Bachelor's Thesis

Automated DC/DC converter measurement system

Final Thesis 5.91 MB Appendix 1008.99 kB

Author of thesis: Dominik Choutka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michal Kubíček, Ph.D.

Reviewer: Ing. Ondřej Kolář

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design of an automated system for measuring and characterizing DC/DC converters. The theoretical part summarizes basic converter topologies and the parameters used for their evaluation, especially the load characteristic, voltage ripple, efficiency, quiescent current, and feedback loop stability. The practical part verifies the properties of the Analog Discovery 3 platform, includes manual measurements of a selected step-down converter based on the TPS54331 circuit, and describes unsuccessful attempts to measure feedback loop stability using the available transformers. A measurement fixture with a printed circuit board is also designed, and a Python program is created for instrument initialization, automated measurement of the load characteristic and voltage ripple, data storage, calculations, and graph generation. The result is a basis for a repeatable measurement system with defined directions for further development.

Keywords:

DC/DC converter, switching power supply, measurement automation, Analog Discovery 3, Python, PyVISA, SCPI, load characteristic, voltage ripple, efficiency, feedback loop stability, measurement fixture.

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaDznamka

Grading

D

Process of defence

Student prezentuje řešení a výsledky své bakalářské práce. Na první otázku oponenta odpovídá pouze obecně. Na druhou otázku již odpovídá správně dr. Kubíček: Proč jsou naměřené charakteristiky zvlněné? Student odpovídá, že se mu nepodařilo vyřešit tento problém doc. Kadlec: Umožňuje přípravek kalibraci? Student přiznává, že tuto funkci neuvažoval

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electronics and Communication Technologies (BPC-ECT)

Composition of Committee

doc. Ing. Petr Kadlec, Ph.D. (předseda)
Ing. Michal Kubíček, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Michal Harvánek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Marcoň, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Martin Slanina, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Kubíček, Ph.D.

Student měl za úkol vytvořit přípravek zjednodušující připojení malého DC/DC měniče k měřicí aparatuře za účelem jeho charakterizace. Cílem bylo omezit manipulaci s přístroji při jejich přepojování pro různá měření.
V úvodu práce student provedl zkušební měření vybraného DC/DC měniče pomocí dostupných přístrojů, přičemž klíčovým z nich měla být platforma Analog Discovery 3 (AD3), u které také ověřoval skutečné parametry (zkreslení generovaného signálu, přeslechy mezi kanály...). Z těchto měření vyplynuly požadavky na laboratorní přípravek. Student tento přípravek navrhl, realizoval a provedl s ním zkušební měření, ke kterému již využil základní automatizaci (skripty v jazyce Python), a demonstroval tak funkčnost navrženého řešení.
Značné úsilí bylo věnováno měření stability zpětné vazby. Jelikož nebyl k dispozici vhodný injekční transformátor, prováděl student experimenty s komerčně dostupnými síťovými transformátory i ručně navinutým transformátorem. Základní Bodeho křivky se ale studentovi nepodařilo změřit, a to ani ručním měřením pomocí přístrojů, ani automatizovaně pomocí platformy AD3, a tato část práce zůstala nevyřešena.
Navržený systém nyní umožňuje automatizovaně proměřit zatěžovací charakteristiku, účinnost a zvlnění napětí, ukládat surová data a generovat výsledné grafy. Závěrečné zkušební měření není zcela kompletní validací aparatury; postrádám přímé porovnání manuálního a automatizovaného měření a odhad nejistot měření. Vybrané parametry charakterizující DC/DC měničů jsou jen základní; bylo by vhodné zahrnout například přechodové děje (skoková změna zátěže a vstupního napětí) nebo chování měniče při zapnutí.
Na zadání student pracoval průběžně, výsledky pravidelně konzultoval. Především v úvodu řešení byly patrné jeho značné neznalosti, které se mu postupně podařilo doplnit, ale přesto ve mně předložená práce budí dojem, že stále úplně nerozumí některým základním aspektům problematiky (například kompenzace vlivu přívodních vodičů, využití průměrování při měření...).
Po formální stránce je práce logicky členěná a většina obrázků a grafů je srozumitelná. V textu se vyskytují překlepy, méně obratné formulace a dílčí formální nedostatky, například prolínající se číslování obrázků a tabulek. V seznamu použité literatury figurují katalogové listy běžných součástek (rezistory, keramické kondenzátory), což nepovažuji za vhodné. Points proposed by supervisor: 68

Grade proposed by supervisor: D

Reviewer’s report
Ing. Ondřej Kolář

Předložená bakalářská práce se zabývá návrhem automatizovaného systému pro měření parametrů DC/DC měničů s využitím platformy Analog Discovery 3. V teoretické části se autor věnuje základním topologiím DC/DC měničů a jejich klíčovým parametrům. Charakterizace platformy Analog Discovery 3 je provedena dostatečně.

