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Implementación de una solución económica para pruebas de convertidor DCDC en automoción

Un convertidor DC-DC es una unidad de control electrónico (ECU, Electronic Control Unit) que convierte una tensión de entrada de un nivel a otro. Para garantizar que las ECU DC-DC funcionen sin problemas, los fabricantes tienen que someterlas a rigurosas pruebas funcionales antes de que salgan de la planta de fabricación. Estas pruebas normalmente incluyen simulaciones de entrada de potencia y salida de carga para medir la estabilidad y la integridad de las salidas de tensión, la eficiencia energética, etc. Los niveles pueden ir de baja a alta potencia. En las aplicaciones de automoción se suelen utilizar convertidores DC-DC de mayor potencia, con rangos que superan los 200 W. Los convertidores DC-DC se utilizan en los sistemas de arranque-parada, que detienen automáticamente la combustión del motor del automóvil mientras permanece parado, haciendo que el motor vuelva a arrancar únicamente cuando el conductor pisa el acelerador. Estos sistemas cada vez están más extendidos, gracias al esfuerzo del sector por crear entornos más ecológicos reduciendo las emisiones de carbono.
Pruebas funcionales de convertidores DC-DC
Los convertidores DC-DC se utilizan para el confort del habitáculo, manteniendo una fuente de 12 V que evite cualquier interrupción en el sistema de información y entretenimiento o en los sistemas de ventilación durante el arranque del motor. La Figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado que ilustra el funcionamiento de la ECU de un convertidor DC-DC típico durante la activación. Siempre que la tensión de la batería cae por debajo de 12 V debido al inicio del impulso, se envía una señal de disparo a la ECU que aumenta la tensión y la mantiene a un nivel de salida constante de unos 12 V.

Simulación de condiciones

Para llevar a cabo las pruebas funcionales de las ECU DC-DC se necesita un emulador de entrada de batería capaz de generar en la ECU formas de onda arbitrarias de entrada de alta potencia. Los fabricantes suelen definir su propio patrón de entrada de impulso. La Figura 2 ofrece un ejemplo de entrada de impulso de tensión emulado con fines de prueba. También se necesita una fuente de alimentación DC dinámica de alta potencia para crear un patrón de tensión arbitraria con una alta corriente de irrupción para simular la condición transitoria de la batería en el proceso de prueba. Para conseguir el escenario de prueba funcional adecuado, necesitaremos fuentes de alimentación DC dinámicas capaces de generar pulsos de 12 a 6 V con un tiempo de bajada de 1-2 ms, de conformidad con los requisitos de las emulaciones de respuesta a transitorios de la mayoría de las baterías para automoción. También es importante elegir la fuente de alimentación adecuada para minimizar los costes de configuración iniciales. Existen en el mercado instrumentos, como los sistemas de alimentación N7951A/N7971A de Keysight, con opciones de 1 y 2 kW a 20 V nominales, que permiten elegir entre ECU de baja (<300 W) o alta potencia (>300 W). De esta forma, disfrutaremos de mayor flexibilidad para adaptarnos a distintas necesidades de potencia con el mismo equipo. Además de la emulación de entradas, se necesitan cargas electrónicas o pasivas para simular los efectos de las redes electrónicas a bordo de los vehículos. Una solución de conmutación de carga permite conectar y desconectar cargas de forma flexible para establecer circuitos de bucle abierto/ cerrado para pruebas de funcionalidad. La solución también debe ser capaz de soportar el manejo de corrientes elevadas para las aplicaciones de automoción. Los ingenieros de pruebas a menudo tienen que desarrollar conmutadores a medida para la conectividad de cargas teniendo en cuenta la circuitería de seguridad y protección en caso de que la ECU falle. Especialmente en el sector de la fabricación para automoción con alta mezcla, los conmutadores a medida tienen que rediseñarse frecuentemente para responder a las distintas aplicaciones de las ECU, lo que implica tiempo y dinero. Así, normalmente resulta más rentable disponer de una solución de conmutación de carga estándar. Algunos proveedores, como Keysight, ofrecen este tipo de soluciones comerciales, capaces de soportar muchas horas de operaciones de corriente elevada hasta a 40 A por canal, un requisito habitual en las pruebas de fabricación para automoción.

