Отладка источников электропитания осциллографом высокой четкости R&S RTO

PDF версия
Вторичные источники электропитания малой и средней мощности являются, пожалуй, самыми массовыми компонентами и законченными устройствами. Они применяются в качестве зарядных устройств мобильных телефонов, смартфонов и ноутбуков, для питания разнообразного радиоэлектронного оборудования.

Бурное развитие получили импульсные источники питания (ИИП) с высоким КПВ с коммутатором на мощных полевых транзисторах [1, 2, 3] с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Для тестирования источников питания нужно специальное измерительное оборудование и приборы. В статье описано применение для этого новейших цифровых осциллографов высокой точности R&S RTO от компании Rohde & Schwarz [4, 5].

Разработка, исследование и тестирование источников электропитания занимает важное место в деятельности компании Rohde & Schwarz (рис. 1). Для этого она использует приборы собственного производства, например универсальные осциллографы высокой четкости R&S RTO со специальной опцией R&S RTO-K31 для отладки и анализа источников электропитания любого типа — от простейших с диодным выпрямителем до источников с импульсным (ключевым) преобразователем с ШИМ-модуляцией и высоким КПД [5].

Рабочее место компании Rohde & Schwarz для тестирования импульсных источников питания

Рис. 1. Рабочее место компании Rohde & Schwarz для тестирования импульсных источников питания

Первичными источниками электропитания являются силовые сети постоянного и переменного тока, гальванические и аккумуляторные батареи и другие устройства, прямо отдающие электроэнергию в нагрузку или множеству потребителей электроэнергии. Вторичные источники электроэнергии доводят уровни их напряжения и тока до нужных величин и обеспечивают необходимые потребителям параметры электрической энергии.

Вторичные источники электропитания компании Rohde & Schwarz имеют различное оформление — от одноплатных модулей до типичных лабораторных программируемых источников с цифровой регулировкой напряжений в широких пределах (рис. 2).

Лабораторный источник питания HMP4040 компании Rohde & Schwarz (4 канала, 384 Вт, 4×0–32 В/0–10 А)

Рис. 2. Лабораторный источник питания HMP4040 компании Rohde & Schwarz (4 канала, 384 Вт, 4×0–32 В/0–10 А)

Для питания особо точной аппаратуры компания выпускает источники/измерители (калибраторы) с цифровой высокоточной установкой значений напряжения и тока (рис. 3). Данные приборы объединяют высокоточный источник напряжения и тока с цифровым управлением с прецизионным измерителем этих параметров.

Источники питания/измерители компании Rohde & Schwarz

Рис. 3. Источники питания/измерители компании Rohde & Schwarz

 

Пример построения интегрального преобразователя с ШИМ

В настоящее время наиболее распространенными стали импульсные источники питания (ИИП) с преобразователями напряжения постоянного тока с ключевым управляющим регулятором (коммутатором) на мощных транзисторах — в основном полевых [1, 2, 3]. Все узлы таких преобразователей (за исключением катушки индуктивности, конденсаторов на выходе и на входе и нескольких других элементах) интегрированы в интегральной схеме. Типичная функциональная схема преобразователя с импульсным регулятором и ШИМ-модулятором показана в упрощенном виде на рис. 4. На ней видны основные контрольные точки для измерения напряжений (рис. 4а) и токов (рис. 4б) преобразователя.

Функциональная схема понижающего преобразователя с импульсным регулированием и контрольные точки

Рис. 4. Функциональная схема понижающего преобразователя с импульсным регулированием и контрольные точки:
а) для измерения напряжений;
б) для измерения токов

Полная принципиальная схема понижающего напряжение преобразователя, взятого в качестве примера тестирования [5], приведена на рис. 5. Преобразователь выполнен на специализированной мощной интегральной микросхеме, размещенной на печатной плате, и оснащен охлаждающим радиатором.

Упрощенная схема модуля TPS62090 EVM с указанием добавленных контрольных точек для измерения тока и напряжения

Рис. 5. Упрощенная схема модуля TPS62090 EVM с указанием добавленных контрольных точек для измерения тока и напряжения

 

Основные приборы для тестирования источников питания

Для тестирования источников питания могут применяться различные приборы — от обычных вольтметров и амперметров до высокоточных цифровых мультиметров/калибраторов, осциллографов и анализаторов спектра (особенно для источников с импульсным преобразователем). Осциллограф с полосой частот 500 или 100 МГц обеспечивает тестирование даже при исследовании наиболее высокочастотных импульсных преобразователей. Рекомендуется использовать четырехканальный осциллограф, поддерживающий одновременное отображение нескольких ключевых сигналов.

