Aufspüren unregelmäßiger Effekte in Regelschleifen-Designs – ohne Kompromisse

Ihre Anforderung

Das Design und die Stabilität von Leistungswandlern müssen in allen Betriebsarten validiert werden. Im Allgemeinen bieten PWM-Regler mehrere Funktionen. Dadurch erhöht sich die Komplexität, und ein intelligenter Validierungsprozess ist geboten. Beispiele hierfür sind die Line-Feed-Forward-Regelung und die Softstart-Regelung.

Die Softstart-Regelung, ein spezieller Betriebsmodus, gewährleistet einen graduellen Anstieg des positiven Tastgrads beim Hochfahren des Wandlers, um einen sanften Spannungsanstieg am Ausgang zu erzielen.

Während dieses Zeitraums steigt der Tastgrad von sehr niedrigen zu höheren Werten an, bis die Ausgangsspannung einen stabilen Zustand erreicht hat. Wenn diese Sequenz abgeschlossen ist, regelt die Standardregelschleife die Ausgangsspannung auf den Zielwert ein. Darüber hinaus kann eine Line-Feed-Forward-Schleife die Ausgangsspannungsregelung optimieren, wenn sich die Eingangsspannung schnell ändert. Beide Regelungsmechanismen koexistieren – das macht es schwierig, unerwartete Vorgänge oder einen instabilen Betrieb zu erkennen und zu lokalisieren. Rauschen ist in Schaltwandler-Designs unvermeidlich und kann zu einer mangelhaften Regelung der Schleife führen. Plötzlich auftretende Instabilitäten in Regelschleifen lassen sich durch Triggern auf Spannungsschwankungen oder effektiver durch das Überwachen der Veränderungen des positiven Tastgrads identifizieren, da dieser zur Regulierung des Leistungssystems und zur Stabilisierung der Ausgangsspannung verwendet wird. Für die Erkennung unregelmäßiger Ereignisse in solch einem komplexen Regelsystem ist der Einsatz einer ausgefeilten Trigger-Funktion unerlässlich.

Lösung von Rohde & Schwarz

Das R&S®MXO 5 Oszilloskop ist dank seiner Digitaltrigger-Technologie wie geschaffen für diese anspruchsvolle Aufgabe. Der digitale Trigger bietet eine Triggerempfindlichkeit von 0,0001/Div und eine Auflösung von bis zu 18 bit im High-Definition-Modus. Da zwei Trigger-Bedingungen notwendig sind, um Schwankungen des positiven Tastgrads nach dem Ende der Softstart-Phase festzustellen, können auch komplexe Trigger-Bedingungen definiert werden. Bild 1 zeigt die Trigger-Bedingungen beim Anlauf des Wandlers.

Die Trigger-Bedingung A dient zur Detektion des Endes der Softstart-Rampe und ist als Fenstertrigger konfiguriert. Die Ausgangsspannung muss hierbei in einen festgelegten Bereich fallen. Der Typ des Triggers für Bedingung B muss auf Breite eingestellt werden.

Der Breitentrigger erkennt alle Werte außerhalb eines festgelegten Bereichs des positiven Tastgrads. Solche Werte können leicht aufgrund eines unsachgemäßen Designs des Line-Feed-Forward-Regelfilters auftreten. Wenn sich der Wandler jedoch im stationären Zustand befindet, kommt es zu keinen wesentlichen Schwankungen des Tastgrads. Weicht der positive Tastgrad aufgrund eines unerwarteten Ereignisses vom Sollbereich ab, wird die Bedingung B getriggert und die Erfassung gestoppt. Dies hilft bei der Eingrenzung dieses spezifischen Ereignisses, und der Benutzer kann die Ursache des unregelmäßigen Regelereignisses ermitteln.

