負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)----增強(qiáng)環(huán)路穩(wěn)定性測試

驗證開關(guān)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性對于電源設(shè)計非常重要，頻率環(huán)路響應(yīng)和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)被經(jīng)常用于確保開關(guān)轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。雖然頻率環(huán)路響應(yīng)在設(shè)計驗證中的地位日益凸顯，但負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)任被經(jīng)常使用。通過觀察脈寬調(diào)制（PWM）信號在一段時間內(nèi)的正占空比變化，我們可以更深入地了解負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的情況。現(xiàn)代示波器不僅具備這樣的功能，還幫助我們識別未知的轉(zhuǎn)換器影響。

您的任務(wù)

在電源設(shè)計中為了確保操作正常且穩(wěn)定，驗證環(huán)路穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。目前，頻率環(huán)路響應(yīng)已經(jīng)成為測量轉(zhuǎn)換器環(huán)路穩(wěn)定性的首選。這種方法通過小信號交流分析，將小正弦信號注入環(huán)路，測量開環(huán)狀態(tài)下寬頻率范圍內(nèi)的增益和相位。將測得的增益和相位值相對于頻率繪制在伯德圖中，以直接獲得增益裕度、相位裕度和交叉頻率。在負(fù)載階躍響應(yīng)測試中，需要施加大電流階躍，然后需要測量和分析電壓響應(yīng)。大信號測量是在閉環(huán)中進(jìn)行的，這與開環(huán)系統(tǒng)有很大不同。需要在時域中分析輸出電壓，以估計和確定轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性，圖1是使用降壓轉(zhuǎn)換器來測試負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的示例。

圖1 降壓轉(zhuǎn)化器的負(fù)載瞬態(tài)設(shè)置

大信號測量是在閉環(huán)中進(jìn)行的，這與開環(huán)系統(tǒng)有很大不同。需要在時域中分析輸出電壓，以估計和確定轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性，圖1是使用降壓轉(zhuǎn)換器來測試負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的示例。當(dāng)負(fù)載電流快速變化時，將負(fù)載階躍發(fā)生器連接到轉(zhuǎn)換器輸出端子至關(guān)重要。由于 PWM信號在控制環(huán)路中控制發(fā)電廠，因此在觀察未知影響時測量負(fù)載階躍期間的正占空比可以增強(qiáng)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。這種測量需要一種能夠在整個記錄周期內(nèi)以高采樣率測量正占空比的儀器。逐周期測量必須顯示為一段時間內(nèi)的波形。

海洋儀器給出的解決方案

羅德與施瓦茨的R&S MXO5示波器非常適合完成這種具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。它能夠在較高的PWM開關(guān)頻率下，長時間記錄并測量正占空比。這種測量需要大帶寬、高采樣率和大存儲容量。采集中的所有正占空比均可用于可視化軌道中整個采集的變化?？梢噪S時間顯示單個周期中每次測量的軌跡。軌道波形中包含的典型負(fù)載瞬態(tài)波形如圖2所示。

圖2 負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

圖2顯示了三個連續(xù)負(fù)載階躍的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓和電流波形。控制器輸出的正占空比也會顯示并用于創(chuàng)建軌跡。理論上，跟蹤波形反映了輸出電壓波形，因為占空比調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)以維持恒定的輸出電壓。

應(yīng)用

結(jié)合全橋拓?fù)浜?a target="_blank">同步整流的直流-直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有跟蹤功能。此獨立轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率為100kHz，能夠?qū)?8V輸入電壓轉(zhuǎn)為12V輸出電壓。最大輸出電流設(shè)為8A，并通過電子負(fù)載生成輸出負(fù)載階躍。

設(shè)備設(shè)置

在轉(zhuǎn)換器輸出處施加負(fù)載階躍之前，我們需要進(jìn)行一些設(shè)置，以便能夠正確顯示正占空比的跟蹤波形。1、設(shè)置通道和選擇探頭2、定義觸發(fā)以捕獲控制器輸出端的負(fù)載階躍事件3、激活正占空比測量功能并定義參考電壓百分比（例如20%、50%、80%）4、設(shè)定采樣率，才能精確測量具有陡峭邊沿的PWM信號（至少100Msample/s）5、足夠捕獲整個序列的記錄長度（至少一個當(dāng)前步驟從低到高，另一種形式從高到低）6、激活測量子菜單中的跟蹤功能并優(yōu)化垂直縮放

測量瞬態(tài)負(fù)載

設(shè)置完成后，我們就可以配置電子負(fù)載，在低電流（最大負(fù)載的20%）和高電流（最大負(fù)載的80%）之間施加負(fù)載階躍。一旦觸發(fā)器監(jiān)測到有效的觸發(fā)條件，示波器就會顯示波形。如圖3所示，頂部窗口顯示任一方向上兩個負(fù)載階躍的采集。在通道1上測量輸出電壓，在通道2上測量輸出電流。還顯示PWM控制信號（通道3）和正占空比的跟蹤波形。

圖3 降壓轉(zhuǎn)化器的負(fù)載瞬態(tài)設(shè)置

縮放窗口顯示輸出電壓僅下降約300μs，然后才重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)操作。通過光標(biāo)功能測量，穩(wěn)定狀態(tài)下20%和80%負(fù)載之間的偏差僅為2.4mV。轉(zhuǎn)換器進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后，跟蹤波形顯示不同結(jié)果（26%而不是24%）。該偏差顯示出影響，不符合圖2所示的預(yù)期結(jié)果。相關(guān)定義和理論表明，占空比應(yīng)與負(fù)載電流無關(guān)。根據(jù)控制理論，這2%的偏差可能是由于高輸出電流引起的高傳導(dǎo)損耗所致。這些損耗主要來自于變壓器和輸出整流器。為了補(bǔ)償這些附加損耗，需要提高正占空比來平衡，并且跟蹤功能支持這種復(fù)雜的測量任務(wù)。

總結(jié)

R&S MXO5示波器示波器非常適合通過PWM控制來驗證電源轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)，在這種情況下需要進(jìn)行更深入的分析以揭示系統(tǒng)行為細(xì)節(jié)。大容量內(nèi)存存儲和跟蹤功能等出色的功能可幫助用戶查找和了解轉(zhuǎn)換器操作的詳細(xì)信息。