Вполне подходящим является цифровой запоминающий осциллограф высокой четкости R&S RTO [4], оснащенный опцией анализа электропитания R&S RTO-K31 (рис. 6а). Прибор снабжен удобным и четким сенсорным экраном (рис. 6б). Он обеспечивает удобное ручное управление прибором и простое управление размещением осциллограмм и диаграмм на экране (рис. 6а).

Осциллограф R&S RTO

Рис. 6. Осциллограф R&S RTO:
а) передняя панель;
б) сенсорное управление

Для надежных и точных измерений с высокой степенью безопасности рекомендуется работа осциллографа со специальными типами пробников:

  • один широкополосный токовый пробник-клещи для безразрывного измерения тока (RT-ZC20 или аналогичный);
  • два пассивных пробника (RT-ZP10 или аналогичных) с проводом заземления и пружинным зажимом для подключения к контрольным точкам и выводам интегральных схем;
  • активный несимметричный пробник (RT-ZS10 или аналогичный) с малой (менее 1 пФ) входной емкостью;
  • активный дифференциальный пробник (RT-ZD10 или аналогичный).

Источник питания должен поддерживать уровни напряжений и токов, требуемых для проведения испытаний ИИП; это значит, что источник питания должен обеспечивать работу в полном диапазоне напряжений и токов, необходимых в ходе проведения испытаний, с высоким уровнем стабильности и точности по выходу. Применение источника/измерителя (рис. 2) позволяет исключить потребность в дополнительных измерительных устройствах и предоставляет возможность записи полученных результатов измерений.

Цифровой мультиметр (ЦММ) обеспечивает возможность точного задания или контроля статических напряжений и токов в ходе тестирования. Кроме того, он может использоваться для подтверждения уровней точности и стабильности напряжений и токов, измеряемых осциллографом с помощью соответствующих пробников. Для этих целей вполне подходит 5‑разрядный ЦММ Hameg HMC8012 или 6‑разрядный ЦММ HM8112-3.

Цифровой функциональный генератор Hameg HMF2525 компании Rohde & Schwarz поддерживает работу в диапазоне частот до 25 МГц и обладает 14‑разрядным разрешением сигналов произвольной формы со скоростью дискретизации 250 млн отсчетов/с. Он предоставляет полный спектр встроенных сигналов и импульсов, например для запуска коммутатора.

В качестве нагрузки можно использовать мощные резисторы, управляемые высокоскоростными мощными полевыми транзисторами, или специальные электронные нагрузки. Надо проследить, чтобы уровни входных напряжений ключевых приборов и управляющих ими микросхем были согласованы.

 

Основные типы измерений

В целях обеспечения безопасности и исправности работы понижающего преобразователя постоянного тока необходимы следующие основные типы измерений:

  • характеристики при включении питания: пуск в ходе циклов переключения, линейное нарастание выходного напряжения Vout и линейное нарастание при мягком пуске;
  • параметры тока катушки индуктивности при наличии номинальной нагрузки, пуск и установление;
  • переходный режим при изменении нагрузки;
  • пульсации и спектр выходного напряжения.

Контрольные точки для измерения напряжений и токов были представлены на функциональной схеме рис. 4. Ключевыми динамическими параметрами, которые измеряются в точке Vin, являются падение напряжения и уровень пульсаций напряжения Vin в ходе пуска и в режиме эксплуатации.

Параметры выходного напряжения необходимо отслеживать в процессе холодного запуска для подтверждения корректности достигнутого и поддерживаемого выходного напряжения. Если контроллер импульсного источника питания оснащен управляющим выводом Enable, параметры Vout также необходимо отслеживать в ходе процедуры включения/выключения Enable, когда прибор выполняет переход из ждущего режима в режим работы, и наоборот.

Значение входного тока Iin измеряется между источником питания и входным конденсатором. Значение Iin необходимо отслеживать в процессе холодного запуска для подтверждения получения ожидаемых динамических характеристик. Значение входного тока Iin измеряется между источником питания и входным конденсатором. Его следует измерять с выбранными нагрузками для подтверждения нахождения токов в ожидаемых пределах.

