Misure di risposta dell'anello di regolazione dell’alimentazione elettrica (diagramma di Bode)

Con un oscilloscopio Rohde & Schwarz

RTM3004

Attività da eseguire

Per assicurare la stabilità dei regolatori di tensione e degli alimentatori a commutazione, il comportamento dell'anello di controllo deve essere misurato e caratterizzato. Un regolatore di tensione con una buona compensazione consente di ottenere tensioni di uscita stabili e riduce l’influenza delle variazioni di carico e della tensione di alimentazione di ingresso. La qualità di questo circuito di controllo determina la stabilità e la risposta dinamica dell’intero convertitore CC/CC.

Soluzione Rohde & Schwarz

Analizzare in modo semplice e rapido la risposta in bassa frequenza del circuito di regolazione mediante l'oscilloscopio con l’opzione di analisi della risposta in frequenza R&S®RTx-K36 (diagramma di Bode). Caratterizzare la risposta in frequenza di varie apparecchiature elettroniche, tra cui i filtri passivi e i circuiti degli amplificatori. Misurare la risposta dell'anello di controllo e il rapporto di reiezione dell’alimentazione negli alimentatori a commutazione (switching). L’opzione di analisi della risposta in frequenza del R&S®RTx-K36 (diagramma di Bode) utilizza il generatore di forme d’onda incorporato dell’oscilloscopio per creare segnali di stimolo di frequenza compresa fra 10 Hz e 25 MHz. Misurando il rapporto tra il segnale di ingresso e il segnale d’uscita del dispositivo in prova (DUT) a ciascuna frequenza di test, l’oscilloscopio traccia un diagramma del guadagno in scala logaritmica e della fase in scala lineare.

L’opzione di analisi della risposta in frequenza del R&S®RTx-K36 (diagramma di Bode) consente di determinare rapidamente il guadagno e il margine di fase dei regolatori lineari o degli alimentatori a commutazione (switching). Queste misure contribuiscono a determinare la stabilità dell'anello di controllo.

L’opzione di analisi della risposta in frequenza del R&S®RTx-K36 (diagramma di Bode) visualizza la risposta del sistema ai cambiamenti nelle condizioni operative, come la variazioni nella tensione di alimentazione o nella corrente di carico.

Scelta del punto di iniezione corretto
Scelta del punto di iniezione corretto

Configurazione di misura

L'anello di controllo dell’alimentazione elettrica confronta la tensione di riferimento (Vrif) con la tensione di retroazione (Vfeedback) creando un circuito a retroazione negativa che garantisce una tensione di uscita stabile.

I test di risposta sull'anello di controllo richiedono l’iniezione di un segnale di errore su un'ampia banda di frequenze nel percorso di retroazione dell'anello di controllo. Per iniettare un segnale di errore, bisogna inserire una piccola resistenza nell'anello di controllo retroazionato. La resistenza di iniezione di 5 Ω mostrata nella figura alla pagina successiva è insignificante rispetto all’impedenza in serie di R1 e R2. Alcuni progettisti scelgono di inserire permanentemente questa resistenza di iniezione di piccolo valore (Riniezione) utilizzabile a fini di test. Un trasformatore di iniezione, come ad esempio il modello J2100A di Picotest, isola il segnale di distorsione in alternata eliminando qualsiasi componente di polarizzazione in continua.

Punto di iniezione e utilizzo di sonde

Per misurare il guadagno di un anello di controllo reazionato della tensione, l'anello stesso deve essere interrotto in un punto idoneo. In tale punto viene iniettato un segnale di distorsione. Il segnale di distorsione sarà distribuito nel percorso dell'anello. A seconda del guadagno dell'anello, il segnale di distorsione iniettato sarà amplificato o attenuato e subirà uno sfasamento. Utilizzando l’opzione R&S®RTx-K36, il generatore dell’oscilloscopio permette di creare il segnale di distorsione. L’oscilloscopio misura la funzione di trasferimento dell'anello di controllo.

