Un convertisseur DC-DC est une unité de contrôle électronique (ECU, Electronic Control Unit) qui convertit une tension d'entrée d'un niveau à un autre. Pour garantir le bon fonctionnement des calculateurs DC-DC, les fabricants doivent les soumettre à des tests fonctionnels rigoureux avant de quitter l'usine de fabrication. Ces tests incluent généralement des simulations d'entrée de puissance et de sortie de charge pour mesurer la stabilité et l'intégrité des sorties de tension, l'efficacité énergétique, etc. Les niveaux peuvent aller de faible à haute puissance. Les convertisseurs DC-DC de puissance supérieure sont souvent utilisés dans les applications automobiles, avec des plages supérieures à 200 W. Les convertisseurs DC-DC sont utilisés dans les systèmes start-stop, qui arrêtent automatiquement la combustion du moteur automobile pendant qu'il reste à l'arrêt, provoquant le redémarrage du moteur. uniquement lorsque le conducteur appuie sur l'accélérateur. Ces systèmes sont de plus en plus répandus, grâce aux efforts de l'industrie pour créer des environnements plus verts en réduisant les émissions de carbone.
Tests fonctionnels des convertisseurs DC-DC
Les convertisseurs DC-DC sont utilisés pour le confort de la cabine, en maintenant une source 12V qui empêche toute interruption des systèmes d'infodivertissement ou de ventilation lors du démarrage du moteur. La figure 1 montre un schéma fonctionnel simplifié illustrant le fonctionnement d'un ECU de convertisseur CC-CC typique pendant la mise sous tension. Chaque fois que la tension de la batterie tombe en dessous de 12 V en raison d'un démarrage par impulsion, un signal de déclenchement est envoyé à l'ECU qui augmente la tension et la maintient à un niveau de sortie constant d'environ 12 V.
Simulation des conditions
Pour effectuer les tests fonctionnels des ECU DC-DC, un émulateur d'entrée de batterie capable de générer des formes d'onde d'entrée de puissance élevée arbitraires dans l'ECU est requis. Les fabricants définissent souvent leur propre schéma d'entrée boost. La figure 2 fournit un exemple d'entrée d'impulsion de tension émulée à des fins de test. Une alimentation CC dynamique haute puissance est également nécessaire pour créer un modèle de tension arbitraire avec un courant d'appel élevé afin de simuler la condition transitoire de la batterie dans le processus de test. Pour réaliser le scénario de test fonctionnel approprié, nous aurons besoin d'alimentations CC dynamiques capables de générer des impulsions de 12 à 6 V avec un temps de décroissance de 1 à 2 ms, conformes aux exigences de la plupart des émulations de réponse transitoire des batteries automobiles. Il est également important de choisir la bonne alimentation électrique pour minimiser les coûts d'installation initiaux. Il existe des instruments sur le marché, tels que les systèmes d'alimentation Keysight N7951A/N7971A, avec des options de 1 et 2 kW à 20 V nominal, qui vous permettent de choisir entre des calculateurs à faible (<300 W) ou à haute puissance (>300 W). De cette façon, nous bénéficierons d'une plus grande flexibilité pour nous adapter aux différents besoins en énergie avec le même équipement. En plus de l'émulation d'entrée, des charges électroniques ou passives sont nécessaires pour simuler les effets des réseaux électroniques à bord des véhicules. Une solution de commutation de charge permet aux charges d'être connectées et déconnectées de manière flexible pour établir des circuits en boucle ouverte/fermée pour les tests de fonctionnalité. La solution doit également être capable de gérer la gestion de courants élevés pour les applications automobiles. Les ingénieurs de test doivent souvent développer des commutateurs personnalisés pour la connectivité de charge avec des circuits de sécurité à l'esprit pour se protéger contre les pannes de l'ECU. En particulier dans le secteur de la fabrication automobile à forte diversité, les commutateurs personnalisés doivent être fréquemment repensés pour s'adapter aux différentes applications de calculateur, ce qui prend du temps et de l'argent. Ainsi, il est généralement plus rentable d'avoir une solution de commutation de charge standard. Certains fournisseurs, tels que Keysight, proposent de telles solutions commerciales, capables de supporter de nombreuses heures de fonctionnement à courant élevé jusqu'à 40 A par canal, une exigence courante dans les tests de fabrication automobile.