Динамические характеристики входного тока необходимо проверить в различных режимах пуска (холодный запуск, горячий запуск, оперативное периодическое включение и выключение питания) для обнаружения непредвиденных импульсов, глитчей или обратного тока.

Ток катушки индуктивности IL измеряется между коммутирующим узлом и катушкой индуктивности. Значение IL следует измерять при всех режимах пуска для подтверждения получения ожидаемых характеристик и для того, чтобы убедиться в отсутствии насыщения катушки индуктивности, а также в наличии строгого контроля тока и любых ожидаемых событий, связанных с обратным током. Частью измерения значения IL является определение степени линейности кривой тока при работе на пиковых уровнях тока (катушка индуктивности не должна находиться в режиме насыщения). Измерение IL также может быть использовано для контроля значения коэффициента заполнения ШИМ-модуляции и последующего сравнения с ожидаемыми значениями.

Выходной ток Iout измеряется между выходным конденсатором и нагрузкой. Значение Iout может быть измерено в ходе цикла пуска (холодного, горячего, с управлением посредством сигнала вывода Enable) для подтверждения получения ожидаемых характеристик. Выходной ток следует проверить на наличие непредвиденных импульсов или глитчей.

 

Интерфейс анализа мощности осциллографов R&S RTO

Осциллограф R&S RTO обладает всеми необходимыми возможностями для анализа источников электропитания любого типа. Однако это требует большой работы по выбору пробников и сопутствующих приборов, измерительных схем и по установке нужных параметров. Для облегчения данного процесса создана специальная опция R&S RTO-K31, которая в Windows-меню осциллографа открывается активизацией позиции Power в разделе анализа Analysis (рис. 7).

Позиция анализа Windows-меню

Рис. 7. Позиция анализа Windows-меню

Виртуальная панель опции R&S RTO-K31 открывается при активизации позиции Power меню анализа (рис. 8).

Основная виртуальная панель Power

Рис. 8. Основная виртуальная панель Power

Панель содержит множество темных виртуальных кнопок, каждая из которых открывает виртуальную панель измерения того или иного параметра с легко понятными пояснениями по сути измерения, установке нужных приборов и параметров измерений. По умолчанию они заданы типовыми для источников электропитания. На рис. 9 для примера представлена виртуальная панель контроля входного напряжения типичного источника без громоздкого низкочастотного трансформатора с ключным мощным полевым транзистором.

Виртуальная панель контроля входного напряжения

Рис. 9. Виртуальная панель контроля входного напряжения

Панель для контроля временной зависимости потребляемого тока при пуске источника питания показана на рис. 10.

Виртуальная панель контроля пускового тока

Рис. 10. Виртуальная панель контроля пускового тока

Панель установки измерения напряжения и тока индуктивности показана на рис. 11. Эти характеристики имеют важное значение для работы импульсных преобразователей.

Панель установки измерения напряжения и тока индуктивности

Рис. 11. Панель установки измерения напряжения и тока индуктивности

Если преобразователь не содержит выпрямитель и питается от первичного источника постоянного напряжения, то для его включения надо использовать простую схему, показанную на рис. 12.

Схема запуска преобразователя при его питании от батареи

Рис. 12. Схема запуска преобразователя при его питании от батареи

 

Работа и контроль преобразователя в стационарном режиме

В установившемся (стационарном) режиме работы она происходит в две стадии — заряда и разряда индуктивного накопителя. Типичные осциллограммы процессов представлены на рис. 13 с выделением стадий цветом: желтым для первой стадии и светло-голубым для второй.

Осциллограммы в стационарном режиме работы

Рис. 13. Осциллограммы в стационарном режиме работы

В первой фазе коммутации ток источника напряжения (Vin) протекает (в направлении красных стрелок) через замкнутый ключ SW1, поступая в катушку индуктивности (L), выходной конденсатор (С) и нагрузку (Z). Ток катушки индуктивности увеличивается со скоростью, определяемой ее напряжением (Vin – Vout).

Крутизна фронта тока при этом также остается постоянной; любые отклонения от постоянной крутизны фронта тока катушки индуктивности могут указывать на повышенный уровень пульсаций напряжения Vin, насыщение катушки индуктивности или чрезмерное значение сопротивления по постоянному (DCR) или переменному (ACR) току катушки. Поскольку коммутирующее устройство обладает ненулевым сопротивлением в замкнутом состоянии, напряжение на этом устройстве будет возрастать с увеличением тока катушки индуктивности. Значение ACR характеризует частотно-зависимые потери в катушке индуктивности, включающие: поверхностный эффект в обмотке катушки, эффект близости (взаимное влияние электромагнитных полей токов соседних витков катушки), потери на вихревые токи и явление гистерезиса в материале сердечника.

