Mediciones de respuesta del bucle de control de la fuente de alimentación (diagrama de Bode)

Con un osciloscopio Rohde & Schwarz

RTM3004

Su misión

Para garantizar la estabilidad de reguladores de voltaje y fuentes de alimentación en modo conmutado es necesario medir y caracterizar el comportamiento del bucle de control. Un controlador de voltaje con una buena compensación permite alcanzar voltajes de salida estables y reduce la influencia de cambios de carga y variaciones en el voltaje de alimentación. La calidad de este circuito de control determina la estabilidad y la respuesta dinámica del convertidor CC/CC completo.

Solución Rohde & Schwarz

Analice de forma rápida y sencilla la respuesta en baja frecuencia en el osciloscopio con la opción de análisis de respuesta en frecuencia R&S®RTx-K36 (diagrama de Bode). Caracterice la respuesta en frecuencia de varios dispositivos electrónicos, incluidos filtros pasivos y circuitos amplificadores. Mida la respuesta del bucle de control y la relación de rechazo a la fuente de alimentación de fuentes de alimentación conmutadas. La opción de análisis de respuesta en frecuencia (diagrama de Bode) R&S®RTx-K36 utiliza el generador de forma de onda integrado en el osciloscopio para generar señales de estímulo en un rango de frecuencias de 10 Hz a 25 MHz. Al medir la relación entre la señal de entrada y de salida del objeto examinado en cada una de las frecuencias de la prueba, el osciloscopio traza la ganancia de forma logarítmica y la fase linealmente.

La opción de análisis de respuesta en frecuencia (diagrama de Bode) R&S®RTx-K36 permite determinar rápidamente la ganancia y el margen de fase en fuentes de alimentación conmutadas o reguladores lineales. Estas mediciones ayudan a determinar la estabilidad del bucle de control.

La opción R&S®RTx-K36 visualiza la respuesta del sistema frente a cambios de las condiciones de operación, p. ej. del voltaje de alimentación o la corriente de carga.

Elección del punto de inserción correcto
Elección del punto de inserción correcto
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Configuración de la medición

Los bucles de control de la fuente de alimentación comparan el voltaje de referencia (Vref) y el voltaje realimentado (Vfeedback). y crean una realimentación negativa para garantizar un voltaje de salida estable.

Para las pruebas de respuesta de bucle de control es necesario insertar una señal de error a través de una banda de frecuencias en el camino de realimentación del bucle de control. Para insertar una señal de error es necesario incorporar una pequeña resistencia en el bucle de realimentación. La resistencia de inserción de 5 Ω mostrada en la figura es insignificante en comparación con la impedancia de serie de R1 y R2. Algunos usuarios optan por planificar permanentemente en esta resistencia de inserción con valor reducido (Rinjection) para fines de prueba. Un transformador de inserción, como p. ej. el J2100A de Picotest, aísla la señal de distorsión CA y elimina cualquier sesgo de CC.

Punto de inserción y sondeo

Para medir la ganancia de un bucle de realimentación de voltaje, el bucle debe interrumpirse en un punto adecuado. En dicho punto se inserta una señal de distorsión. La señal de distorsión se distribuye en el circuito del bucle. Dependiendo de la ganancia del bucle, la señal de distorsión insertada se amplifica o atenúa y se desplaza en fase. Para la opción R&S®RTx-K36, el generador del osciloscopio genera la señal de distorsión. El osciloscopio mide la función de transferencia del bucle.

