Understanding Bode plots

A margem de fase é medida na frequência em que o ganho equivale a 0 dB. Isso também é chamado de "frequência de crossover". A margem de fase é uma medição da distância entre a fase medida e um deslocamento de fase de -180°. Em outras palavras, em quantos graus a fase tem que ser diminuída para alcançar -180°.

A margem de ganho, por outro lado, é medida na frequência em que o deslocamento de fase equivale a -180°. A margem de ganho indica a distância em dB desde o ganho medido até um ganho de 0 dB. Esses valores, 0 dB e -180°, são importantes pois ocorrem instabilidades no sistema quando esses dois valores se encontram.

Margens de ganho e de fase representam a distância entre os pontos em que a instabilidade pode ocorrer. Quanto maior a distância ou a margem, melhor; pois maiores margens de ganho e fase significam mais estabilidade. Um circuito com uma margem de ganho zero ou ainda menor somente seria estável sob determinadas condições e pode facilmente se tornar instável se o ganho for alterado. Uma meta típica para margem de fase é ter pelo menos 45 graus, e valores ainda mais altos podem ser desejáveis em aplicações decisivas.

Além das considerações de segurança, o desempenho também é afetado por valores que podem ser determinados por diagramas de Bode. Por exemplo, uma frequência de crossover maior do que 0 dB geralmente significa uma resposta mais rápida às alterações de carga. E menores ganhos em frequências mais altas significam melhor imunidade a ruídos e menor ripple na saída.

Diagrama de Bode versus teste de transiente da carga e testes de resposta de etapa

Existem outras formas comumente usadas para quantificar ou medir a estabilidade de fontes de alimentação, tais como transiente de carga ou testes de resposta de etapa. Apesar desse método ser bem compreendido e amplamente utilizado, pode ser difícil construir um circuito para gerar uma etapa de carga rápida, principalmente se houver indutância entre a unidade de fonte de alimentação e o gerador de etapa de carga.

Diagramas de Bode oferecem diversas vantagens importantes não encontradas nesse método:

• A resposta de etapa somente mostra comportamentos em grande escala, enquanto diagramas de Bode também podem mostrar comportamentos em menores escalas.
• Diagramas de Bode também podem facilmente ser feitos em diferentes níveis de carga ou pontos operacionais. Isso é importante, pois a estabilidade do circuito depende do ponto operacional. As fontes de alimentação podem parecer estáveis, mas elas tendem à instabilidade quando submetidas a diferentes condições de carga.

Medição de estabilidade de circuito fechado com diagramas de Bode

Para melhor descrever a aplicação de diagramas de Bode, a estabilidade de circuito fechado de uma fonte de alimentação CC/CC é medida determinando a resposta de circuito fechado. Isso pode ser testado utilizando o método de injeção de tensão. Esse método adiciona um resistor muito pequeno – geralmente na ordem de 10 ohms – dentro circuito de feedback. Deve ser escolhido um ponto em que a impedância no sentido do circuito de feedback seja muito maior do que a impedância no sentido inverso. Um pequeno sinal de interferência deve ser, então, injetado ao longo do resistor. Isso normalmente é feito utilizando um chamado transformador de injeção para evitar influenciar o circuito. A resposta é medida e os diagramas de Bode são gerados.

Instrumentos para medição de resposta de circuito fechado

Duas categorias diferentes de instrumentos podem ser utilizadas ao medir a resposta de circuitos fechados. A primeira categoria de instrumentos são os analisadores de rede vetorial, ou VNA. Um VNA geralmente tem uma faixa dinâmica muito alta, o que permite que eles façam medições de impedância altamente precisas. Uma desvantagem de utilizar um VNA, além do custo e da complexidade, é que os VNA são mais adequados para a caracterização de componentes de 50 ohm. Os osciloscópios, por outro lado, já são comumente utilizados no desenvolvimento de fontes de alimentação e permitem a caracterização direta de ruído e ripple de saída. Osciloscópios agora também podem fazer medições de estabilidade, tais como margem de ganho e fase, índice de rejeição da fonte de alimentação e resposta de etapa.

Configuração de teste: Como medir a resposta de loop de controle com um osciloscópio

Para medir a resposta do loop de controle da fonte de alimentação CC-CC, um sinal de interferência deve ser injetado no circuito. Com isso, deve ser escolhido um ponto em que a impedância no sentido do circuito seja muito maior do que a impedância no sentido inverso. Um pequeno resistor deve ser colocado no ponto de injeção e a tensão perturbadora deve ser aplicada paralelamente ao resistor de injeção utilizando um transformador de injeção de banda larga. O sinal de interferência é criado pelo gerador interno do osciloscópio. Dois canais do osciloscópio são conectados a cada um dos lados do ponto de injeção. Com base nos valores medidos, o osciloscópio gera e exibe os diagramas de Bode.

Ao medir a resposta de circuitos fechados, é importante utilizar as pontas de prova corretas. As amplitudes de pico a pico nos pontos de medição podem ser muito baixas em algumas frequências de teste. Por esse motivo, pontas de prova passivas 1x são recomendadas ao invés das pontas de prova 10x, mais usuais. Se o sinal for aumentado para a taxa de ruído, isso também aprimora a faixa dinâmica das medições de resposta em frequência. Também é importante utilizar uma mola de aterramento ou cabo à terra muito pequeno com o objetivo de reduzir a captação de ruídos de comutação e loops de aterramento indutivos.