Во второй фазе коммутации ключ SW2 коммутирует катушки индуктивности на «землю». При этом заряд, накопленный при работе на первой фазе в катушке индуктивности и выходном конденсаторе, формирует ток, протекающий в направлении нагрузки (зеленые стрелки). В ходе этой фазы, вследствие разряда катушки индуктивности, напряжение на катушке противоположно напряжению, присутствующему на первой фазе, определяясь (в идеальном случае) разностью Vout — «земля». Поскольку коммутирующее устройство обладает ненулевым сопротивлением, в точке подключения коммутирующего устройства к катушке индуктивности будет наблюдаться отрицательное напряжение, уменьшающееся в направлении «земли» при снижении тока катушки индуктивности; при использовании диода в ходе работы на второй фазе возникнет дополнительное отрицательное «смещение» напряжения, представляющее собой прямое напряжение используемого диода. Как и прежде, крутизна фронта тока катушки индуктивности должна оставаться постоянной; значительное отклонение от линейной кривой указывает на насыщение катушки индуктивности или на чрезмерное значение сопротивления DCR или ACR.

 

Тестирование переходного процесса включения питания

При тестировании переходного процесса включения источников электропитания может использоваться как обычный способ запуска осциллографа (ручной), так и запуск при работе с опцией тестирования источников электропитания. Начнем с ручного запуска в режиме холодного запуска, при котором включение прибора выполняется из выключенного состояния (OFF) с полностью разряженными входными и выходными конденсаторами. Сигналом запуска является входное напряжение.

Для проведения анализа характеристик при включении питания ИУ должно быть оборудовано контрольными точками для измерения значений Vin, Iin, IL и Vout. Как правило, этот тип тестирования (рис. 14) рекомендуется выполнять при использовании не менее трех каналов, подключенных к ИУ, как описано в индивидуальных процедурах тестирования. Применение второго токового пробника позволяет уменьшить общее число этапов процедуры тестирования.

Осциллограмма пускового тока и ручного измерения характеристик при пуске/мягком пуске (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (зеленый) — Iin)

Рис. 14. Осциллограмма пускового тока и ручного измерения характеристик при пуске/мягком пуске (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (зеленый) — Iin)

Переходный процесс пуска довольно сложен, так как преобразователь содержит индуктивность и емкости, создающие выброс с колебаниями. Можно увеличить масштаб развертки для получения более детальной осциллограммы переходного процесса (рис. 15).

Увеличение масштаба отображения осциллограммы ручного измерения пускового тока и измерения характеристик при пуске/мягком пуске (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (зеленый) — Iin)

Рис. 15. Увеличение масштаба отображения осциллограммы ручного измерения пускового тока и измерения характеристик при пуске/мягком пуске (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (зеленый) — Iin)

В ходе выполнения этой процедуры необходимо отслеживать возникновение непредвиденных изменений значения тока, отмечая уровень Vin, на котором они возникают. При отсутствии чрезмерных выбросов тока и непредвиденных значений вольт-амперной характеристики можно безопасным образом продолжить выполнение тестирования при включении питания с проведением более подробного анализа динамических характеристик при пуске.

 

Тестирование преобразователя в режиме мягкого пуска

В преобразователях постоянного тока, поддерживающих управление по напряжению, мягкий пуск зачастую реализуется с помощью шунтирования опорного стабилитрона конденсатором большой емкости, делающим нарастание опорного напряжения достаточно плавным. В современных преобразователях постоянного тока, поддерживающих управление по току, мягкий пуск зачастую реализуется простым изменением предельного диапазона токов в ходе пуска.

Измерение и анализ характеристик при мягком пуске могут проводиться вручную или быть частью опции анализа электропитания при проведении анализа пускового тока. Если измерение пускового тока выполняется в нормальном режиме, пусковой ток заряда конденсатора может «скрыть» характеристики при мягком пуске. Это можно устранить, выбрав более низкое значение максимального тока, примерно равное пиковому току при мягком пуске, что приведет к заданию соответствующего масштаба по вертикальной оси.

Время запуска/остановки измерения можно задать по завершении начального заряда конденсатора; если пусковой ток конденсатора слишком велик, существует возможность перегрузки входного усилителя, однако это явление сойдет на нет при переходе преобразователя постоянного тока в фазу мягкого пуска (рис. 16).

