Power Analyzer - устройство с USB интерфейсом для автоматического тестирования источников питания

Общие сведения

Рассмотренное в статье устройство Power Analyzer – это компактная система на микроконтроллере (МК) ATtiny814, предназначенная для автоматического тестирования  источников питания, DC/DC преобразователей, регуляторов напряжения, аккумуляторов, зарядных устройств, потребителей энергии и пр. (Рисунок 1). Прибор представляет собой программируемую электронную нагрузку постоянного тока с двумя датчиками напряжения и тока на стороне высокого напряжения. Устройством можно управлять через последовательный интерфейс USB, используя монитор последовательного порта или предоставленные скрипты Python (доступны для скачивания в разделе загрузок).

Рисунок 1.	Power Analyzer – устройство для автоматического анализа источников питания, DC-DC преобразователей, аккумуляторов.

Принцип работы

МК ATtiny814 контролирует узел электронной нагрузки с помощью своего встроенного 8-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). В МК встроены два программируемых источника опорного напряжения для аналоговой периферии, каждый их которых поддерживает 5 разных напряжений, и в данном устройстве все эти 5 напряжений используются для обеспечения максимальной точности и разрешения ЦАП.

Блок-схема устройства изображена на Рисунке 2, принципиальная схема – на Рисунке 3. Все проектные файлы доступны для скачивания в разделе загрузок или в онлайн среде проектирования EasyEDA [1].

Рисунок 2.	Блок-схема анализатора источников питания Power Analyzer.

Выход ЦАП подключен к операционному усилителю LMV321, который действует как усилитель с единичным коэффициентом усиления, контролирующий сопротивление MOSFET IRL540NPBF. MOSFET устанавливается на радиатор с вентилятором для дополнительного охлаждения (напряжение питания вентилятора 5 В). Для контроля температуры транзистора используется NTC терморезистор 3950B номиналом 10 кОм, который подключается к разъему NTC Header. Терморезистор необходимо укрепить на радиаторе максимально близко к MOSFET.

Рисунок 3.	Принципиальная схема анализатора источников питания Power Analyzer.

Напряжение и ток измеряются через шунтирующий резистор 8 мОм на стороне высокого напряжения, подключенный к микросхеме цифрового датчика тока и напряжения INA219, с разрешением 4 мВ/1 мА. Второй датчик тока и напряжения подключен к другому шунтирующему резистору 8 мОм, который включен между клеммами PWR-IN и PWR-OUT.

Анализатор источников питания подключается по интерфейсу USB к ПК или одноплатному компьютеру, например Raspberry Pi. Для преобразования последовательного интерфейса USB используется микросхема CH330N.

Команды анализатору можно передавать вручную из программы мониторинга последовательных портов или из программы на Python с графическим пользовательским интерфейсом. Устройство имеет различные встроенные алгоритмы тестирования. Собранные данные отправляются обратно через последовательный интерфейс / USB на ПК или Raspberry Pi. МК постоянно измеряет потребляемую мощность и измеряет температуру радиатора транзистора. Он управляет вентилятором охлаждения и отключает электронную нагрузку, когда температура становится слишком высокой.

Программа МК написана в среде Arduino IDE. Исходный код (скетч Arduino), а также приложение на Python для работы с прибором доступны для скачивания в разделе загрузок или на странице проекта [2].

Алгоритмы тестирования

Запуск алгоритмов тестирования можно выполнить двумя способами:

• В программе мониторинга последовательного порта: алгоритм тестирования запускается отправкой соответствующей команды по последовательному интерфейсу. Отправляемые анализатором данные отображаются в мониторе последовательного порта и могут быть экспортированы в программу электронных таблиц для дальнейшего анализа.
• Из приложения на Python с интуитивно понятным графическим пользовательским интерфейсом; это самый простой способ. Все следующие примеры тестов и графики созданы этим приложением.

Тест источника питания под нагрузкой

Блок-схема подключения испытуемого источника питания к анализатору изображена на Рисунке 4.

Рисунок 4.	Блок-схема подключения испытуемого источника питания к анализатору для нагрузочного теста.

