Risposta ai transitori del carico - miglioramento del test di stabilità dell'anello di regolazione

Attività da eseguire

I progetti degli alimentatori devono essere validati per la stabilità dell'anello di regolazione al fine di garantire un funzionamento corretto e stabile. Oggi la risposta in frequenza dell'anello di regolazione è la prima scelta per misurare la stabilità dell'anello del convertitore. La risposta in frequenza dell'anello utilizza l'analisi in corrente alternata per piccoli segnale, in cui un piccolo segnale sinusoidale viene iniettato nell'anello per misurare il guadagno e la fase su un'ampia gamma di frequenze in un anello aperto.

I valori misurati del guadagno e della fase sono tracciati in funzione della frequenza in un diagramma di Bode per ottenere direttamente il margine di guadagno, il margine di fase e la frequenza di crossover. Nei test di risposta al gradino di carico viene applicato un ampio gradino di corrente, dopo di che va misurata e analizzata la risposta della tensione.

Le misure di ampi segnali vengono eseguite in un sistema ad anello chiuso, molto diverso dai sistemi ad anello aperto. La tensione di uscita deve essere analizzata nel dominio del tempo al fine di stimare e determinare la stabilità del convertitore. L'esempio della Figura 1 utilizza un convertitore step-down per verificare la risposta ai transitori del carico.

La presenza di un generatore di gradini di carico collegato a un terminale di uscita del convertitore è fondamentale quando si modifica rapidamente la corrente di carico. Poiché i segnali PWM controllano la sezione di potenza negli anelli di controllo, la misura del duty cycle positivo durante la fase di carico può migliorare la risposta ai transitori del carico quando si visualizzano gli effetti sconosciuti.

Questa misura richiede uno strumento che consenta di misurare il duty cycle positivo con elevate frequenze di campionamento per l'intero periodo di registrazione. La misura ciclo per ciclo deve essere visualizzata come forma d'onda nel tempo.

La soluzione Rohde & Schwarz

L'oscilloscopio R&S®MXO 5 è ideale per questo compito impegnativo, perché è in grado di misurare il duty cycle positivo per un lungo periodo di registrazione anche a frequenze di commutazione PWM più elevate. Sono necessari una larghezza di banda sufficiente, un'elevata frequenza di campionamento e una grande quantità di memoria. Tutti i duty cycle positivi di un'acquisizione possono essere utilizzati per visualizzare le variazioni di un'intera acquisizione in una traccia. Le tracce di ciascuna misura in un singolo ciclo possono essere visualizzate nel tempo. La Figura 2 illustra una tipica forma d'onda di un transitorio di carico inclusa nella forma d'onda della traccia.

Nella stessa figura vengono mostrate le forme d'onda standard della tensione e della corrente di uscita per tre fasi di carico consecutive. Vengono visualizzati anche i duty cycle positivi dell'uscita del controllore, che vengono utilizzati per creare una traccia. In teoria, la forma d'onda della traccia rispecchia la forma d'onda della tensione di uscita, in quanto il duty cycle regola la sezione di potenza per mantenere costante la tensione di uscita.

Applicazioni

Un convertitore a commutazione DC/DC con topologia a ponte intero e rettifica sincrona illustra la funzione traccia. Il convertitore isolato funziona con una frequenza di commutazione di 100 kHz e converte la tensione di ingresso di 48 V in una tensione di uscita di 12 V. La corrente di uscita è impostata su un massimo di 8 A e il passo di carico in uscita è generato con un carico elettronico.

Impostazione dello strumento

Prima di applicare le fasi di carico all'uscita del convertitore, è necessario completare diverse operazioni per visualizzare il duty cycle positivo come forma d'onda della traccia:

• Impostazione del canale con selezione della sonda
• Definizione di un trigger per catturare gli eventi load step all'uscita del controllore
• Attivazione della funzione di misura del duty cycle positivo e definizione dei livelli percentuali della tensione di riferimento (ad es. 20%, 50%, 80%)
• Definizione di una frequenza di campionamento sufficiente ≥100 Msample/s per poter misurare accuratamente un segnale PWM con fronti ripidi
• Una lunghezza di registrazione sufficiente a catturare un'intera sequenza (almeno un passaggio di corrente da bassa ad alta e un altro da alta a bassa)
• Attivazione della funzione traccia all'interno del sottomenu di misura e ottimizzazione della scala verticale

Misura del transitorio di carico

Dopo aver completato tale configurazione, configurare il carico elettronico in modo da applicare una fase di carico tra un valore di corrente basso (20% del carico massimo) e un valore di corrente alto (80% del carico massimo). Non appena il trigger rileva una condizione di trigger valida, le forme d'onda appaiono sullo schermo come illustrato nella Figura 3. La finestra superiore mostra l'acquisizione di due passi di carico in entrambe le direzioni. La tensione di uscita è misurata sul canale 1 e la corrente di uscita è misurata sul canale 2. Vengono visualizzati anche il segnale di controllo PWM (canale 3) e la forma d'onda della traccia per il duty cycle positivo.

La finestra di zoom mostra che la tensione di uscita cala solo per 300 μs circa prima di tornare a funzionare in modo stabile. Lo scostamento tra i carichi del 20% e dell'80% in uno stato stazionario è di soli 2,4 mV, misurati dalla funzione cursore. La forma d'onda della traccia mostra un livello diverso (26% invece del 24%) dopo che il convertitore entra in uno stato stazionario. Lo scostamento rivela un effetto che non soddisfa le aspettative descritte nella Figura 2. Secondo la definizione e la teoria, il duty cycle dovrebbe essere indipendente dalla corrente di carico.

Esaminando la teoria del controllo, si evince che lo scostamento del 2% è dovuto alle maggiori perdite di conduzione causate dall'aumento della corrente di uscita. Le perdite maggiori vengono generate principalmente nel trasformatore e nel rettificatore di uscita. Le perdite aggiuntive devono essere equalizzate aumentando il ciclo di lavoro positivo; questo complesso compito di misura viene reso possibile dalla funzione traccia.

Riassunto

L'oscilloscopio R&S®MXO 5 è ideale per verificare i transitori di carico di qualsiasi convertitore di potenza con controllo PWM, dove è necessaria un'analisi più approfondita per rivelare i dettagli del comportamento del sistema. Le sue eccellenti capacità, come l'ampia memoria e le funzioni traccia, aiutano gli utilizzatori a trovare e comprendere i dettagli del funzionamento del convertitore.