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| 如何使用示波器和AFG測試電源的負載瞬態(tài)響應？ |
| 作者：admin 來(lái)源：原創(chuàng ) 發(fā)布日期：2023-8-29 10:37:02 點(diǎn)擊次數:235 |
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實(shí)測干貨分享|如何使用示波器和AFG測試電源的負載瞬態(tài)響應？
濟南慧通達電子 泰克山東代理濟南慧通達 2022-02-25 16:25 文章摘要 負載瞬變測試是檢查功率轉換器表現的一種快速方法，它可以反映出轉換器的調整速度，能將轉換器的穩定性問(wèn)題凸顯出來(lái)。轉換器的負載調整特性、占空比極限、PCB布局問(wèn)題和輸入電壓的穩定性也可經(jīng)此測試快速顯現出來(lái)。 許多現今的電子設備都包含了計算和無(wú)線(xiàn)連接功能，這些功能電路常常表現出很重的脈沖負載特性。面對這種快速變化的脈沖負載，全新的DC/DC轉換器需要具有快速的環(huán)路響應特性來(lái)維持輸出電壓的穩定。為了測試這種類(lèi)型的轉換器，擁有能夠生成與最終應用類(lèi)似的快速變化的負載的工具是很重要的。 應用背景 對于具有比較穩定的負載的通用型DC/DC轉換器來(lái)說(shuō)，快速的回路響應特性是不需要的，因而也不必進(jìn)行負載瞬態(tài)響應特性的測試。但在把快速階躍變化的負載施加到一個(gè)穩壓器上時(shí)，必然在很寬的頻帶內對調節回路造成沖擊，在某些情況下甚至可能逼迫它們運行在控制回路的極限之下。 通過(guò)將一個(gè)快速變化的階躍負載施加到一個(gè)轉換器的輸出端，再對其輸出電壓的響應過(guò)程進(jìn)行分析，可讓我們快速而且容易地知道這個(gè)轉換器在面臨這樣的狀況時(shí)能否維持其輸出電壓的穩定，同時(shí)也能凸顯出可能存在的環(huán)路穩定性問(wèn)題、電源供應的穩定性問(wèn)題、斜坡補償問(wèn)題、負載調節性能和PCB布局問(wèn)題。 電流模式轉換器對負載的階躍變化不能做出即時(shí)響應，所以，當負載發(fā)生階躍變化的時(shí)候，供給負載的電流最初是來(lái)源于輸出電容里的儲能。面對負載的快速跳變，輸出電容的ESR和ESL首先起作用，在輸出電壓上表現為一個(gè)不大的跳變和尖峰，然后才是輸出電容放電的開(kāi)始，這將造成輸出電壓的下沉。 輸出電壓的下降將被誤差放大器感知到，相應地，這將導致VCOMP的上升，這又會(huì )增加開(kāi)關(guān)Q1導通的占空比，電感電流因此增大以滿(mǎn)足負載增大了的需要。在此過(guò)程中，電壓下沉的幅度和恢復的時(shí)間將取決于多種因素：輸出電容的大小，負載電流跳變的幅度和它變化的速度dI/dt，誤差放大器的補償水平和整個(gè)控制回路的帶寬。 拋開(kāi)由ESR和ESL造成的尖峰來(lái)看，轉換器的階躍響應過(guò)程在這個(gè)案例中看起來(lái)是非常平滑的，這表明此轉換器的表現是穩健的。響應過(guò)程中的電壓下沉幅度為75mV，相當于輸出電壓的2.2%，這對大部分3.3V的電源供應來(lái)說(shuō)是可以接受的。需要注意的是，如果我們使用的輸出電容是低ESR的MLCC，由ESR所造成的跳變通常就看不出來(lái)。 可能影響轉換器面對負載階躍的響應過(guò)程的情形大概有這些： 1. 不穩定的控制回路：當控制回路調整得不好時(shí)，轉換器的控制作用可能過(guò)頭，快速負載階躍可能導致輸出電壓的顛簸或是存在振鈴現象，某些情況下甚至可能進(jìn)入振蕩狀態(tài)。 2. 不穩定的電源供應：轉換器輸出端的負載跳變會(huì )導致轉換器輸入端的電源供應器的負載跳變。假如電源供應器的穩定性不好，或者是與轉換器匹配得不好，則電源供應器自身就可能振蕩起來(lái)，這必然會(huì )傳遞到轉換器的輸出端，看起來(lái)就像轉換器的控制回路不穩定一樣。 3. 