente para os testes planejados. Uma matriz de resistores foi montada em uma placa para resolver isso, com interruptores MOSFET utilizados para alternar entre essas cargas estáticas com velocidade suficiente para fornecer o transiente de carga rápido necessário. Esta placa de carga estática comutável foi então conectada a um segundo slot de cartão na placa de controle.

O ambiente de teste também inclui um osciloscópio para medições de sinal e resposta, portanto, integrar sondas de osciloscópio no dispositivo de teste ofereceria benefícios significativos ao realizar testes.

Com os requisitos para o dispositivo de teste estabelecidos, a fase de desenvolvimento começou, assim como a experiência de aprendizado, já que problemas rapidamente apareceram, como veremos agora.

Sondas de Osciloscópio Integradas

O primeiro desafio e oportunidade de aprender com os erros veio da necessidade de integrar sondas de osciloscópio. A abordagem de desenvolvimento consistiu em desmontar e fazer a engenharia reversa de uma sonda Rigol usada pelos medidores LCR da Rohde and Schwarz. A análise de cada componente apoia a criação de um esquemático padrão de sonda a partir dos valores observados. O problema era que o uso originalmente pretendido para esta sonda era com um osciloscópio de entrada de alta impedância, que utiliza condutores ultrafinos e com perdas, com uma resistência de 400 ohms/metro, para ajudar a amortecer quaisquer reflexos. A resistência do condutor da sonda ao escudo é de uma a duas ordens de magnitude menor do que o cabo coaxial padrão.

O problema para os hobbistas e pequenas empresas é que a obtenção deste cabo coaxial de ultra-baixa resistência só está disponível em carretéis gigantes e caros, o que é impraticável para requisitos de comprimento curto e baixo volume. A única opção realista era usar um cabo coaxial padrão de 50 ohms/metro e ajustar os valores dos componentes da sonda para compensar a diferença. Eu usei as ferramentas de simulação da Altium para equilibrar a alta capacitância do cabo coaxial e aplicar a compensação correta no design do circuito integrado da sonda. Infelizmente, apesar de toda a análise meticulosa e esforço de design, as sondas integradas nunca entregariam o desempenho necessário. Mesmo após ajustar cuidadosamente o design do circuito, elas só oferecem cerca de 80MHz de largura de banda no mundo real. Embora isso seria mais do que adequado para testes de reguladores, o esforço necessário para implementar e ajustar as sondas integradas superava os benefícios. Em última análise, conectar sondas padrão à placa para testes oferecia uma solução melhor.

Limitações da Revisão de Design 

Muitas vezes, os projetos de placas de circuito falham devido à falta de uma revisão de design rigorosa para identificar os problemas que podem parecer óbvios, mas que escapam ao projetista porque ele está muito envolvido no design proposto. Um dos maiores riscos para o sucesso do projeto é acelerar os planos com entrada insuficiente de revisão de design. No entanto, mesmo as revisões de design feitas adequadamente não são infalíveis. Este projeto é um excelente exemplo do último caso.

O desenvolvimento do dispositivo de teste do regulador de tensão começou com um design de prova de conceito implementado como uma placa experimental bem funcional, embora um tanto quanto rústica. Este protótipo inicial demonstrou a viabilidade do design e ofereceu um ponto de partida para o refinamento em uma placa protótipo final. O design foi revisado por dois engenheiros experientes, com o projeto sendo aprovado com apenas pequenos ajustes necessários. No entanto, essas revisões detalhadas não conseguiram identificar os problemas de aterramento que atormentavam o processo de desenvolvimento.

Problemas de Aterramento

O design da placa protótipo tinha múltiplos domínios de aterramento em vez de terras analógicas e digitais separadas. Não é preciso ter o benefício da retrospectiva para perceber que essa abordagem é tipicamente uma péssima ideia.

Um dos problemas de aterramento surgiu quando a alimentação para o regulador e a carga resistiva estática precisavam ser comutadas usando MOSFETs para medir a resposta transitória. No entanto, o ambiente de teste empregou um Rigol DP832 Bench Linear DC Power Supply, um dispositivo de partida relativamente suave. Essa característica é típica de todas as fontes de alimentação de laboratório, então o dispositivo de teste teve que acomodar esse comportamento do equipamento de teste. A solução escolhida foi configurar a placa de controle para permitir que o canal da fonte de alimentação fosse habilitado e estabilizado antes de controlar um interruptor MOSFET para aplicar energia ao regulador em teste.

