Lastsprungverhalten – verbesserte Testmethodik für die Regelkreisstabilität

Ihre Anforderung

In der Praxis müssen Designs von Stromversorgungen hinsichtlich ihrer Regelkreisstabilität validiert werden, um einen fehlerfreien und stabilen Betrieb sicherzustellen. Aktuell ist die Messung des Frequenzgangs des Regelkreises die bevorzugte Methode zur Bestimmung der Regelkreisstabilität von Wandlern. Hierbei wird eine Klein-Signal-Wechselstromanalyse verwendet: Ein kleines sinusförmiges Signal wird in den Regelkreis eingeleitet, um Verstärkung und Phasen über einen weiten Frequenzbereich im offenen Regelkreis zu messen.

Die gemessenen Verstärkungs- und Phasenwerte werden in einem Bode-Diagramm gegen die Frequenz aufgetragen, um direkt die Amplitudenreserve, Phasenreserve und Übergangsfrequenz zu erhalten. Zum Testen der Lastsprungantwort wird ein großer Stromsprung durchgeführt, woraufhin die Spannungsantwort gemessen und analysiert werden muss.

Großsignalmessungen werden in einem geschlossenen Regelkreis durchgeführt, der sich stark von Systemen mit offenem Regelkreis unterscheidet. Die Ausgangsspannung muss im Zeitbereich analysiert werden, um die Stabilität des Wandlers abzuschätzen und zu bestimmen. Im Beispiel in Abbildung 1 wird ein Abwärtswandler verwendet, um das Lastsprungverhalten zu testen.

Für schnelle Änderungen des Laststroms ist es entscheidend, dass der Lastsprunggenerator an eine Ausgangsklemme des Wandlers angeschlossen ist. Da PWM-Signale das Leistungssystem in Regelkreisen steuern, kann die Messung des positiven Tastgrads während des Lastsprungs zur Optimierung der Laständerungsantwort beitragen, wenn unbekannte Effekte visualisiert werden.

Diese Messung erfordert ein Gerät, mit dem der positive Tastgrad mit hohen Abtastdaten über den gesamten Aufzeichnungszeitraum gemessen werden kann. Die zyklische Messung muss als Waveform über die Zeit dargestellt werden.

Die Lösung von Rohde & Schwarz

Das R&S®MXO 5 Oszilloskop ist prädestiniert für diese anspruchsvolle Aufgabe, da es in der Lage ist, den positiven Tastgrad auch über längere Aufzeichnungszeiträume und bei höheren PWM-Schaltfrequenzen zu messen. Hierfür werden ausreichende Bandbreite, eine hohe Abtastrate und ein großer Speicher benötigt. Alle positiven Tastgrade einer Messung können zur Visualisierung von Variationen über die gesamte Messung hinweg in einer Spur dargestellt werden. Die Spuren für jede Messung in einem Zyklus können im Zeitverlauf angezeigt werden. Eine typische Lastsprung-Waveform, die in der Track Waveform enthalten ist, wird in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2 zeigt die Standard-Ausgangsspannungs- und Stromwellenformen für drei aufeinanderfolgende Lastsprünge. Auch die positiven Tastgrade für den Reglerausgang werden angezeigt und zur Erstellung einer Spur genutzt. Theoretisch spiegelt die Track Waveform die Signalform der Ausgangsspannung wider, da der Tastgrad das Leistungssystem reguliert, um eine konstante Ausgangsspannung zu gewährleisten.

Anwendung

Ein DC/DC-Schaltwandler in Vollbrückentopologie mit synchroner Gleichrichtung verdeutlicht das Prinzip der Track-Funktion. Der isolierte Wandler arbeitet mit einer Schaltfrequenz von 100 kHz und wandelt eine Eingangsspannung von 48 V in eine Ausgangsspannung von 12 V um. Der Ausgangsstrom ist auf maximal 8 A eingestellt und der Lastsprung wird mit einer elektronischen Last generiert.

Gerätekonfiguration

Bevor die Lastsprünge am Ausgang des Wandlers durchgeführt werden, müssen mehrere Aufgaben erledigt werden, um den positiven Tastgrad als Track Waveform darstellen zu können:

• Eine Kanalkonfiguration mit einer Tastkopfauswahl
• Definition eines Triggers zum Erfassen von Lastsprungereignissen am Reglerausgang
• Aktivierung der Messfunktion für den positiven Tastgrad und Definition der Referenzspannungs-Prozentwerte (z. B. 20 %, 50 %, 80 %)
• Festlegung einer ausreichenden Abtastrate ≥100 Msample/s zur präzisen Messung eines PWM-Signals mit scharfen Flanken
• Festlegung einer ausreichenden Aufzeichnungslänge zur Erfassung einer kompletten Sequenz (mindestens ein Stromsprung nach oben und ein Stromsprung nach unten)
• Aktivierung der Track-Funktion im Mess-Untermenü und Optimierung der vertikalen Skalierung

Messung der Lastsprungantwort

Nachdem die Einstellungen vorgenommen wurden, konfigurieren Sie die elektronische Last so, dass ein Lastsprung zwischen einem niedrigen Stromwert (20 % der maximalen Last) und einem hohen Stromwert (80 % der maximalen Last) stattfindet. Sobald der Trigger eine gültige Triggerbedingung erkennt, erscheinen die Signalformen auf dem Bildschirm, wie in Abbildung 3 dargestellt. Das obere Fenster zeigt die Erfassung von zwei Lastsprüngen in entgegengesetzter Richtung. Die Ausgangsspannung wird auf Kanal 1 und der Ausgangsstrom auf Kanal 2 gemessen. Das PWM-Steuersignal (Kanal 3) und die Track Waveform für den positiven Tastgrad werden ebenfalls angezeigt.

Das Zoomfenster zeigt, dass die Ausgangsspannung nur etwa 300 μs lang abfällt, bevor sie wieder den statischen Zustand erreicht. Die Abweichung zwischen den Lastzuständen von 20 % und 80 % im stabilen Betrieb beträgt, gemessen mit der Cursor-Funktion, nur 2,4 Millivolt. Die Track Waveform zeigt einen anderen Pegel (26 % statt 24 %), nachdem der Wandler in den stabilen Betrieb übergegangen ist. Die Abweichung zeigt einen Effekt, der nicht den in Abbildung 2 beschriebenen Erwartungen entspricht: Gemäß Definition und Theorie sollte der Tastgrad unabhängig vom Laststrom sein.

Aus der Regelungstheorie ergibt sich jedoch, dass die Abweichung von 2 % auf höhere Leitungsverluste zurückzuführen ist, die durch einen erhöhten Ausgangsstrom verursacht werden. Diese erhöhten Verluste entstehen vornehmlich im Transformator und im Ausgangsgleichrichter. Um diese zusätzlichen Verluste auszugleichen, muss der positive Tastgrad erhöht werden. Hier kommt die Track-Funktion ins Spiel, die die Durchführung dieser komplexen Messaufgabe ermöglicht.

Zusammenfassung

Das R&S®MXO 5 Oszilloskop eignet sich ideal für die Verifizierung des Lastsprungverhaltens von Leistungswandlern mit PWM-Steuerung, wo eine tiefgehende Analyse notwendig ist, um Einzelheiten des Systemverhaltens zu enthüllen. Durch einzigartige Eigenschaften wie einen äußerst großzügig bemessenen Speicher und die Track-Funktionen können Anwender die Details des Wandlerverhaltens erfassen und verstehen.