Para garantizar que la ganancia de bucle medida equivalga a la ganancia real del bucle, se selecciona un punto adecuado:

  • Busque un punto en el que el bucle se limite a un único camino para asegurarse de que no discurran señales en paralelo.
  • Asegúrese de que en dicho punto la impedancia en la dirección del bucle sea mucho mayor que la impedancia de retroceso. La impedancia de retroceso equivale a la impedancia de salida del convertidor, un valor muy bajo en el rango de pocos mΩ. La impedancia en dirección hacia el bucle se forma mediante el compensador y el divisor de voltaje, y se encuentra en el rango de unos pocos kΩ.
Diagrama de Bode
El uso de un resorte de masa adecuado le proporcionará la mejor relación señal/ruido para medir la relación de rechazo a la fuente de alimentación.
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La precisión de la caracterización de la respuesta del bucle de control depende de la calidad del sondeo. En algunas frecuencias de prueba, las amplitudes de pico a pico de Vin y Vout pueden ser muy bajas. Estos valores quedarían ocultos tras el ruido de fondo del osciloscopio y/o el ruido de conmutación del propio objeto examinado. Por lo tanto, aumentando la relación señal/ruido en sus pruebas podrá mejorar de forma significativa el rango dinámico de sus mediciones de respuesta en frecuencia. La mayoría de los osciloscopios suelen están equipados con sondas pasivas 10:1 con un ruido superior. Utilizando sondas pasivas 1:1 de bajo ruido se puede reducir el ruido de la medición y mejorar la relación señal/ruido. Rohde & Schwarz recomienda las sondas pasivas 1:1 R&S®RT-ZP1X con ancho de banda de 38 MHz para esta aplicación.

Al reducir la longitud de la conexión a masa de la sonda, se minimizan los bucles de masa inductivos. En ocasiones, el cable a masa de serie de la sonda puede actuar como una antena y amplificar los ruidos de conmutación no deseados. Localice un punto para la conexión a tierra cerca de los puntos de medición Vin y Vout. Use el resorte de masa suministrado con la sonda R&S®RT-ZP1X para acortar la conexión a masa; de esta forma, obtendrá un bajo ruido de masa adecuado para realizar la medición.

Diagrama de Bode
Medición de la estabilidad de un convertidor CC/CC (traza azul: ganancia; traza naranja: fase; traza verde: perfilado de amplitud de la señal de estímulo).
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Configuración de dispositivo

Después de conectar el osciloscopio al circuito bajo prueba, inicie la aplicación:

  • Ajuste la frecuencia de inicio y de fin entre 10 Hz y 25 MHz y determine el nivel de salida del generador.
  • Ajuste los puntos por década para mejorar y modificar la definición de la adquisición. El osciloscopio admite hasta 500 puntos por década.
  • Perfile la amplitud de la salida del generador (hasta 16 pasos) para eliminar el ruido del circuito que se está examinando.
  • Pulse la tecla de inicio para comenzar a medir; los resultados de la medición se trazan como ganancia/fase sobre frecuencia. Ajuste los marcadores en los puntos de interés.
Tabla de mediciones
Tabla de mediciones

Resultados de la medición

Las curvas visualizadas en los diagramas de Bode representan la función de transferencia de su circuito y le ayudan a verificar la estabilidad de su sistema. Un gráfico muestra el comportamiento de amplitud a través del rango de frecuencias en dB, mientras que el segundo gráfico indica las características de fase a lo largo de la frecuencia (medido en grados). Arrastre los marcadores hasta la posición que desee directamente en la traza; una leyenda informa de las coordenadas de los marcadores. Para determinar la frecuencia cruzada, ajuste un marcador en 0 dB y el segundo marcador en –180° de desplazamiento de fase. A continuación puede determinar con facilidad la fase y el margen de ganancia.

Vea los resultados en una tabla. La tabla de resultados de la medición ofrece información detallada sobre cada punto medido (frecuencia, ganancia y desplazamiento de fase). Mientras se usan los marcadores, se resalta la fila correspondiente de la tabla de resultados. Con fines de creación de informes, puede guardar rápidamente capturas de pantalla o resultados de la tabla (o ambos) en un dispositivo USB.

Resumen

Los osciloscopios son la principal herramienta de medición que emplean los ingenieros actuales para realizar pruebas y caracterizar los diseños de las fuentes de alimentación. La opción de análisis de respuesta en frecuencia R&S®RTx-K36 (diagrama de Bode) supone una alternativa económica a los analizadores de redes de baja frecuencia o los analizadores de frecuencia independientes y específicos.