Для запуска теста необходимо по последовательному интерфейсу отправить команду вида:

l maxloadcurrent[mA: 17..5000] minloadvoltage[mV: 0..26000]

Пример: "l 2500 4200"

В этом случае анализатор непрерывно увеличивает ток нагрузки от 17 мА до максимального значения, заданного параметром maxloadcurrent. Завершается тест автоматически, если напряжение падает ниже минимального значения, заданного параметром minloadvoltage. Измеренные значения передаются по последовательному интерфейсу в формате: ток[мА] напряжение[мВ] мощность[мВт], разделенные строкой SEPERATOR (строка-разделитель SEPERATOR задается в скетче Arduino).

На Рисунке 5 представлен пример результата нагрузочного теста источника питания (Powerbank).  На графике красная линия соответствует напряжению источника питания, синяя – мощности.

Рисунок 5.	Нагрузочная характеристика источника питания (Powerbank).

Тестирование регулятора напряжения

На Рисунке 6 изображена блок схема подключения регулятора напряжения к анализатору.

Рисунок 6.	Блок-схема подключения регулятора напряжения к анализатору Power Analyzer для тестирования.

Для запуска теста необходимо по последовательному интерфейсу отправить команду вида:

g maxloadcurrent[mA: 17..5000]

Пример: "g 3000"

При выполнении этого теста анализатор быстро меняет ток нагрузки в диапазоне между минимальным значением 17 мА и максимальным значением, которое задается параметром maxloadcurrent. Измеренные значения передаются по последовательному интерфейсу в формате: время [мс] ток [мА]напряжение [мВ], разделенные строкой SEPERATOR.

На Рисунке 7 изображен пример результата тестирования регулятора напряжения на микросхеме FP6277. На графике красная линия соответствует выходному напряжению источника питания, синяя – току нагрузки.

Рисунок 7.	Пример результата тестирования регулятора напряжения.

Оценка КПД DC/DC преобразователя

Схема подключения DC/DC преобразователя к анализатору для оценки его КПД несколько сложнее (Рисунок 8).

Рисунок 8.	Блок-схема подключения DC/DC преобразователя к анализатору Power Analyzer для оценки КПД.

Для запуска оценочного теста необходимо по последовательному интерфейсу отправить команду вида:

e maxloadcurrent[mA: 17..5000] minloadvoltage[mV: 0..26000]

Пример: "e 4000 2500"

При выполнении этого теста анализатор непрерывно изменяет ток нагрузки от минимального значения 17 мА до максимального значения, заданного параметром maxloadcurrent. Завершается тест автоматически при падении напряжения на клеммах TEST-IN ниже минимального значения, заданного параметром minloadvoltage. Измеренные значения передаются по последовательному интерфейсу в формате: ток [мА]напряжение [мВ] КПД[%*10], разделенные строкой SEPERATOR.

На Рисунке 9 изображен пример выполнения теста оценки КПД преобразователя на микросхеме MP2307. Красная линия – выходное напряжение преобразователя, синяя – КПД.

Рисунок 9.	Пример результатов оценки КПД преобразователя на микросхеме MP2307.

Тестирование аккумуляторов (батареек)

Блок-схема подключения защищенного Li-Ion (Li-Po) аккумулятора к анализатору для оценки его емкости изображена на Рисунке 10.

Рисунок 10.	Блок-схема подключения защищенного Li-Ion аккумулятора к анализатору Power Analyzer для оценки емкости.

Для запуска теста необходимо по последовательному интерфейсу отправить команду вида:

b maxloadcurrent[mA: 17..5000] minloadvoltage[mV: 0..26000]

Пример: "b 1000 2700"

При выполнении этого теста анализатор устанавливает значение постоянного тока нагрузки, заданного параметром maxloadcurrent. Если напряжение падет ниже заданного значения minloadvoltage, анализатор уменьшает ток нагрузки, чтобы поддерживать напряжение на заданном уровне. Завершается тест автоматически, если ток нагрузки будет равен 0. Измеренные значения передаются по последовательному интерфейсу в формате: время [мс] ток[мА] напряжение[мВ] емкость[мАч], разделенные строкой SEPERATOR.

