透過負載瞬變響應測試強化迴路穩定性分析
- Sonya Chan
- 9月7日
- 讀畢需時 4 分鐘
掌握電源迴路細節，精準洞察系統行為
驗證切換式轉換器的穩定性對於任何電源供應器設計來說都至關重要，頻率迴路響應與負載瞬變響應是兩種常用來確保切換式轉換器穩定性的方法，儘管頻率迴路響應在設計驗證中日益重要，負載瞬變響應仍是業界普遍採用的測試手段，藉由長時間量測 PWM（Pulse Width Modulation）訊號的正向工作週期並將其視覺化，可以強化負載瞬變響應的分析，現代示波器能做到這點，同時協助工程師識別未知的轉換器效應。
若要直接取得增益餘裕、相位餘裕與交越頻率，可將量測到的增益及相位值繪製在波德圖 (Bode plot) 上，在負載階躍響應測試中，需施加一個大幅度的電流階躍，並量測及分析其電壓響應，這類大訊號量測是在閉迴路系統中進行，這與開迴路系統的量測方式有顯著不同。
為了評估及判斷轉換器穩定性，工程師必須在時域中分析輸出電壓，圖 1 的範例使用一個降壓式轉換器來測試負載瞬變響應，將負載階躍產生器連接到轉換器輸出端，對於快速改變負載電流是不可或缺的步驟。
由於 PWM 訊號控制著控制迴路中的電力裝置，因此在負載階躍期間量測正向工作週期並將其視覺化，能強化負載瞬變響應分析，進而揭示過去未知的效應。
您的任務
為確保電源供應器設計的正常與穩定運作，必須驗證其迴路穩定性，現今，頻率迴路響應是量測轉換器迴路穩定性的首選方法，頻率迴路響應採用小訊號交流（AC）分析，將一個微小的正弦波訊號注入迴路，在開迴路系統中量測增益與相位在寬廣頻率範圍內的表現。
這項量測需要一款儀器，該儀器能在整個記錄期間，以高取樣率量測正向工作週期，逐週期的量測結果必須以波形顯示於時間軸上。
羅德史瓦茲解決方案
R&S®MXO 5 示波器是應對這項挑戰性任務的理想選擇，因為它能夠在高 PWM 切換頻率下，於長時間記錄週期內精準量測正向工作週期，這項任務需要具備足夠的頻寬、高取樣率與大容量記憶體，在一次採集中，所有正向工作週期都能用於將整個採集期間的變化視覺化為軌跡，單一週期中每次量測的軌跡都可以隨時間顯示，圖 2 所示為包含在軌跡波形中的典型負載瞬變波形。
圖 2 顯示了三個連續負載階躍的標準輸出電壓與電流波形，控制器輸出的正向工作週期也一併顯示並用於建立軌跡，理論上，軌跡波形應與輸出電壓波形呈現鏡像關係，因為工作週期會調節電力裝置，以維持恆定的輸出電壓。
應用
本應用案例展示了一個全橋式拓撲、並具備同步整流的 DC/DC 切換式轉換器的軌跡功能，此隔離式轉換器的切換頻率為 100 kHz，將 48 V 輸入電壓轉換為 12 V 輸出電壓，輸出電流設定為最大 8 A，輸出負載階躍則透過電子負載產生。
裝置設置
在轉換器輸出端施加負載階躍之前，需先完成多項任務，以將正向工作週期視覺化為軌跡波形：
通道設定與探棒選擇。
觸發的定義，以捕捉控制器輸出端的負載階躍事件。
啟用正向工作週期量測功能，並定義參考電壓百分比層級（例如：20%、50%、80%）。
必須定義足夠的取樣率，建議 ≥100 Msample/s，以精確量測具有尖銳邊緣的 PWM 訊號。
記錄長度需足夠捕捉整個序列（至少一個電流階躍從低到高，另一個從高到低）。
在量測子選單中啟用軌跡功能並優化垂直刻度。
量測瞬態負載
完成設置後，配置電子負載以施加一個介於低電流值（最大負載的 20%）與高電流值（最大負載的 80%）之間的負載階躍，一旦觸發器偵測到有效的觸發條件，波形就會出現在螢幕上，如圖 3 所示，上方視窗顯示兩個負載階躍在兩個方向上的採集結果，通道 1 量測輸出電壓，通道 2 量測輸出電流，PWM 控制訊號（通道 3）與正向工作週期的軌跡波形也一併顯示。
放大視窗顯示輸出電壓僅下降約 300 μs 後便恢復穩態運作，透過游標功能量測，在穩態下 20% 與 80% 負載之間的電壓偏差僅為 2.4 mV，軌跡波形則顯示在轉換器進入穩態後，其電平略有不同（26% 而非 24%），此偏差揭示了一種效應，這與圖 2 中所述的預期結果不符，根據定義與理論，工作週期應與負載電流無關。
回顧控制理論，這 2% 的偏差來自於較高輸出電流所導致的高傳導損耗。這些額外的損耗主要產生於變壓器與輸出整流器。這些額外的損耗需要藉由增加正向工作週期來平衡，而軌跡功能使得這項複雜的量測任務得以實現。
總結
R&S®MXO 5 示波器非常適合用於驗證具備 PWM 控制的電源轉換器負載瞬變，特別是當需要進行更深入分析以揭示系統行為細節時，其出色的功能，例如大容量記憶體與軌跡功能，能幫助使用者發現並理解轉換器運作中的細節。