Per assicurare che il guadagno misurato dell'anello sia uguale al guadagno reale dell'anello stesso, va scelto un punto idoneo per l'iniezione del segnale:

  • Bisogna trovare un punto in cui l'anello è confinato in un singolo percorso per accertarsi che non vi sia alcun flusso di segnale parallelo.
  • Va controllato che l’impedenza nella direzione dell'anello di reazione sia molto maggiore dell’impedenza di ritorno verso tale punto. L’impedenza di ritorno è uguale all’impedenza di uscita del convertitore, un valore molto basso nell’intervallo di diversi mΩ. L’impedenza nella direzione dell'anello è formata dal compensatore e dal partitore di tensione ed è nell’intervallo di diversi kΩ.
Diagramma di Bode
L’utilizzo di una molla di massa permette di ottenere il migliore rapporto segnale/rumore durante la misura del rapporto di reiezione dell’alimentazione

La caratterizzazione accurata della risposta dell'anello di regolazione dipende da un buon utilizzo delle sonde. L'ampiezza picco-picco del segnale Vin e Vout può essere molto bassa ad alcune frequenze di test. Questi valori misurati sarebbero nascosti nel fondo del rumore dell’oscilloscopio e/o nel rumore di commutazione dello stesso dispositivo in esame. Questo è il motivo per cui l’aumento del valore del rapporto segnale/rumore (SNR) delle misure migliorerà significativamente l’intervallo dinamico delle misure di risposta in frequenza. La maggior parte degli oscilloscopi di solito è dotata di sonde passive 10:1 che introducono più rumore. L’utilizzo di sonde passive 1:1 a basso rumore riduce il rumore delle misure e migliora il valore del rapporto segnale/rumore. Rohde & Schwarz consiglia le sonde passive R&S®RT-ZP1X 1:1 con larghezza di banda di 38 MHz per questa applicazione.

La riduzione della lunghezza della connessione di massa della sonda riduce al minimo gli anelli di massa induttivi indesiderati. Il cavo di massa standard della sonda può talvolta fungere da antenna e amplificare il rumore di commutazione indesiderato. Bisogna trovare un punto di massa in prossimità dei punti di test Vin e Vout. E utilizzare la molla di massa presente nella sonda R&S®RT-ZP1X per accorciare la connessione di massa. Ciò permette di ottenere una buona massa e un basso rumore durante la misura.

diagramma di Bode
Misura della stabilità di un convertitore CC/CC (traccia blu: guadagno; traccia arancione: fase; traccia verde: profilazione dell’ampiezza del segnale di stimolo).

Impostazione del dispositivo

Dopo aver connesso l’oscilloscopio al circuito sottoposto a test, avviare l’applicazione:

  • Impostare la frequenza di avvio e arresto tra 10 Hz e 25 MHz e determinare il livello di uscita del generatore.
  • Impostare i punti per decade per migliorare e modificare la risoluzione dell’acquisizione. L’oscilloscopio supporta fino a 500 punti per decade.
  • Profilare l’ampiezza dell’uscita del generatore (fino a 16 passaggi) per sopprimere il rumore del circuito sottoposto a test.
  • Premere il pulsante di avvio per avviare la misurazione. I risultati di misura vengono rappresentati come andamento del guadagno/fase in funzione della frequenza. Impostare i marker in base al punto di interesse.
Tabella delle misure
Tabella delle misure

Risultati di misura

Le curve visualizzate nei diagrammi di Bode rappresentano la funzione di trasmissione del circuito e contribuiscono a verificare la stabilità del sistema. Un grafico visualizza il comportamento dell’ampiezza sull’intervallo di frequenze in dB, mentre il secondo tracciato diagramma visualizza le caratteristiche di fase rispetto alla frequenza (misurate in gradi). Trascinare i marker alle posizioni desiderate direttamente sulla traccia rappresentata. Una legenda visualizza le coordinate dei marker. Per determinare la frequenza di crossover, impostare un marker a 0 dB e il secondo a uno spostamento di fase di –180°. Ora è facile determinare la fase e il margine di guadagno.

Visualizzare i risultati in una tabella. La tabella dei risultati della misura fornisce informazioni dettagliate su ciascun punto misurato (frequenza, guadagno e sfasamento). Quando si utilizzano i marker viene evidenziata la corrispondente riga nella tabella dei risultati. Per generare rapporti di misura, è possibile salvare rapidamente le schermate, i risultati delle tabelle o entrambi su una chiavetta USB.

Riassunto

Gli oscilloscopi sono gli strumenti di misura principali attualmente utilizzati dai progettisti per collaudare e caratterizzare i loro progetti di alimentatori. L’opzione di analisi della risposta in frequenza del R&S®RTx-K36 (diagramma di Bode) offre un’alternativa a basso costo agli analizzatori di reti a bassa frequenza o agli analizzatori di frequenza autonomi dedicati.

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