На Рисунке 11 изображен пример выполнения теста проверки емкости Li-Po аккумулятора. Красная линия – напряжение аккумулятора, синяя – емкость.

Рисунок 11.	Пример результата проверки емкости Li-Po аккумулятора с помощью Power Analyzer.

Мультиметр длительных измерений

Данная функция предназначена для длительного измерения напряжения, тока и мощности, отдаваемых в нагрузку. Блок-схема подключения источника питания и нагрузки к анализатору изображена на Рисунке 12.

Рисунок 12.	Блок-схема подключения источника питания и нагрузки к анализатору в режиме мультиметра длительных измерений.

Для запуска данного режима анализатор необходимо по последовательному интерфейсу передать команду вида:

m interval[ms: 2..65535] duration[s: 1..65535]

Пример: "m 18000 18000"

При запуске этого режима анализатор измеряет напряжение, ток и мощность, отдаваемые тестовому нагрузочному устройству через интервал, заданный параметром interval (в миллисекундах), в течение времени, заданного параметром duration (в секундах). Измеренные значения передаются по последовательному интерфейсу в формате: время [мс] ток[мА] напряжение[мВ], разделенные строкой SEPERATOR.

На Рисунке 13 изображен пример результатов измерений напряжения и тока зарядного устройства на микросхеме TP4056 в процессе зарядки Li-Ion аккумулятора.

Рисунок 13.	Пример результатов измерений напряжения и тока в процессе заряда Li-Ion аккумулятора.

Команды для непосредственного управления анализатором источников питания представлены в Таблице 1.

Таблица 1. Команды управления анализатором источников питания.

Команда Функция "i" Передает идентифицирующую строку ("Power Analyzer") "v" Передает версию прошивки "x" Прерывает выполнение текущего теста "s loadcurrent[mA]" Устанавливает постоянный ток нагрузки в значение loadcurrent "r" Сбрасывает ток нагрузки в минимум "t" Читает тукущие значения напряжения и тока двух датчиков и передает их

Демонстрация работы прибора

Замечания к конструкции прибора

• Для силового MOSFET используйте хороший радиатор с вентилятором охлаждения (с напряжением питания 5 В).
• Будьте осторожны с мощной нагрузкой. Проведите несколько тестов, чтобы выяснить ресурс вашей охлаждающего решения для MOSFET.
• Из-за ограничений бюджетного операционного усилителя минимальный ток нагрузки составялет 17 мА. Можно применить операционный усилитель  лучшего качества (необходимо учитывать распиновку, rail-to-rail, стабильность при единичном коэффициенте усиления), но зачастую в этом нет необходимости.
• Максимальный ток нагрузки 5 А, однако для малых напряжений он может быть меньше.
• Максимальный ток на клеммах PWR-IN и PWR-OUT 8 А
• Не превышаете максимальное напряжение 26 В на всех разъемах!
• С целью упрощения конструкции, все разъемы, включая USB, имеют общую землю. Помните об этом при сборке тестовых схем с целью исключить земляные петли и короткие замыкания. Использование изолятора интерфейса USB между ПК и анализатором – неплохая идея.
• Для пользователей Windows потребуется установка драйвера последовательного порта (CH341SER). Для пользователей Linux это необязательно.
• Для прошивки микроконтроллера потребуется UPDI программатор, или можно использовать плату Arduino в качестве адаптера jtag2updi [3, 4].
• Приложение на Python было протестировано только на Linux, но должно работать и в других ОС.
• Приложение в стадии разработки, возможны небольшие ошибки. В будущем будут добавлены новые функции.

Дополнительные материалы

1. Проект в онлайн среде проектирования электроники EasyEDA
2. Страница проекта на github.com
3. UPDI программатор автора статьи
4. Микроконтроллеры семейства ATtiny в Arduino IDE

Загрузки

1. Проектные файлы (схема, Gerber-файлы) и программное обеспечение (скетч Arduino, приложение на Python)