精準驗證電源緩啟動：避免災難性的啟動失敗
- Sonya Chan
- 10月5日
- 讀畢需時 4 分鐘
由於數位控制器日益普及，緩啟動（Soft-start）驗證正成為現代交換式電源供應器的一個主要關注點，R&S®RTM3000 與 R&S®RTA4000 示波器提供了脈衝寬度調變（PWM（Pulse Width Modulation））趨勢圖分析功能，這是在開發過程中驗證與優化緩啟動的絕佳利器。
電源供應器緩啟動分析
現代交換式電源供應器提供緩啟動功能，以限制功率驅動級的應力，並防止電源供應器進入穩態時產生過衝（Overshoot），在後接交換式電源供應器（SMPS（Switching Mode Power Supply））轉換器的電池應用中，如果緩啟動未能有效限制輸入電流，可能會縮短電池的壽命，緩啟動功能通常整合在控制器積體電路中，並可透過一些外部元件進行配置，如今，越來越多創新的電源供應器設計採用了數位控制電路，使用者必須自行開發緩啟動功能，這使得緩啟動的驗證成為設計師的一項重要工作。
Rohde & Schwarz 解決方案
R&S®RTM3000 與 R&S®RTA4000 示波器提供 PWM 趨勢圖分析功能，可在電源供應器啟動期間，追蹤量測到的工作週期（Duty Cycle）資訊，設計師能從中逐一週期地獲得交換元件控制訊號的詳細資訊，透過此趨勢圖功能，甚至無需連接功率級，即可實作並驗證緩啟動演算法，這讓軟體部分的開發與測試，幾乎可以完全獨立於功率級的設計，在連接功率級之前，追蹤 PWM 訊號也能讓使用者對已實作的緩啟動演算法更具信心，這種方法有助於防止對功率級元件造成過度應力。
量測設定
設定緩啟動量測所需的全部元件，僅僅是在電源供應器的交換元件上連接一支電壓探棒，在一個簡單的降壓轉換器（Buck Converter）設計中，交換元件的閘極是首選的探測點。
裝置設定
將探棒連接至待測電路後，即可根據以下說明開始量測：
將觸發模式設定為正常模式，並啟動單次觸發擷取
將擷取時間設定為一個足夠的數值
將水平刻度設定為一個足夠的數值
將觸發準位設定在一個合適的準位
在數學運算（Math）選單中，利用 PWM 控制訊號啟動「趨勢圖脈衝寬度」功能
設定通道 2 以量測輸出電壓，此僅作為參考訊號
透過開啟輸入電壓來啟動電源供應器
量測結果
通道 1 顯示已連接的 PWM 控制訊號，數學運算通道則顯示該控制訊號的工作週期，通道 2 顯示轉換器的輸出電壓，其量測目的僅是為了將輸出電壓與數學運算訊號進行比較。
值得注意的是，輸出電壓曲線的上升時間與趨勢圖的時序非常接近。
然而，這種趨勢圖量測的最大優勢在於，對於每一個開關週期，其工作週期都在趨勢圖曲線中清晰可見，控制器中的緩啟動演算法限制了工作週期圖形的上升時間，輸出電流會跟隨工作週期圖形變化，但與直接量測輸出電壓不同的是，使用者能夠輕易地觀察到任何單一錯誤產生的工作週期，在輸出電壓圖形中，可能很難觀察到斜率中的任何尖峰，因為輸出濾波器可能會抑制短暫的事件。
總結
R&S®RTM3000 與 R&S®RTA4000 示波器的趨勢圖功能是一項絕佳的利器，可讓設計師在啟動過程中驗證電源供應轉換器的緩啟動行為，它為每個週期提供了詳細的 PWM 訊號資訊，使得觀察任何尖峰或其他異常現象變得輕而易舉，當緩啟動功能是採用數位設計時，趨勢圖功能可以在功率級開發之前，就在設計過程中為設計師提供幫助，成熟的演算法也將防止對功率級元件造成任何損壞。
對於在不同電力電子應用中顯示隨時間變化的 PWM 調變訊號而言，趨勢圖功能是一項卓越的利器。
相關產品
R&S®RTM3000 示波器是驗證電源緩啟動程序的理想工具，其標配的 40 Msample 深度記憶體（可擴充至 200 Msample），能夠在維持高取樣率的同時，完整擷取長達數百毫秒的緩啟動過程，確保不錯失任何細節，搭配其獨特的 PWM 趨勢圖分析功能，工程師能將整個啟動過程中的工作週期變化繪製成圖，逐一週期地檢視緩啟動演算法的響應，其搭載的 10-bit 類比數位轉換器（ADC）更能確保對 PWM 訊號時序的精準量測，是進行電源控制迴路除錯的利器。
R&S®RTA4000 示波器以其「十倍力（Power of Ten）」的特性，為複雜的緩啟動分析提供了更卓越的洞察力，其具備同級產品中最大的 100 Msample 標準記憶體（可擴充至 1 Gsample），非常適合擷取與分析更長、更複雜的電源啟動序列，其 10-bit 類比數位轉換器（ADC）與低雜訊前端，能確保 PWM 趨勢圖分析的精準度，清晰呈現工作週期的每一個微小變化，對於需要開發與驗證精密數位控制緩啟動演算法的工程師而言，RTA4000 提供了無可比擬的訊號保真度與分析深度。
