Medições de resposta do ciclo de controle da fonte de alimentação (diagrama de Bode)

Com um osciloscópio Rohde & Schwarz

RTM3004

Sua tarefa

Para garantir a estabilidade dos reguladores de tensão e das fontes de alimentação no modo chaveado, o comportamento do ciclo de controle precisa ser medido e caracterizado. Um controlador de tensão com boa compensação possibilita tensões de saída estáveis e reduz a influência das mudanças de carga e das variações da tensão de alimentação. A qualidade deste circuito de controle determina a estabilidade e a resposta dinâmica de todo o conversor CC/CC.

A solução da Rohde & Schwarz

Analise fácil e rapidamente a resposta de baixa frequência no seu osciloscópio com a opção de análise de resposta de frequência (Bode plot) do R&S®RTx-K36. Caracterize a resposta de frequência de uma variedade de produtos eletrônicos, incluindo circuitos de amplificador e filtros passivos. Meça a resposta do ciclo de controle e o índice de rejeição da fonte de alimentação dos fornecimentos de energia de modo comutado. A opção de análise de resposta de frequência R&S®RTx-K36 (diagrama de Bode) utiliza o gerador de formas de onda incorporado do osciloscópio para criar sinais de estímulo com uma frequência que varia de 10 Hz até 25 MHz. Ao medir a proporção de entrada e de saída de sinais do DUT em cada frequência de teste, o osciloscópio faz a representação gráfica do ganho de forma logarítmica e da fase de forma linear.

A opção de análise de resposta de frequência R&S®RTx-K36 (diagrama de Bode) permite determinar rapidamente a margem de ganho e de fase de fontes de alimentação no modo chaveado ou de reguladores lineares. Essas medições ajudam a determinar a estabilidade do ciclo de controle.

A opção de análise de resposta de frequência R&S®RTx-K36 (diagrama de Bode) exibe a resposta do sistema às alterações nas condições de operação, como mudanças na tensão de alimentação ou na corrente da carga.

Como escolher o ponto correto de injeção
Como escolher o ponto correto de injeção
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Configuração de medição

Os ciclos de controle da fonte de alimentação comparam a tensão de referência (Vref) e a tensão de feedback (Vfeedback) e criam um feedback negativo para garantir uma tensão de saída estável.

O teste de resposta do ciclo de controle requer a injeção de um sinal de erro em uma banda de frequências no caminho de feedback do ciclo de controle. Para injetar um sinal de erro, é preciso inserir um pequeno resistor no ciclo de feedback. O resistor de injeção de 5 Ω mostrado na figura da próxima página é insignificante em comparação com a impedância em série de R1 e R2. Alguns usuários optam por projetar permanentemente neste resistor de injeção de valor baixo (Rinjeção) para fins de teste. Um transformador de injeção, como o J2100A da Picotest, isola o sinal de distorção de CA e elimina qualquer polarização de CC.

Ponto de injeção e uso de sondas

Para medir o ganho de um ciclo de feedback de tensão, é preciso interrompê-lo em um ponto adequado. Um sinal de distorção é injetado nesse ponto. O sinal de distorção será distribuído no circuito do ciclo. Dependendo do ganho do ciclo, o sinal de distorção injetado será amplificado ou atenuado e deslocado de fase. No caso da opção R&S®RTx-K36, o gerador do osciloscópio gera o sinal de distorção. O osciloscópio mede a função de transferência do ciclo.

Para garantir que o ganho do ciclo medido corresponda ao ganho real, escolha um ponto adequado:

  • Localize um ponto no qual o ciclo fique restrito a um único caminho para garantir que não haja nenhum fluxo de sinal paralelo.
  • Certifique-se de que a impedância na direção do ciclo seja significativamente maior que a impedância contrária nesse ponto. A impedância contrária é igual à impedância de saída do conversor, que é um valor bastante baixo no intervalo de alguns mΩ. A impedância na direção do ciclo é formada pelo compensador e pelo divisor de tensão e se encontra no intervalo de alguns kΩ.
Diagrama de Bode
A utilização de uma mola de aterramento fornecerá o melhor índice de sinal-ruído para a sua medição de índice de rejeição de fonte de alimentação
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A caracterização precisa da resposta do ciclo de controle depende do uso correto de sondas. As amplitudes de pico a pico tanto de Ventrada quanto de Vsaída podem ser muito baixas em algumas frequências de teste. Esses valores seriam reprimidos no ruído de fundo do osciloscópio e/ou no ruído de comutação do próprio DUT. É por isso que aumentar o SNR das suas medições melhora significativamente o intervalo dinâmico das suas medições de resposta de frequência. A maioria dos osciloscópios costuma vir com sondas passivas 10:1 que geram mais ruído. O uso de sondas passivas 1:1 de baixo ruído reduzirá o ruído de medição e aprimorará o SNR. A Rohde & Schwarz recomenda as sondas passivas R&S®RT-ZP1X 1:1 com largura de banda de 38 MHz para esta aplicação.

A redução do comprimento da conexão de aterramento da sua sonda minimiza os ciclos indutivos de aterramento. O condutor de aterramento padrão da sua sonda pode agir como uma antena de vez em quando e simplificar ruídos de comutação indesejados. Localize um poste de aterramento próximo dos pontos de teste Ventrada e Vsaída. Utilize a mola de aterramento fornecida com a sonda R&S®RT-ZP1X para reduzir a conexão de aterramento. Isso fornecerá um bom aterramento de baixo ruído para a sua medição.

Diagrama de Bode
Medição da estabilidade de um conversor CC/CC (traço azul: ganho; traço laranja: fase; traço verde: definição do perfil de amplitude do sinal de estímulo).
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Configuração do dispositivo

Depois de conectar o osciloscópio ao circuito em teste, inicie a aplicação:

  • Configure a frequência de início e de parada entre 10 Hz e 25 MHz e determine o nível de saída do gerador.
  • Configure os pontos por décadas para melhorar e modificar a resolução da sua aquisição. O osciloscópio oferece suporte a até 500 pontos por década.
  • Defina a amplitude da saída do gerador (até 16 fases) para suprimir a emissão de ruído do circuito em teste.
  • Pressione executar para iniciar sua medição. Os resultados da medição são traçados como ganho/fase na frequência. Configure seus marcadores para seus pontos de interesse.
Tabela de medição
Tabela de medição

Resultados da medição

As curvas exibidas nos diagramas de Bode representam a função de transmissão do seu circuito e ajudam a verificar a estabilidade do seu sistema. O primeiro gráfico mostra o comportamento de amplitude no intervalo de frequências em dB, enquanto o segundo mostra as características da fase na frequência (medida em graus). Arraste os marcadores para as posições desejadas diretamente no traço delineado. Uma legenda exibe as coordenadas dos marcadores. Para determinar a frequência de crossover, defina um marcador em 0 dB e o segundo marcador com um deslocamento de fase de –180°. Agora é fácil determinar a margem de fase e de ganho.

Veja os resultados na tabela. A tabela de resultados da medição fornece informações detalhadas sobre cada ponto medido (deslocamento de fase, frequência e ganho). Ao utilizar marcadores, a linha associada dos resultados na tabela fica destacada. Para relatório, salve rapidamente capturas de tela, resultados da tabela ou ambos em um dispositivo USB.

Resumo

Os osciloscópios são as principais ferramentas de medição utilizadas atualmente pelos engenheiros para testar e caracterizar seus projetos de fonte de alimentação. A opção de análise de frequência de resposta (Bode plot) R&S®RTx-K36 fornece uma alternativa de baixo custo para analisadores de rede de baixa frequência ou analisadores de frequência autônomos exclusivos.