Mesure de l'efficacité énergétique
En général, l'efficacité énergétique est définie comme "l'efficacité énergétique = VIout/VIin x 100 %", où VIout et VIin sont respectivement les consommations de puissance de sortie et d'entrée de l'ECU. Ainsi, un rendement plus élevé impliquera une perte de puissance plus faible lors de la conversion. Les analyseurs de puissance sont très utiles pour les ingénieurs qui souhaitent mesurer rapidement la consommation, l'efficacité et la qualité de l'alimentation CA/CC. Les analyseurs multicanaux peuvent mesurer simultanément la puissance d'entrée et la puissance de sortie avec une grande précision. Cependant, il peut ne pas être nécessaire d'utiliser un instrument de haute précision sur la chaîne de production, car les tests de performance ne nécessitent pas autant de précision et de rapidité pour l'analyse ou la caractérisation pendant la phase de conception. De plus, les validations fonctionnelles ne testent généralement le fonctionnement qu'à des niveaux critiques. La figure 2 illustre les niveaux typiques testés sur les phases A, B et C d'un signal d'entrée de batterie. Un multimètre numérique (DMM) peut être utilisé pour mesurer les tensions et courants d'entrée et de sortie lorsqu'ils sont statiques. La mesure de tension est relativement facile à capturer en sondant la référence de masse des entrées et des sorties. Pour mesurer le courant, au lieu d'utiliser le DMM comme un "ampèremètre" - quelque chose qui ne fonctionne que pour les mesures de courant faible - une méthode de shunt de courant est utilisée. Un transducteur de courant ou un capteur de résistance est placé en série sur toutes les entrées/sorties ; puis nous utilisons le DMM pour mesurer sa tension différentielle, que nous convertissons ensuite en courant en utilisant la loi d'Ohm : V = I x R. Enfin, l'efficacité énergétique peut être calculée en utilisant les résultats de tension et de courant des entrées/départs. La solution de commutation de charge TS-5000 de Keysight offre une capacité de détection de courant. Des cartes de charge sont incorporées à chaque capteur de résistance ou transducteur de courant sur chaque canal pour mesurer le courant. L'architecture des cartes de charge et des commutateurs matriciels leur permet d'être interfacés avec un DMM basique et peu coûteux, offrant ainsi une solution beaucoup moins chère à fabriquer pour les mesures d'efficacité énergétique DC-DC.
Mesure de stabilité
Il est nécessaire de valider la stabilité pour garantir le bon état du convertisseur DC-DC lors de l'activation. Une alimentation en courant continu dynamique est programmée pour générer des modèles d'impulsions de batterie. Un numériseur capture ensuite les modèles d'impulsions pour vérifier les vitesses de téléchargement et de téléchargement souhaitées. En plus de la validation des entrées, le numériseur est également utilisé pour mesurer la stabilité
de sortie. La forme d'onde de sortie de tension est acquise lors de l'activation de l'ECU. La forme d'onde complète illustre la stabilité globale de la sortie : ondulation, moyenne, crête à crête et taux de stabilisation via le mode Boost. Il est recommandé d'utiliser un numériseur avec un taux d'échantillonnage minimum de 0,1 us ; ce paramètre haute résolution aidera à capturer les problèmes ou les pics soudains. Les batteries automobiles fonctionnent généralement à environ 12,6 V, de sorte que le numériseur doit être capable de détecter les signaux d'entrée à > 10 V. Les convertisseurs CC-CC de puissance supérieure ont souvent plusieurs entrées/sorties, et vous aurez besoin d'un numériseur avec plus de deux canaux pour mesurer toutes les entrées et sorties simultanément. Les acquisitions de formes d'onde d'entrée et de sortie doivent être synchronisées sur la même séquence temporelle, montrant la corrélation entre toutes les entrées/sorties et réduisant le temps de test global. Les numériseurs M9217A/L453xA de Keysight ont des options de deux ou quatre canaux d'entrée isolés pour des mesures simultanées. La tension d'entrée élevée à ± 256 V élimine également le besoin d'atténuation du signal d'entrée pour un instrument d'acquisition de données typique avec une plage dynamique de ± 10 V. Dans le cas de convertisseurs DC-DC avec plusieurs entrées/sorties, le nombre de canaux dans le numériseur peut être multiplié en configurant des numériseurs supplémentaires dans le système, tandis que la synchronisation peut être obtenue grâce à ses capacités de déclenchement. Cette évolutivité permet à l'utilisateur de mettre à jour la solution avec la configuration existante sans avoir à migrer vers une autre instrumentation.
Conclusion
Le coût des tests est l'un des facteurs clés lors du calcul du coût total de fabrication d'un calculateur. Les constructeurs automobiles passent souvent du temps à développer leurs propres systèmes de test de rack empilables et peuvent finir par dépenser plus pour acheter des instruments coûteux. Les coûts totaux peuvent être considérablement réduits en choisissant le bon instrument ou en utilisant la bonne méthodologie de test. Choisir des solutions d'instrumentation et de commutation de charge rentables avec un logiciel de test commercial comme base peut aider à améliorer la compétitivité des fabricants de l'industrie automobile tout en maintenant des coûts raisonnables.