Anwendung

Ein DC/DC-Schaltwandler in Vollbrückentopologie mit synchroner Gleichrichtung wird verwendet, um die komplexe Trigger-Funktionalität zu veranschaulichen. Der isolierte Wandler arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz und wandelt die Eingangsspannung von 48 V in eine Ausgangsspannung von 12 V um. Der Ausgangsstrom ist auf maximal 8 A festgelegt. Der in dieser Anwendung verwendete digitale Regler ermöglicht dem Benutzer die Aktivierung, Deaktivierung und Anpassung der Line-Feed-Forward-Regelung.

Gerätekonfiguration

• So konfigurieren Sie einen komplexen Trigger:
• Richten Sie einen geeigneten Kanal ein, einschließlich der richtigen Sondenauswahl
• Aktivieren Sie eine Triggersequenz und legen Sie eine entsprechende Rücksetzzeit fest (siehe Bild 2)
• Konfigurieren Sie Trigger A als Fenstertrigger mit oberem und unterem Pegel, um das Ende des Softstarts während der Startsequenz zu erfassen (siehe Bild 3)
• Aktivieren Sie die Messfunktion für den positiven Tastgrad und legen Sie die Referenzpegel fest, z. B. 20/50/80 % der Spannung
• Konfigurieren Sie Trigger B als Breitentrigger und stellen Sie die Breite und die Deltazeit ein (siehe Bild 4)
• Aktivieren Sie die Messfunktion für den Tastgrad mit Tracking-Funktion

Messung der Lasttransienten

Nach dem Einrichten startet der Wandler und das Softstart-Verfahren wird ausgeführt. Nachdem der Trigger einen gültigen Auslöser für Bedingung A erkennt, wartet das Gerät auf eine Veränderung des gemessenen Tastgrads. Unter der Annahme einer konstanten Last nach dem Softstart würde das Gerät bei Bedingung B nicht auslösen, da der Tastgrad konstant bleiben sollte.

Um diese komplexe Triggersequenz zu veranschaulichen, wurde die Line-Feed-Forward-Funktion im Regler des Wandlers mit einem ungeeigneten Digitalfilter-Design aktiviert. Infolgedessen löste das Gerät auch bei Bedingung B aus. Die aufgezeichnete Messung ist in Bild 5 dargestellt. Die Ausgangsspannung wurde auf Kanal 1 und die Eingangsspannung auf Kanal 3 gemessen. Kanal 2 zeigt ein internes Signal des Reglers, das die Eingangsspannung auf der Sekundärseite wiedergibt. Kanal M2 zeigt den durch einen Tiefpassfilter gefilterten Kanal 2. Weiterhin werden im unteren Fenster das PWM-Steuersignal (Kanal 4) und die Track Waveform für den positiven Tastgrad angezeigt.

3 ms nach dem Ende der Softstart-Sequenz triggert das Gerät auf Bedingung B, da der Tastgrad einen positiven Schritt gefolgt von einem negativen Abfall zeigt. Diese Tastgradschwankung tritt nur auf, wenn die Line-Feed-Forward-Regelung aktiviert ist. Der nächste Schritt wäre die Optimierung der Erfassungslänge, was nun aufgrund der komplexen Trigger-Sequenz möglich ist. Bild 6 zeigt das Ergebnis.

Mehr Details und eine höhere Genauigkeit ermöglichen dem Benutzer ein besseres Verständnis des Systems. Der Benutzer kann nun den Prozess starten und die Ursache effektiv aufspüren.

Zusammenfassung

Das R&S®MXO 5 Oszilloskop eignet sich hervorragend, um unregelmäßige Ereignisse in der Regelschleife von Leistungswandlern aufzuspüren. Die Digitaltrigger-Technologie ermöglicht es dem Benutzer, komplexe Triggerereignisse zu definieren, um die Grundursache effizient zu isolieren. Dank dem großen Speicher kann der Benutzer darüber hinaus zusätzliche Funktionen hinzufügen, beispielsweise Tracking für den Tastgrad, die eine hohe Abtastrate über eine lange Aufzeichnungszeit erfordern. Das Gerät bietet ideale Eigenschaften zur Validierung und Analyse des Betriebs von Leistungswandler-Designs.