Trovare le irregolarità nella progettazione degli anelli di controllo, senza compromessi

Attività da eseguire

Il progetto di un convertitore di potenza e la sua stabilità devono essere validati in tutte le modalità operative. In genere, i controller PWM forniscono funzioni multiple, che possono aumentare la complessità e quindi richiedono un processo di validazione intelligente. Tra gli esempi vi sono il controllo ad anello chiuso feed-forward e il controllo per l'avviamento dolce (soft-start).

Il controllo soft-start è una modalità specifica: all'avvio del convertitore, il duty cycle positivo viene aumentato gradualmente per aumentare la tensione di uscita in modo uniforme.

In questo lasso di tempo, il duty cycle varia da valori molto bassi a valori più alti fino a quando la tensione di uscita raggiunge una condizione stazionaria. Una volta completata la sequenza, il circuito di retroazione di controllo standard ad anello chiuso regola la tensione di uscita al valore obiettivo. Inoltre, potrebbe essere attivo un circuito di controllo ad anello chiuso di feed-forward di linea per ottimizzare la regolazione della tensione di uscita quando la tensione di ingresso varia rapidamente. Entrambi i meccanismi di controllo coesistono, rendendo difficile individuare e localizzare un funzionamento imprevisto o instabile. Il rumore è naturalmente presente nei progetti di convertitori a commutazione e può portare a una regolazione non corretta dell'anello. Gli anelli di controllo che diventano improvvisamente instabili possono essere rilevati impostando il trigger sulla variazione di tensione o, meglio ancora, monitorando l'ampiezza del duty cycle positivo, poiché il duty cycle viene utilizzato per regolare la potenza elettrica al fine di mantenere costante la tensione di uscita. Per rilevare qualsiasi evento irregolare in un sistema di controllo così complesso è necessaria un'altrettanto complessa capacità di triggering.

Soluzione Rohde & Schwarz

L'oscilloscopio R&S®MXO 5 è perfetto per affrontare questo compito impegnativo, perché è basato sulla tecnologia del trigger digitale. Il trigger digitale offre una sensibilità di 0,0001/div e una risoluzione fino a 18 bit in modalità ad alta definizione. Poiché due condizioni di trigger sono essenziali per trovare le variazioni del duty cycle positivo dopo il periodo di soft-start, è possibile definire anche condizioni di trigger complesse. La Fig. 1 mostra le condizioni di trigger all'avvio del convertitore.

La condizione di trigger A viene utilizzata per rilevare la fine della rampa di soft-start ed è configurata come trigger a finestra, in cui la tensione di uscita deve trovarsi in un intervallo definito. Il tipo di trigger per la condizione B deve essere l'ampiezza.

Il trigger di ampiezza rileva qualsiasi valore al di fuori di un intervallo definito del duty cycle positivo. Ciò può facilmente verificarsi a causa di una progettazione non corretta del filtro di controllo feed-forward. Tuttavia, se il convertitore ha uno stato stazionario, non ci saranno variazioni significative del duty cycle. Se il duty cycle positivo si discosta da un intervallo valido a causa di un evento imprevisto, viene eseguito il triggering della condizione B e l'acquisizione viene interrotta. Questo aiuta a isolare l'evento specifico e l'utilizzatore può scoprire la causa principale di questo evento di controllo irregolare.

Applicazione

Un convertitore DC/DC a commutazione con topologia a ponte intero con rettificatore sincrono viene utilizzato per mostrare la complessa funzionalità di trigger. Il convertitore isolato funziona a 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 d'uscita è specificata per un massimo di 8 A. Il controller digitale utilizzato in questa applicazione consente all'utilizzatore di attivare, disattivare e modificare il controllo feed-forward della linea.

Impostazione dello strumento

• Per configurare un trigger complesso:
• Impostare un canale adatto, compresa la corretta selezione della sonda
• Attivare una sequenza di trigger e definire un timeout di ripristino appropriato (vedere la Fig. 2)
• Definire il trigger A come tipo a finestra, compreso il livello superiore e inferiore, per catturare la fine del soft start durante l'avvio (vedere la Fig. 3)
• Attivare la funzione di misurazione del duty cycle positivo e definire i livelli di riferimento, ad esempio 20/50/80% della tensione
• Definire il trigger B come tipo ad ampiezza e impostare l'ampiezza e lo scostamento (delta) di tempo (vedere la Fig. 4)
• Attivare la funzione di misurazione del duty cycle, compresa la funzione di tracciamento

Misura del transitorio di carico

Dopo l'impostazione, il convertitore si avvia e viene eseguita la procedura di soft-start. Non appena il trigger rileva un trigger valido per la condizione A, lo strumento attende qualsiasi variazione nella misura del duty cycle. Ipotizzando un carico costante dopo il soft start, lo strumento non eseguirà il triggering alla condizione B perché il duty cycle deve rimanere costante.

Per mostrare questa complessa sequenza di trigger, la funzione di feed-forward di linea è stata attivata all'interno del controller del convertitore con una progettazione impropria del filtro digitale. Di conseguenza, lo strumento ha eseguito un triggering anche in corrispondenza della condizione B. La misura registrata è mostrata nella Fig. 5, dove la tensione di uscita è misurata sul canale 1 e la tensione di ingresso è misurata sul canale 3. Il canale 2 mostra un segnale interno del controller, che riflette la tensione di ingresso al lato secondario. Il canale M2 mostra il canale 2 filtrato da un filtro passa-basso. Inoltre, nella finestra inferiore vengono visualizzati il segnale di controllo PWM (canale 4) e la forma d'onda della traccia del duty cycle positivo.

3 ms dopo il termine della sequenza di soft-start, lo strumento esegue il triggering nella condizione B, poiché il duty cycle mostra un gradino positivo seguito da una caduta negativa. Questa variazione del duty cycle è presente solo quando è attivato il feed-forward. Il passo successivo sarebbe quello di ottimizzare la durata dell'acquisizione, cosa ora possibile grazie alla complessa sequenza di trigger. Il risultato è illustrato nella fig.6.

In questo caso, più dettagli diventano visibili con maggiore accuratezza, offrendo all'utilizzatore una migliore comprensione del sistema. A questo punto, l'utilizzatore può avviare il processo e trovare la causa principale in modo molto efficiente.

Riassunto

L'oscilloscopio R&S®MXO 5 è la scelta perfetta per identificare eventi irregolari nel loop di controllo dei convertitori di potenza. La sua tecnologia di trigger digitale consente di definire eventi di trigger complessi per isolare in modo efficiente la causa principale del problema. Inoltre, l'ampia memoria consente all'utilizzatore di aggiungere ulteriori funzioni, come la traccia sul duty cycle, quando è richiesta un'elevata frequenza di campionamento per un lungo tempo di acquisizione. Le capacità dello strumento sono ideali per validare e comprendere il funzionamento dei progetti di convertitori di potenza.