O problema é que a placa de controle se conecta com cinco canais de fornecimento de energia, três canais de osciloscópio, a placa de carga DC e uma conexão de detecção para a carga DC. Essa complexidade resultou no emaranhamento dos domínios de terra no circuito implementado.
O esquema de design parecia impecável, o que significava que o problema não era aparente para o designer e escapou das revisões de design. No entanto, uma vez implementado, ele forneceu uma referência de terra inferior ao regulador de tensão em teste, o que significava que o componente estava sempre ativo, mesmo quando supostamente desativado, enquanto esperava que a tensão de fornecimento de energia se estabilizasse.

O problema de aterramento foi identificado e resolvido por meio da medição minuciosa das resistências e tensões em pontos críticos do circuito em todos os estados operacionais variados para correlacionar o desempenho real com as previsões de design e resolver as disparidades. Esse processo permitiu identificar os problemas de aterramento como a causa e possibilitou a modificação do protótipo para melhorar o design do circuito e provar que as mudanças funcionariam.

Você pode alterar efetivamente uma placa de protótipo cortando trilhas e redirecionando caminhos de condutividade com links de fios. Chamamos esses links de 'fios de gambiarra', mas a realidade é que esta é uma maneira eficaz de verificar as mudanças de design propostas e validar o desempenho do circuito de forma sistemática. Neste exemplo, resolver os problemas de aterramento necessitou de um optoacoplador e a reconfiguração de alguns caminhos de aterramento.

Problemas com MOSFET

Problemas com os drivers de MOSFET não funcionando como esperado também prejudicaram a verificação do design do protótipo. Por meio de investigação, identifiquei que o desempenho do interruptor era incompatível com a topologia do design montado. Uma investigação minuciosa não conseguiu encontrar problemas de design que pudessem causar o comportamento problemático observado, então testei os MOSFETs fora da placa para tentar identificar a causa. Neste ponto da investigação, rapidamente ficou aparente que os MOSFETs não funcionavam conforme os datasheets, o que efetivamente comprometeu todo o processo de design, que depende da correção dos datasheets.

Outro problema com MOSFET foi que os componentes estavam regularmente queimando apesar das margens de segurança suficientes incorporadas ao design do circuito usando um par de MOSFETs em paralelo conectado para gerenciar a carga máxima. Diagnosticar problemas de design é uma etapa desafiadora do processo de desenvolvimento para um designer de eletrônicos. No entanto, múltiplos fatores independentes que afetam o desempenho exacerbam o problema, incluindo componentes que não se comportam como esperado e problemas de aterramento não óbvios, que podem desafiar até os desenvolvedores mais experientes.

O desafio em resolver o problema com os componentes MOSFET que estavam queimando era que não havia uma causa aparente. Se todos os componentes do circuito funcionassem conforme o esperado, o problema não deveria ocorrer. Na tentativa de isolar a causa para uma parte específica do design do circuito, substituí os drivers de gate usando os componentes que foram usados com sucesso na placa experimental inicial. O desafio era que esses componentes experimentais estavam alojados em um pacote DIP enquanto os drivers na placa protótipo tinham uma pegada SOT-23-5. No entanto, os resultados deste exercício provaram que o problema dos MOSFETs queimando era devido aos drivers usados na placa protótipo. Uma investigação minuciosa das folhas de dados dos drivers não conseguiu identificar por que esses componentes eram inadequados para uso no circuito.

Após resolver o problema do driver MOSFET, problemas de comutação ainda assolavam a placa. No final, a única maneira de obter um desempenho confiável foi substituir os componentes MOSFET na placa protótipo pelos equivalentes componentes MOSFET montados em furos passantes TO-251 que eu havia usado com sucesso na placa experimental. Essa mudança finalmente proporcionou a confiabilidade necessária para testes regulares, embora, no papel, não deveria haver diferença de desempenho.

Esta é provavelmente a lição mais importante; só porque a ficha técnica de um componente diz que seu design é perfeito, problemas de desempenho ainda podem ser devidos a problemas nos componentes em vez de um erro no design do circuito.

Havia mais um problema com MOSFET a ser relatado do qual podemos aprender, que surgiu da necessidade de mover fisicamente a placa protótipo para fora da área de desenvolvimento durante a reforma do laboratório. Após mover a placa de volta para a área do laboratório para retomar os testes, a função de comutação de carga falhou em operar como esperado. Descobriu-se que um dos MOSFETs havia sido exposto a uma descarga eletrostática (ESD) acidental e falhou. A substituição do componente danificado restaura a funcionalidade, e os testes puderam ser retomados.