Medida de la eficiencia energética

En general, la eficiencia energética se define como “eficiencia energética = VIsalida/VIentrada x 100%”, siendo VIsalida y VIentrada los consumos de energía de salida y entrada, respectivamente, de la ECU. Así, una mayor eficiencia implicará una menor pérdida de potencia durante la conversión. Los analizadores de potencia resultan muy útiles para los ingenieros que desean medir rápidamente el consumo de energía AC/DC, la eficiencia y la calidad. Los analizadores multicanal pueden medir al mismo tiempo la potencia de entrada y la de salida con gran precisión. No obstante, puede que no sea necesario utilizar un instrumento de alta precisión en la línea de producción, ya que en las pruebas de funcionamiento no se precisa de tanta exactitud y velocidad para el análisis o la caracterización durante la fase de diseño. Además, las validaciones funcionales normalmente prueban el funcionamiento únicamente a niveles críticos. La Figura 2 ilustra los niveles típicos probados en las fases A, B y C de una señal de entrada de batería. Es posible utilizar un multímetro digital (DMM) para medir las tensiones y corrientes de entrada y salida cuando son estáticas. La medida de tensión es relativamente fácil de capturar sondeando la referencia a masa de las entradas y salidas. Para medir la corriente, en lugar de utilizar el DMM como “amperímetro” —algo que solo funciona para las medidas de baja corriente—, se emplea un método de shunt de corriente. En todas las entradas/ salidas se coloca un transductor de corriente o un sensor de resistencia en serie; a continuación, utilizamos el DMM para medir su tensión diferencial, que después convertiremos a corriente por medio de la ley de Ohm: V = I x R. Por último, la eficiencia energética podrá calcularse utilizando los resultados de tensión y corriente de las entradas/salidas. La solución de conmutación de carga TS-5000 de Keysight ofrece capacidad de sensor de corriente. Las tarjetas de carga se incorporan con cada sensor de resistencia o transductor de corriente en cada canal para medir la corriente. La arquitectura de las tarjetas de carga y los conmutadores matriciales permite su interconexión con un DMM básico y económico, ofreciendo así una solución de fabricación mucho más barata para las medidas de eficiencia energética DC-DC.

Medida de la estabilidad

Es necesario validar la estabilidad para garantizar el buen estado del convertidor DC-DC durante la activación. Se programa una fuente de alimentación DC dinámica para generar patrones de impulsos de batería. A continuación, un digitalizador captura los patrones de impulsos para verificar las velocidades de bajada y subida deseadas. Además de la validación de entrada, el digitalizador también se emplea para medir la estabilidad de salida. La forma de onda de salida de tensión se adquiere durante la activación de la ECU. La forma de onda completa ilustra la estabilidad general de la salida: rizado, media, pico a pico y velocidad de estabilización a través del modo Boost. Se recomienda utilizar un digitalizador con una velocidad de muestreo mínima de 0,1 us; este ajuste de alta resolución ayudará a capturar cualquier glitch o pico repentino. Las baterías para automoción suelen funcionar a unos 12,6 V, por lo que el digitalizador debe ser capaz de detectar señales de entrada a >10 V. Los convertidores DC-DC con mayor potencia suelen incluir múltiples entradas/salidas, y necesitaremos un digitalizador con más de dos canales para medir todas las entradas y salidas simultáneamente. Las adquisiciones de formas de onda de entrada y salida deben sincronizarse en la misma secuencia temporal, mostrando la correlación entre todas las entradas/salidas y reduciendo el tiempo de prueba total. Los digitalizadores M9217A/ L453xA de Keysight cuentan con opciones de dos o cuatro canales de entrada aislados para medidas simultáneas. La alta tensión de entrada a ±256 V también elimina la necesidad de atenuar la señal de entrada para el instrumento de adquisición de datos típico con un rango dinámico de ±10 V. En el caso de convertidores DC-DC con múltiples entradas/salidas, el número de canales en el digitalizador puede multiplicarse configurando digitalizadores adicionales dentro del sistema, mientras que la sincronización puede conseguirse gracias a sus capacidades de disparo. Esta escalabilidad permite al usuario actualizar la solución con la configuración existente sin tener que migrar a otra instrumentación.

Conclusión

El coste de las pruebas es uno de los factores clave a la hora de calcular el coste total de fabricación de una ECU. Los fabricantes del sector de la automoción a menudo invierten tiempo en desarrollar sus propios sistemas de pruebas apilables en rack, y pueden acabar gastando más en adquirir instrumentos con un alto coste. Los costes totales pueden reducirse enormemente si eligen el instrumento adecuado o emplean la metodología de prueba apropiada. Elegir una instrumentación y unas soluciones de conmutación de carga económicas con un software de pruebas comercial como base puede ayudar a mejorar la competitividad de los fabricantes en el sector de la automoción, manteniendo unos costes razonables.



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