R&S®MXO 5 示波器：複雜觸發技術，精準偵測電源轉換器控制迴路異常
- Sonya Chan
- 9月7日
- 讀畢需時 4 分鐘
數位觸發技術，精準捕捉電源轉換器設計中的瞬態不穩定
穩定的電源轉換器運作至關重要
電源轉換器必須在所有情況下穩定運作，無論是負載突變、啟動/關機程序，還是輸入電壓變化，這些常見的工作條件都適用於大多數轉換器，除了標準的回授控制迴路，整合式 PWM（脈衝寬度調變）控制器還提供額外功能，例如：線路前饋控制迴路與緩啟動控制，這些功能能夠在特定條件下優化調節。
這類複雜的調節系統需要智慧型方法來確保轉換器在各種模式下都能正常運作，為此，工程師必須具備廣泛的專業知識與適當的量測工具，才能找出並定位系統中的意外事件。
測試挑戰
電源轉換器的設計及其穩定性，需要在所有運作模式下進行全面驗證，通常 PWM 控制器提供多種功能，這可能增加系統複雜度，因此需要一個更精密的驗證流程，例如，線路前饋控制迴路與緩啟動控制就是常見的兩種功能。
緩啟動控制是一種特殊的模式：轉換器啟動時，正向工作週期會逐步增加，讓輸出電壓平順地上升，在此期間，工作週期會從極小值變化到較高數值，直到輸出電壓達到穩定狀態，此程序完成後，標準的回授控制迴路便會接手，將輸出電壓調節至目標值，此外，線路前饋迴路可能同時啟動，在輸入電壓快速變化時，最佳化輸出電壓的調節。
這兩種控制機制同時運作，使得偵測與定位意外或不穩定的運作變得困難，在切換式轉換器設計中，雜訊是難以避免的，它可能導致迴路調節不當；我們可以藉由觸發電壓變動來偵測突然發生的不穩定迴路，但更好的方法是監測正向工作週期的寬度，因為工作週期是用來調節功率元件，以維持輸出電壓恆定，要在如此複雜的控制系統中，偵測任何異常事件，複雜的觸發能力是不可或缺的。
R&S®MXO 5 系列示波器解決方案
R&S®MXO 5 系列示波器採用數位觸發技術，是執行這項艱鉅任務的理想選擇，它的數位觸發提供了 0.0001/div 的高靈敏度，並在高清模式下提供高達 18 bit 的解析度，由於需要兩個觸發條件來尋找緩啟動結束後正向工作週期的變化，因此可以定義複雜的觸發條件，圖 1 顯示了轉換器啟動時的觸發條件設定。
觸發條件 A 用於偵測緩啟動程序的結束，其配置為視窗觸發，要求輸出電壓必須在定義的範圍內，觸發條件 B 的觸發類型必須為寬度。
寬度觸發會偵測正向工作週期超出定義範圍的任何數值，這種情況容易因線路前饋控制濾波器設計不當而發生；然而，如果轉換器處於穩態，工作週期通常不會有明顯變化，若正向工作週期因某些意外事件而偏離有效範圍，條件 B 將會觸發並停止擷取，這有助於隔離特定事件，讓使用者能快速找出異常控制事件的根本原因。
應用實例
本應用實例使用具有同步整流功能的全橋式 DC/DC 切換式轉換器，來展示複雜觸發功能，該隔離式轉換器以 100 kHz 的切換頻率運作，將 48 V 的輸入電壓轉換為 12 V 的輸出電壓，其最大輸出電流為 8 A，此應用使用的數位控制器允許使用者啟動、停用與修改線路前饋控制功能。
裝置設定
若要配置複雜觸發：
設定合適的通道，包括選擇適當的探棒。
啟動觸發序列並定義適當的重設逾時（請參閱圖 2）。
定義觸發 A 為視窗類型，包含上限與下限，以便在啟動時擷取緩啟動的結束點（請參閱圖 3）。
啟動正向工作週期量測功能，並定義參考準位，例如電壓的 20%/50%/80%。
定義觸發 B 為寬度類型，並設定寬度與延遲時間（請參閱圖 4）。
啟動工作週期量測功能，包括軌跡（track）功能。
量測負載瞬態
設定完成後，轉換器啟動並執行緩啟動程序，一旦觸發器偵測到觸發條件 A 的有效觸發，儀器便會等待工作週期量測中的任何變化，若假設緩啟動後負載保持恆定，則儀器不會在條件 B 處觸發，因為工作週期應保持恆定。
為了展示此複雜觸發序列，我們特意在轉換器的控制器中啟動了線路前饋功能，但其數位濾波器設計不當，結果，儀器在條件 B 處觸發；圖 5 顯示了記錄的量測結果：通道 1 量測輸出電壓，通道 3 量測輸入電壓。通道 2 顯示了控制器的內部訊號，反映了輸入至次級端的電壓。通道 M2 顯示了經過低通濾波器濾波的通道 2 訊號，此外，底部視窗中顯示了 PWM 控制訊號（通道 4）與正向工作週期的軌跡波形。
在緩啟動程序結束 3 毫秒後，儀器在條件 B 處觸發，因為工作週期顯示出一個正向階躍，接著是一個負向驟降，這種工作週期的變化僅在線路前饋啟動時才會出現，有了這組複雜觸發序列，使用者可以進一步最佳化擷取長度，獲得更詳細的資訊。結果如圖 6 所示。
在此案例中，隨著精確度提升，使用者能觀察到更多細節，對系統有更深入的了解，現在，工程師可以更有效率地開始分析流程，並找出問題的根本原因。
總結
R&S®MXO 5 系列示波器是識別電源轉換器控制迴路中異常事件的絕佳選擇，其數位觸發技術讓使用者能夠定義複雜的觸發事件，有效率地隔離問題根源；此外，大容量記憶體讓使用者能夠添加額外功能，例如：工作週期軌跡功能，這需要長時間的高取樣率。該儀器的強大功能，非常適合用來驗證與理解電源轉換器設計的運作。