斜坡補償問(wèn)題：電流模式轉換器采用斜坡補償方法避免高占空比應用中可能出現的次諧波振蕩。為了讓斜坡補償工作正常，適當程度的電感電流紋波是必須的。電感選擇不當會(huì )導致不當的電流紋波，并在遇到階躍負載時(shí)出現不穩定的次諧波。 4. 在占空比極限下工作：當轉換器在靠近最小/最大占空比的狀態(tài)下運行時(shí)，負載的快速階躍變化將使轉換器觸及占空比的極限，這將導致輸出電壓下沉或上沖過(guò)度，某些時(shí)候甚至會(huì )造成轉換器運作在保護模式下。 5. PCB布局問(wèn)題：假如由于PCB布局而造成的阻抗出現在轉換器的小信號環(huán)節和功率環(huán)節上，電壓的耗損和噪聲的耦合就會(huì )發(fā)生，這將劣化轉換器對階躍負載的響應特性。假如負載處在遠離轉換器的地方，多出來(lái)的路徑阻抗會(huì )在負載增加時(shí)導致電壓的下沉，劣化轉換器的負載調整性能。此外，當負載發(fā)生跳變時(shí)，路徑電感也能導致振鈴信號的出現。 測試的實(shí)施（以客戶(hù)實(shí)測場(chǎng)景為例） 客戶(hù)這邊之前的產(chǎn)品沒(méi)有測試過(guò)這個(gè)參數，批量生產(chǎn)后發(fā)現后端MCU在現場(chǎng)大量過(guò)壓損壞。后更換DCDC芯片，廠(chǎng)商說(shuō)絕對不會(huì )有類(lèi)似問(wèn)題。但是客戶(hù)還是不放心，希望我們可以協(xié)助測量一下。 我們采用了如下的測試方案 一個(gè)受脈沖發(fā)生器控制其通/斷的MOSFET開(kāi)關(guān)。MOSFET開(kāi)關(guān)的切換速度可用其柵極的可選的RC網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行調節；MOSFET漏極連接的電阻R2可根據需要的動(dòng)態(tài)負載調節幅度進(jìn)行選擇；電阻R1用于設定負載階躍的靜態(tài)基點(diǎn)。負載電流的階躍變化可通過(guò)示波器的電流探頭進(jìn)行測量，對轉換器輸出電壓的測量則需要在輸出電容或是負載點(diǎn)上進(jìn)行。 使用AFG31252產(chǎn)生一個(gè)快速脈沖，AFG31252可以輕松產(chǎn)生4ns的上升或者下降邊沿。 我們的測試環(huán)境搭建完畢 我們使用了這款DCDC的評估板，這是一款只到52V的耐壓的BUCK的開(kāi)關(guān)穩壓器，評估板很貼心的使用了BNC接口，方便我們對紋波和 Load Transient進(jìn)行測量。 我們看到，這顆芯片肯定做過(guò)非常特殊的處理。當負載發(fā)生大幅度快速階躍時(shí)幾乎完全沒(méi)有電壓過(guò)沖發(fā)生。這一定是對于電壓敏感型負載特殊優(yōu)化過(guò)，這對于一些需要DCDC后面直接帶MCU這種對電壓要求很敏感的需求來(lái)說(shuō)非常重要。 我們打開(kāi)波形，可以看到，得益于A(yíng)FG31000系列的4ns的上升速度和TCP0030A高速電流探頭的120Mhz帶寬，得以觀(guān)測到，這個(gè)電流快沿時(shí)間速度高達1.6A/us ! 這樣就夠了么？可以告訴客戶(hù)，放心用，不會(huì )再燒后端了。并沒(méi)有！ 通過(guò)手冊我們得知，由于這顆芯片支持多模式開(kāi)關(guān)方式切換，為了可以在各種工作電流情況下都得到最優(yōu)的效率。 所以我們還需要繼續測試在各種模式轉換過(guò)程中，是否存在過(guò)壓發(fā)生。 結論 經(jīng)過(guò)對于多種工況的負載條件測試，基本都沒(méi)有發(fā)現嚴重的過(guò)壓情況發(fā)生，客戶(hù)看到后對這套儀器的性能 非常滿(mǎn)意。我們通過(guò)這套組合，讓客戶(hù)一方面了解了這種需求的測試方式，另一方面輔助客戶(hù)更快、更可靠地實(shí)現快速量產(chǎn)。 |
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