電源轉(zhuǎn)換器中的負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試

電源轉(zhuǎn)換器可能具有苛刻的負(fù)載行為。在整個(gè)規(guī)格范圍內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行穩(wěn)定性測(cè)試是任何轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)不可或缺的一部分。本文重點(diǎn)介紹在羅德與施瓦茨R&S®MXO 5 示波器上進(jìn)行的轉(zhuǎn)換器負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)量。

負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試

開環(huán)頻域測(cè)試是檢查轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性的一種方法?？梢栽诓ㄌ貓D中繪制跨頻率的增益和相位裕度，并確定交叉頻率等重要指標(biāo)。這通常需要專門的設(shè)備。一種更簡單的選擇是通過將大信號(hào)階躍負(fù)載施加到轉(zhuǎn)換器并觀察輸出電壓來對(duì)閉環(huán)進(jìn)行時(shí)域研究。深入分析還涉及測(cè)量其他關(guān)鍵轉(zhuǎn)換器響應(yīng)，例如此瞬態(tài)期間和之后的 PWM 占空比響應(yīng)。此測(cè)試可以突出顯示轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面，例如：

· 環(huán)路穩(wěn)定性：例如，通過在負(fù)載上施加快速瞬變，任何過度振鈴都可能指示較差的相位裕度并給出帶寬的估計(jì)。

· 輸入電源穩(wěn)定性：負(fù)載瞬變會(huì)在輸入軌上產(chǎn)生振鈴。

· 電路板布局：當(dāng)負(fù)載與轉(zhuǎn)換器有一定距離時(shí)，寄生阻抗會(huì)產(chǎn)生振鈴和電壓降。

· 斜率補(bǔ)償：在高占空比應(yīng)用中，斜率補(bǔ)償可用于避免次諧波振蕩。不正確的電感值會(huì)在負(fù)載瞬變期間產(chǎn)生次諧波開關(guān)，這可檢測(cè)為不規(guī)則的轉(zhuǎn)換器占空比。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器測(cè)試示例

測(cè)量 PWM 占空比以及在高采樣率和長記錄周期下跟蹤變化的能力是突出上述一些問題的基本要求。足夠的帶寬、大內(nèi)存和高采樣率是一些關(guān)鍵要求。R&S®MXO 5 示波器滿足這些測(cè)試需求。其一些主要功能包括：

· 4 通道系統(tǒng)的帶寬為 350 MHz – 2 GHz，8 通道版本的帶寬為 100 MHz – 2 GHz。

· 更新率> 450萬波形/秒。

· 標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)深度5億點(diǎn)/通道

· 高達(dá) 5 Gsamples/s 的采樣率，配備通道專用的 12 位 ADC，以及高清模式，可將垂直分辨率增強(qiáng)至 18 位。

· 先進(jìn)的數(shù)字觸發(fā)器，靈敏度可調(diào)至 0.0001 div，觸發(fā)抖動(dòng) < 1ps。

· 連續(xù)采集之間的盲區(qū)時(shí)間小于 21 納秒，示波器可以保持采集速率，最多可激活 4 個(gè)通道，不會(huì)因可視化而中斷?；緶y(cè)量和數(shù)學(xué)函數(shù)均采用硬件加速。

一個(gè)在負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試中使用的例子是在 48/12 V DC-DC 全橋降壓轉(zhuǎn)換器上演示的，該轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為 100 kHz，最大負(fù)載電流為 8 A。電子負(fù)載配置為施加最大負(fù)載電流的 20% 至 80% 的負(fù)載階躍。電子負(fù)載階躍發(fā)生器的一個(gè)示例是 MOSFET，由脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)，該脈沖發(fā)生器在其輸出端打開和關(guān)閉負(fù)載電阻。正占空比測(cè)量被激活，記錄長度足以捕捉低-高以及高-低階躍序列。此測(cè)試捕獲的波形如圖 1 所示。

圖 1：負(fù)載瞬態(tài)階躍的示波器波形(來源：Rohde & Schwarz)截圖

在此捕獲中，通道 1 描繪輸出電壓，通道 2 描繪輸出電流，通道 3 描繪 PWM 控制器開關(guān)波形。跟蹤的 PWM 正占空比也以粉色顯示。頂部波形顯示整個(gè)步進(jìn)序列，而底部的縮放窗口更詳細(xì)地顯示了低高步進(jìn)負(fù)載瞬變?？s放窗口顯示輸出電壓下降約 300 μs，然后恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

20% 和 80% 負(fù)載之間的穩(wěn)態(tài)偏差僅為 2.4 mV。電壓降是輸出電容器放電的典型特征。較高的輸出電流會(huì)導(dǎo)致輸出變壓器和整流器的損耗更高。跟蹤波形顯示，負(fù)載瞬變后占空比從 24% 變?yōu)?26%。較高電流下的額外損耗由這一變化補(bǔ)償。設(shè)計(jì)人員可以使用此信息來優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確保轉(zhuǎn)換器在整個(gè)負(fù)載瞬變斜率和水平范圍內(nèi)都具有穩(wěn)定性。