羅德與施瓦茨示波器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)——增強(qiáng)環(huán)路穩(wěn)定性測(cè)試

驗(yàn)證開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性，對(duì)于電源設(shè)計(jì)非常重要。頻率環(huán)路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)常用于確保開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。雖然頻率環(huán)路響應(yīng)在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中日益重要，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仍是一種常用方法。顯示脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)的正占空比，還可以增強(qiáng)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。現(xiàn)代示波器具備此功能，還有助于識(shí)別未知的轉(zhuǎn)換器影響。

R&S?MXO 5 示波器

您的任務(wù)

電源設(shè)計(jì)必須驗(yàn)證環(huán)路穩(wěn)定性，以保證操作正常且穩(wěn)定。目前，頻率環(huán)路響應(yīng)是測(cè)量轉(zhuǎn)換器環(huán)路穩(wěn)定性的首選方法。頻率環(huán)路響應(yīng)采用小信號(hào)交流分析方法，將小正弦信號(hào)注入環(huán)路，進(jìn)而在開(kāi)環(huán)中測(cè)量寬頻率范圍內(nèi)的增益和相位。

測(cè)量的增益和相位值與頻率繪制成波特圖，便于直接確定增益裕量、相位裕量和交叉頻率。負(fù)載階躍響應(yīng)測(cè)試應(yīng)用大電流階躍，并需要測(cè)量和分析電壓響應(yīng)。

圖 1：降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)設(shè)置

大信號(hào)在不同于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的閉環(huán)中進(jìn)行測(cè)量。輸出電壓需在時(shí)域進(jìn)行分析，以估計(jì)和確定轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性。圖 1 中的示例使用降壓轉(zhuǎn)換器測(cè)試負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

負(fù)載電流快速變化時(shí)，需要將負(fù)載階躍發(fā)生器連接至轉(zhuǎn)換器輸出端。PWM 信號(hào)在控制環(huán)路中控制動(dòng)力裝置，測(cè)量負(fù)載階躍期間的正占空比可以增強(qiáng)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，同時(shí)直觀顯示未知影響。

這種測(cè)量需要使用儀器在整個(gè)記錄期間以高采樣率測(cè)量正占空比。逐周期測(cè)量必須顯示為一段時(shí)間內(nèi)的波形。

圖 2：負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

羅德與施瓦茨解決方案

R&S?MXO 5 示波器非常適合這種挑戰(zhàn)性任務(wù)，即使在較高的 PWM 開(kāi)關(guān)頻率下也能測(cè)量長(zhǎng)記錄期間的正占空比。測(cè)量需要大帶寬、高采樣率和大存儲(chǔ)容量。一次采集中的所有正占空比可用于通過(guò)跟蹤軌跡顯示整個(gè)采集過(guò)程中的變化。可以顯示一段時(shí)間內(nèi)單周期中每次測(cè)量的跟蹤軌跡。圖 2 顯示了跟蹤波形中包含的典型負(fù)載瞬態(tài)波形。

圖 2 顯示了三個(gè)連續(xù)負(fù)載階躍的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓和電流波形。圖中還顯示了控制器輸出的正占空比，并將其用于創(chuàng)建軌跡。理論上而言，占空比會(huì)調(diào)節(jié)動(dòng)力裝置以維持恒定輸出電壓，因此跟蹤波形反映出輸出電壓波形。

應(yīng)用

結(jié)合全橋拓?fù)浜屯秸鞯闹绷?直流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器具有跟蹤功能。此獨(dú)立轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率為 100 kHz，能夠?qū)?48 V 輸入電壓轉(zhuǎn)為 12 V 輸出電壓。最大輸出電流設(shè)為 8 A，并通過(guò)電子負(fù)載生成輸出負(fù)載階躍。

設(shè)備設(shè)置

在轉(zhuǎn)換器輸出端應(yīng)用負(fù)載階躍之前，需要先執(zhí)行其他操作以便將正占空比顯示為跟蹤波形：

設(shè)置通道，并選擇探頭

定義觸發(fā)以捕獲控制器輸出端的負(fù)載階躍事件

激活正占空比測(cè)量功能，并定義參考電壓百分比（例如 20%、50%、80%）

必須定義至少 100 Msample/s 的采樣率，以準(zhǔn)確測(cè)量具有陡峭邊沿的 PWM 信號(hào)

充分設(shè)置記錄長(zhǎng)度以采集整個(gè)序列（至少一個(gè)從低到高的電流階躍和一個(gè)從高到低的電流階躍）

使用測(cè)量子菜單激活跟蹤功能，并優(yōu)化垂直刻度

測(cè)量瞬態(tài)負(fù)載

設(shè)置完成后，配置電子負(fù)載以在低電流（最大負(fù)載的 20%）和高電流（最大負(fù)載的 80%）之間應(yīng)用負(fù)載階躍。如圖 3 所示，一旦觸發(fā)檢測(cè)到有效的觸發(fā)條件，屏幕上將出現(xiàn)波形。頂部窗口顯示采集兩個(gè)不同方向的負(fù)載階躍。測(cè)量通道 1 的輸出電壓和通道 2 的輸出電流。屏幕上還顯示 PWM 控制信號(hào)（通道 3）和正占空比的跟蹤波形。

縮放窗口顯示輸出電壓僅下降約 300 μs，隨即恢復(fù)穩(wěn)態(tài)操作。光標(biāo)功能測(cè)量顯示，穩(wěn)態(tài)下 20% 和 80% 負(fù)載之間的偏差僅為 2.4 mV。轉(zhuǎn)換器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，跟蹤波形顯示不同結(jié)果（26% 而非 24%）。偏差顯示出影響，不符合圖 2 所示的預(yù)期結(jié)果。相關(guān)定義和理論表明，占空比應(yīng)與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。

根據(jù)控制理論，2% 偏差源于高輸出電流引起的高傳導(dǎo)損耗。高損耗主要來(lái)自變壓器和輸出整流器。需要提高正占空比來(lái)均衡附加損耗，跟蹤功能支持這種復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)。

總結(jié)

R&S?MXO 5 示波器非常適合通過(guò) PWM 控制來(lái)驗(yàn)證電源轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)，并詳細(xì)深入地分析系統(tǒng)行為。大存儲(chǔ)容量和跟蹤功能等優(yōu)越特性有助于用戶詳盡探索和了解轉(zhuǎn)換器操作。

圖 3：降壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)設(shè)置