Status Atual do Circuito

Com os problemas de aterramento e comutação resolvidos e a ideia de usar sondas integradas descartada, o protótipo de dispositivo de teste estava bom o suficiente para ser usado efetivamente. Testei quase 100 reguladores de tensão; muitos mais estão na fila. Os resultados provaram ser inestimáveis para selecionar reguladores para projetos usando desempenho real em vez de informações teóricas, às vezes míticas, de datasheets. Esta abordagem eliminou todos os pontos de dor de conectar um regulador e depois passar horas investigando por que um circuito não está se comportando como esperado, apenas para descobrir que é porque o regulador não está atuando conforme esperado.

Melhorias Planejadas

Um benefício adicional do extenso programa de testes de reguladores é que ele revelou mais informações sobre o desempenho do dispositivo de teste e identificou áreas para futuras melhorias.

Controle de Fonte de Alimentação e Chaveamento

Uma mudança chave identificada para a próxima versão melhorada do dispositivo de teste inclui eliminar a necessidade de usar canais de fonte de alimentação preciosos para chavear MOSFETs. É necessária uma solução onde esses canais de fonte de alimentação permaneçam disponíveis para propósitos mais valiosos.

O Sistema de Aquisição de Dados Keysight DAQ970A com um multímetro digital integrado possui uma placa de IO digital com conectividade USB e LAN que poderia assumir a função de controle de chaveamento, liberando a fonte de alimentação. Alternativamente, sempre há a opção de adicionar um microcontrolador ao dispositivo de teste e tornar as funções de teste completamente autossuficientes com uma capacidade de controle interno.

Outra melhoria planejada na fonte de alimentação é substituir a fonte de alimentação da série Rigol DP832, com sua saída máxima de 220W, por uma nova fonte de alimentação Kikusui PWX1500, avaliada em 1,5 kW, que possui muito mais opções de fornecimento de saída, eliminando a necessidade de conectar saídas de energia em série ou paralelo para atender às necessidades de tensão ou corrente dos reguladores de tensão de alto desempenho em teste.

Cartões de Carga

A segunda mudança chave é eliminar a necessidade de trocar manualmente os cartões de carga, com um plano para substituir o cartão por uma carga DC controlável com uma taxa de variação suficientemente rápida para testes de transientes em reguladores.

Conexão do Componente em Teste

Uma terceira mudança chave é eliminar a necessidade de os reguladores de tensão em teste serem soldados no cartão adaptador, substituindo isso por um método confiável de conectar o regulador que possa lidar com a multiplicidade de diferentes configurações de conexão. Planejo revelar a solução em tempo oportuno.

Sondas Integradas

Por fim, há a questão das sondas integradas. Uma solução prática que entrega os resultados corretos melhoraria a usabilidade do dispositivo de teste. A resposta é substituir o osciloscópio de entrada de alta impedância por um modelo com uma entrada padrão de 50 ohms, o que permitiria o uso de um simples divisor de tensão para suportar a conexão de um cabo coaxial comum de 50 ohms/metro para um sinal quase perfeito.

Conclusão

O artigo mostra como o circuito melhor projetado pode apresentar problemas inesperados. Mesmo os designs de circuitos mais simples, que passaram por revisões independentes de pares, podem se recusar a funcionar conforme o esperado quando o design teórico se torna um dispositivo no mundo real. Criticamente, as folhas de dados podem ser enganosas ou até mesmo incorretas. Ironicamente, um dispositivo de teste projetado para validar reguladores de tensão contra suas especificações para resolver disparidades de desempenho quase foi descarrilado por problemas nas folhas de dados.

Neste exemplo real, a adição de engenheiros experientes para fornecer uma segunda opinião não ajudou a identificar os problemas de aterramento, e os problemas de comutação nunca deveriam ter ocorrido com base nas fichas técnicas dos drivers e componentes disponíveis.

Contudo, em uma nota positiva, uma vez que o dispositivo de teste estava operacional, rapidamente mostrou seu valor com a riqueza de dados coletados durante os testes, simplificando dramaticamente a seleção de reguladores de tensão para novos projetos.

Se você tem histórias semelhantes que oferecem oportunidades valiosas de aprendizado ou insights para o design de circuitos, deixe um comentário e compartilhe suas experiências. Também nos informe se você tem alguma sugestão para melhorias no dispositivo de teste de reguladores de tensão ou ideias para novas funcionalidades.