Réponse de transitoire de charge – amélioration du test de stabilité de boucle

Votre tâche

Les conceptions d'alimentations doivent être validées pour leur stabilité de boucle afin de garantir un fonctionnement correct et stable. Aujourd'hui, la réponse de la boucle de fréquence est le premier choix pour la mesure de stabilité de la boucle du convertisseur. La réponse de la boucle de fréquence utilise l'analyse de petits signaux AC, où un petit signal sinusoïdal est injecté dans la boucle pour mesurer le gain et la phase sur une large gamme de fréquence au sein d'une boucle ouverte.

Les valeurs de gain et de phase mesurées sont tracées en fonction de la fréquence dans un diagramme de Bode afin d'obtenir directement la marge de gain, la marge de phase et la fréquence de coupure. Dans le test de la réponse de charge, un large courant est appliqué et donc la réponse en tension doit être mesurée et analysée.

Des mesures sur de larges signaux sont effectuées au sein d'une boucle fermée, ces derniers sont très différents des systèmes en boucle ouverte. La tension de sortie doit être analysée dans le domaine temporel afin d'estimer et de déterminer la stabilité du convertisseur. L'exemple de la Figure 1 utilise un convertisseur abaisseur pour tester la réponse transitoire de charge.

Avoir le générateur de charge connecté à une borne de sortie du convertisseur est vital lors du changement rapide du courant de charge. Puisque les signaux PWM contrôlent la puissance dans les boucles de contrôle, la mesure du rapport cyclique positif au cours de la charge peut améliorer la réponse transitoire de charge lors de la visualisation des effets inconnus.

Cette mesure nécessite un instrument où le rapport cyclique positif peut être mesuré avec des taux d'échantillonnage élevés sur la période complète d'enregistrement. La mesure cycle / bi-cycle doit être affichée comme une forme d'onde en fonction du temps.

La solution Rohde & Schwarz

L'oscilloscope R&S®MXO 5 est idéal pour cette tâche compliquée, car il peut mesurer le rapport cyclique positif sur de longues périodes d'enregistrement même à des fréquences de commutation PWM plus élevées. Une bande passante suffisante, un taux d'échantillonnage élevé et une large mémoire sont tous nécessaires. Tous les rapports cycliques positifs dans une acquisition peuvent être utilisés pour visualiser les variations le long d'une acquisition complète dans un suivi. Les suivis pour chaque mesure dans un cycle simple peuvent être affichées en fonction du temps. Une forme d'onde de transitoire de charge typique incluse dans la forme d'onde de la piste est illustrée en Figure 2.

La Figure 2 montre la tension de sortie standard et les formes d'ondes de courant pour trois étapes de charge consécutives. Les rapports cycliques positifs pour la sortie du contrôleur sont également affichées et utilisées pour créer un suivi. En théorie, la forme d'onde du suivi reflète la forme d'onde de la tension de sortie, car le rapport cyclique régule la puissance afin de maintenir la tension de sortie constante.

Application

Un convertisseur de commutation DC / DC dans une topologie de pont complet avec rectification synchrone présente une fonction du suivi. Le convertisseur isolé fonctionne à une fréquence de commutation de 100 kHz et convertit la tension d'entrée 48 V en tension de sortie 12 V. Le courant de sortie est réglé à 8 A maximum et la charge de sortie est générée avec une charge électronique.

Configuration du dispositif

Avant l'application des étapes de charge sur la sortie du convertisseur, plusieurs tâches doivent être effectuées avant de visualiser le rapport cyclique positif comme forme d'onde du suivi :

• Configuration du suivi avec une sélection de sondes
• Définition d'un déclenchement pour capturer les événements d'étape de charge sur la sortie du contrôleur
• Activation de la fonction de mesure du rapport cyclique positif et définition des niveaux de pourcentage de tension de référence (par exemple 20 %, 50 %, 80 %)
• Un taux d'échantillonnage suffisant ≥100 Méchantillons/s doit être défini pour mesurer précisément un signal PWM avec des fronts formés
• Une longueur d'enregistrement suffisante pour capturer une séquence entière (au moins une étape de courant de l’état bas à haut et un autre de l'état haut à bas)
• Activation de la fonction de suivi dans le sous menu de mesure et optimisation de l'échelle verticale

Mesure de la transitoire de charge

Après la configuration, configurez la charge électronique pour appliquer une étape de charge entre une faible valeur de courant (20 % de la charge maximum) et une valeur élevée de courant (80 % de la charge maximum). Dès que le déclenchement détecter une condition valide, les formes d'ondes apparaîtront sur l'écran comme illustré en Figure 3. La fenêtre du haut montre l'acquisition de deux étapes de charge dans les deux directions. La tension de sortie est mesurée sur la voie 1 et le courant de sortie est mesuré sur la voie 2. Le signal de contrôle PWM (voie 3) et la forme d'onde du suivi pour le rapport cyclique positif sont également affichés.

La fenêtre zoom montre que la tension de sortie chutes d'approximativement 300 μs avant de repasser à un état stable. La déviation entre les charges 20 % et 80 % dans un état stable est uniquement 2,4 mV comme mesuré par la fonction curseur. La forme d'onde du suivi montre un niveau différent (26 % au lieu de 24 %) après que le convertisseur passe en état stable. La déviation révèle un effet, qui ne répond pas aux attentes décrites dans la Figure 2. Selon la définition et la théorie, le rapport cyclique devra être indépendant du courant de charge.

La revisualisation de la théorie de contrôle montre que la déviation de 2 % provient des pertes de conduction plus élevées causées par un courant de sortie plus élevé. Les pertes plus élevées sont principalement générées dans le transformateur et le rectificateur de sortie. Les pertes additionnelles doivent être égalisées en augmentant le rapport cyclique positif et la fonction de suivi permet d'effectuer cette mesure complexe.

Conclusion

L'oscilloscope R&S®MXO 5 est idéal pour la vérification des transitoires de charge pour n'importe quels convertisseurs de puissance avec un contrôle PWM, où l'analyse approfondie est nécessaire pour révéler les détails de comportement du système. Des capacités exceptionnelles telles qu'une large mémoire de stockage et des fonctions de suivi permettent aux utilisateurs de trouver et de comprendre des détails de fonctionnement du convertisseur.