Kapitola věnovaná návrhu automatizovaného měřicího systému je nejslabší částí práce. Blokové schéma (Obr. 4.1) je zmatené, spoje mezi bloky nedávají jasnou představu o výsledné architektuře.

Fyzický přípravek pro systém byl navržen a vyroben, avšak jeho provedení považuji za nepříliš zdařilé. Schéma zapojení (Obr. 5.1) je značně nepřehledné a bez detailního studia je obtížně srozumitelné. Rozmístění komponent na DPS povětšinou odpovídá logickému uspořádání, ale nezohledňuje příliš uživatelskou přehlednost. Routování silových cest nebylo promyšleno, cesty pro připojení laboratorního zdroje a zátěže mohly být provedeny pomocí rozsáhlejších polygonů pro minimalizaci odporu. Návrh přípravku obsahuje jen naprosté minimum uživatelských popisků v potisku. Text práce sice jednotlivé prvky přípravku obšírně popisuje, očekával bych však i vytvoření stručné uživatelské dokumentace alespoň formou anotovaného obrázku. Za funkční nedostatek realizovaného přípravku považuji, že obsahuje několik manuálních přepínačů, které odporují samotné myšlence automatizovaného systému. Přepínání by bylo možné řešit elektronicky pomocí digitálních výstupů použité platformy Analog Discovery 3.

Softwarová část je opět v textu práce zdlouhavě popsána, ocenil bych však uvedení vývojových diagramů, které jsou zpravidla při dokumentaci softwaru názornější. Samotné softwarové řešení má rovněž řadu nedostatků. Architektura spočívající ve spouštění podskriptů jako samostatných procesů, namísto standardnějších postupů, je zbytečně komplikovaná. Systém nemá žádné grafické rozhraní, pouze jednoduché terminálové rozhraní. Formát uložených dat je vlastní a orientovaný na čitelnost člověkem, což nepovažuji pro danou aplikaci za vhodné řešení vzhledem k tomu, že jsou výstupní data rovněž prezentována formou obrázků s grafy. Surové datové soubory by tedy měly být optimalizovány spíše pro strojové zpracování. Systém rovněž předpokládá měření pouze na několika diskrétních hodnotách vstupního napětí, což nenaplňuje potenciál plnohodnotného automatizovaného systému, který by mohl proměřit charakteristiku krokováním nejen zatěžovacího proudu, ale i vstupního napětí.

Zkušební měření pro ověření vytvořeného systému bylo provedeno a výsledky jsou prezentovány v grafech, ale komentář k výsledkům je velmi stručný a postrádá zhodnocení.

Po formální stránce je práce průměrná. Formátování matematických výrazů je místy nekonzistentní, práce pravděpodobně vychází ze staré verze šablony a křížové odkazy nejsou interaktivní. U dvou grafů zcela chybí legenda a naměřené body jsou v grafech pravděpodobně proloženy polynomickými aproximacemi, které nepovažuji za vhodný způsob proložení naměřených bodů. Jazyková stránka je jinak na dobré úrovni, práce neobsahuje žádné zjevné chyby. Bibliografické odkazy jsou místy nevhodně umístěny na koncích odstavců.

Celkově považuji za nejpřínosnější část práce věnující se analýze platformy Analog Discovery 3. Praktická využitelnost realizovaného měřicího systému je spíše diskutabilní. Nicméně vzhledem k tomu, že základní náplň všech bodů zadání byla splněna a po formální stránce je práce na dostatečné úrovni, doporučuji práci k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. V kapitole 3.2 zmiňujete závislost zvlnění vstupního napětí na zatěžovacím proudu. Jaké další faktory ovlivňují velikost tohoto zvlnění?
  2. Jak by byla ovlivněna úroveň přeslechů mezi vstupními kanály Analog Discovery 3 pokud by byly oba vstupy připojeny do měřených obvodů?
Points proposed by reviewer: 62

Grade proposed by reviewer: D

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová