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

Su misión

Para asegurar la estabilidad de reguladores de voltaje y fuentes de poder en modo conmutado, por ejemplo, convertidores buck multifásicos, 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 de Rohde & Schwarz

Analice de forma rápida y sencilla la respuesta en baja frecuencia en su osciloscopio con la opción de análisis de respuesta en frecuencia R&S®MXOx-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 R&S®MXOx-K36 (diagrama de Bode) emplea el generador de formas de onda integrado en el osciloscopio para crear señales de estímulo de entre 10 mHzy 100 MHz. Al medir la relación entre la señal de entrada y de salida del dispositivo en cada una de las frecuencias de la prueba, el osciloscopio traza la ganancia de forma logarítmica y la fase de forma lineal.

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

La opción de análisis de respuesta en frecuencia R&S®MXOx-K36 (diagrama de Bode) muestra la respuesta del sistema frente a cambios de las condiciones de funcionamiento, p. ej. del voltaje de alimentación o de la corriente de carga.

Configuración de medición

Los bucles de control de la fuente de poder comparan el voltaje de referencia (V_ref) el voltaje realimentado (V_feedback) y crean una realimentación negativa para asegurar 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 Ωque se muestra en el gráfico «Elección del punto de inyección correcto» en la siguiente página es insignificante en comparación con la impedancia de serie de R1 y R2. Para fines de prueba, algunos usuarios optan por diseñar de forma permanente en esta resistencia de inserción con valor reducido (R_injection). 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®MXOx-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.

La precisión de la caracterización de la respuesta del bucle de control depende de la calidad del sondeo. Las amplitudes pico a pico de V_iny V_outpueden ser muy bajas en algunas frecuencias de prueba. 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 & Schwarzrecomienda las sondas pasivas R&S®RT‑ZP1X 1:1 con ancho de banda de 38 MHzpara 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.

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

• Ajuste la frecuencia de inicio y de fin entre 10 mHzy 100 MHzy 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 100 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.

Resultados de medición
Los diagramas de Bode representan la función de transmisión del circuito y al mostrar el comportamiento de la amplitud (en dB) y las características de fase (en grados) frente a la frecuencia de entrada ayudan a verificar la estabilidad del sistema. Los marcadores individuales pueden ajustarse directamente en las posiciones deseadas sobre la traza que se haya trazado, junto con una leyenda que muestre las coordenadas del marcador. A fin de 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.

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®MXOx-K36 (diagrama de Bode) proporciona una alternativa económica a los analizadores de redes de baja frecuencia o a los analizadores de frecuencia independientes y específicos.