羅德與施瓦茨示波器準(zhǔn)確查找控制環(huán)路設(shè)計(jì)中的異常影響

電源轉(zhuǎn)換器在任何情況下都需要穩(wěn)定運(yùn)行。大部分轉(zhuǎn)換器會(huì)在不同條件下工作，例如不同的負(fù)載階躍、啟動(dòng)/關(guān)閉序列和輸入電壓變化。除了標(biāo)準(zhǔn)反饋控制環(huán)路之外，轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 控制器還提供擴(kuò)展功能，包括線路前饋環(huán)路控制和軟啟動(dòng)控制。這些擴(kuò)展控制功能可以在特定條件下更好地調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)換器。這種復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要利用尖端方法，保證轉(zhuǎn)換器在所有模式下都能正常運(yùn)行。這需要運(yùn)用淵博的專業(yè)知識和合適的測量工具來發(fā)現(xiàn)并定位系統(tǒng)中的意外情況。

R&S?MXO 5 系列示波器

您的任務(wù)

電源轉(zhuǎn)換器需要在所有操作模式下驗(yàn)證其設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性。通常情況下，PWM 控制器可以提供多種功能，系統(tǒng)因而變得更加復(fù)雜，需要利用尖端方法驗(yàn)證轉(zhuǎn)換器。這些功能包括線路前饋環(huán)路控制和軟啟動(dòng)控制。

軟啟動(dòng)控制是一種特殊模式：電源轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)后，正占空比會(huì)逐漸增加，輸出電壓平穩(wěn)上升。

在這個(gè)過程中，占空比逐漸變大，直到輸出電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)。啟動(dòng)序列完成后，標(biāo)準(zhǔn)控制反饋環(huán)路會(huì)將輸出電壓調(diào)節(jié)到目標(biāo)值。輸入電壓快速變化時(shí)，線路前饋環(huán)路功能可能啟動(dòng)來優(yōu)化輸出電壓調(diào)節(jié)。這兩種控制機(jī)制可以共存，導(dǎo)致難以檢測并確定意外或不穩(wěn)定的操作情況。開關(guān)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)避免不了噪聲，可能導(dǎo)致環(huán)路調(diào)節(jié)不當(dāng)。觸發(fā)電壓變化可以檢測到突然變得不穩(wěn)定的環(huán)路，另一種更好的方法是監(jiān)測正占空比大小，因?yàn)檎伎毡扔兄谡{(diào)節(jié)電源裝置，保持輸出電壓恒定。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，必須利用復(fù)雜觸發(fā)功能來檢測異常情況。

圖 1：定義復(fù)雜觸發(fā)來檢測異常影響

羅德與施瓦茨解決方案

R&S?MXO 5 示波器采用數(shù)字觸發(fā)技術(shù)，非常適合處理這種難題。數(shù)字觸發(fā)的靈敏度高達(dá) 0.0001/div，高分辨率模式下分辨率可達(dá) 18 位。考慮到需要結(jié)合兩種觸發(fā)條件來檢測軟啟動(dòng)周期結(jié)束后的正占空比變化，因此也可以定義復(fù)雜觸發(fā)條件。圖 1 顯示了轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)的觸發(fā)條件。

觸發(fā)條件 A 用于檢測軟啟動(dòng)階段輸出電壓停止上升的時(shí)刻，可以配置為窗口觸發(fā)，輸出電壓必須位于指定范圍內(nèi)。觸發(fā)條件 B 必須為寬度觸發(fā)。

寬度觸發(fā)可以檢測超出正占空比指定范圍的值。如果線路前饋控制濾波器設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)很容易出現(xiàn)這種情況。但是，如果轉(zhuǎn)換器達(dá)到穩(wěn)態(tài)，占空比不會(huì)變化太大。如果正占空比因意外事件而超出有效范圍，將觸發(fā)條件 B，且采集停止。這有助于隔離該異常控制事件，便于用戶發(fā)現(xiàn)其根本原因。

圖 2：觸發(fā)序列窗口

應(yīng)用

結(jié)合全橋拓?fù)浜屯秸鞯闹绷?直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以演示復(fù)雜觸發(fā)功能。此獨(dú)立轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為 100 kHz，能夠?qū)?48 V 輸入電壓轉(zhuǎn)為 12 V 輸出電壓。最大輸出電流規(guī)定為 8 A。此應(yīng)用中使用的數(shù)字控制器可以啟用、禁用和修改線路前饋控制。

圖 3：觸發(fā)事件 A 窗口

設(shè)備設(shè)置

按以下步驟配置復(fù)雜觸發(fā)：

設(shè)置合適的通道，并選擇正確的探頭

激活觸發(fā)序列，定義合適的重置超時(shí)（見圖 2）

將觸發(fā) A 定義為窗口觸發(fā)（包括定義高電平和低電平），捕獲啟動(dòng)階段軟啟動(dòng)的結(jié)束時(shí)刻（見圖 3）

激活正占空比測量功能，并定義參考電壓（例如定義為電壓的 20/50/80%）

將觸發(fā) B 定義為寬度觸發(fā)，并設(shè)置寬度和 delta 時(shí)間（見圖 4）

激活占空比測量功能和跟蹤功能

圖 4：觸發(fā)事件 B 窗口

圖 5：轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)和異常控制影響

測量負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

設(shè)置完成后，轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)，并運(yùn)行軟啟動(dòng)程序。一旦觸發(fā)檢測到符合條件 A 的有效觸發(fā)，轉(zhuǎn)換器就會(huì)等待占空比測量出現(xiàn)變化。如果軟啟動(dòng)后負(fù)載恒定，由于占空比保持不變，轉(zhuǎn)換器將不會(huì)依據(jù)條件 B 進(jìn)行觸發(fā)。

為了演示這種復(fù)雜觸發(fā)序列，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器中控制器的線路前饋功能，且轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)不當(dāng)。這樣一來，轉(zhuǎn)換器同樣根據(jù)條件 B 進(jìn)行觸發(fā)。測量通道 1 的輸出電壓和通道 3 的輸入電壓，記錄的測量結(jié)果顯示在圖 5 中。通道 2 顯示控制器的內(nèi)部信號，反映次級輸入電壓。M2 通道顯示經(jīng)過低通濾波器濾波的通道 2。PWM 控制信號（通道 4）和正占空比的跟蹤波形顯示在底部窗口中。

圖 6：觸發(fā)條件 B 下的異常控制影響

軟啟動(dòng)序列結(jié)束后 3 ms，轉(zhuǎn)換器在條件 B 下激活觸發(fā)，因?yàn)檎伎毡壬仙ㄕ┖笙陆担ㄘ?fù)）。只有啟動(dòng)線路前饋時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)這種占空比變化。由于采用了復(fù)雜觸發(fā)序列，因此接下來可以優(yōu)化采集長度。結(jié)果顯示在圖 6 中。

在本應(yīng)用中，測量更加準(zhǔn)確，因而提供了更多詳細(xì)信息，有助于用戶更好地了解系統(tǒng)情況。現(xiàn)在，用戶可以啟動(dòng)測量流程，有效查找問題的根本原因。

總結(jié)

R&S?MXO 5 示波器非常適合檢測電源轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路中的異常事件。示波器運(yùn)用數(shù)字觸發(fā)技術(shù)，用戶可以定義復(fù)雜觸發(fā)事件，從而有效發(fā)現(xiàn)問題的根本原因。此外，示波器提供更大的內(nèi)存，便于用戶增加其他功能，例如跟蹤占空比功能，這需要在長采集周期內(nèi)提供高采樣率。示波器功能多樣，適用于驗(yàn)證并了解電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)操作。