Мягкий пуск модуля TPS62090 при 10%-ной нагрузке, Vin = 5 В (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

Рис. 16. Мягкий пуск модуля TPS62090 при 10%-ной нагрузке, Vin = 5 В (Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

На рис. 16 наблюдается колебательный выброс входного тока тестируемого модуля TPS62090, который возникает при переходе из фазы мягкого пуска в режим полной эксплуатационной готовности. Этот выброс довольно мал и кратковременен (примерно 220 мА и <150 мкс). Разные модели преобразователей постоянного тока обладают различными характеристиками при мягком пуске.

 

Характеристики тока катушки индуктивности

Характеристики тока катушки индуктивности имеют особое значение, поэтому анализ уровней тока катушки индуктивности должен проводиться в наихудших условиях. Пиковый ток может возникнуть в ходе пуска (рис. 16), на этапах подключения положительных нагрузок или при работе преобразователя постоянного тока с внешним ШИМ-сигналом, поступающим на вход Enable (наиболее часто встречается в светодиодных драйверах питания). В случае, показанном на рис. 17, разрешающая способность осциллографа по горизонтали достаточна для использования функции масштабирования, обеспечивающей более подробное отображение участка осциллограммы сигнала катушки индуктивности.

Мягкий пуск модуля TPS62090 при 10%-ной нагрузке, Vin = 5 В; масштаб отображения нескольких первых циклов коммутации увеличен (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (синий) — Iin)

Рис. 17. Мягкий пуск модуля TPS62090 при 10%-ной нагрузке, Vin = 5 В; масштаб отображения нескольких первых циклов коммутации увеличен (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (синий) — Iin)

На рис. 17 показано несколько первых циклов коммутации модуля TPS62090, включая характеристики при пуске с использованием ограничения по току, которое в данном случае имеет гораздо более низкое значение, чем в процессе эксплуатации. Частота переключения при этом меньше стандартной, что является частью алгоритма мягкого пуска для данного прибора. Характеристики других приборов могут отличаться.

На рис. 18 показаны характеристики при пуске модуля TPS62090 с нагрузкой, эквивалентной 50% от максимального номинального тока при номинальном выходном уровне напряжения 1,8 В.

Модуль TPS62090 не запускается при больших нагрузках и напряжении ниже 0,8 В (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (синий) — Iin)

Рис. 18. Модуль TPS62090 не запускается при больших нагрузках и напряжении ниже 0,8 В (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (синий) — Iin)

Можно заметить, что преобразователь постоянного тока начинает процедуру запуска, но прекращает выполнение переключения, если ток катушки индуктивности возрастает приблизительно до 750 мА, а напряжение Vout все еще находится ниже 0,8 В. Конструктивные особенности этого преобразователя постоянного тока (и преобразователей других типов) базируются на предположении, что они управляют кремниевыми микросхемами, которые вносят слабую нагрузку при напряжениях ниже 0,7 и до 0,8 В; следовательно, если Vout не превышает 0,8 В, ограничение по току устанавливается на наименьшее значение, поскольку прибор сначала разряжает выходной конденсатор, не осуществляя управление нагрузкой. Тем самым предотвращается возникновение высокоуровневого входного тока на этапе первоначального пуска преобразователя в указанных условиях.

 

Анализ пуска с использованием опции R&S RTO-K31

Опция анализа электропитания R&S RTO-K31 поддерживает установку, выполнение, просмотр результатов анализа и протоколирование. В этом разделе приводится описание анализа характеристик при включении с помощью измерительной функции InrushCurrent (пусковой ток) опции K31. Выполнение протоколирования основных параметров при пуске преобразователя постоянного тока «одним нажатием» может быть осуществлено выбором следующих дополнительных каналов и настроек.

  • Подключите пассивные пробники напряжения к точкам, выбранным для Vin и Vout.
  • Подключите дифференциальный пробник, например RT-ZD10, между Vin и Vswitch (Vin к (–), Vswitch к (+)); если пробник RT-ZD10 недоступен, подключите пробник RT-ZS10 или пассивный пробник к Vswitch, уделяя особое внимание длинам заземляющего и других проводников, поскольку это может оказывать влияние на фронты импульсов, обладающие высокой крутизной.
  • Установите опорную линию для всех каналов, отступив примерно на одно деление от нижней части экрана, что позволит отслеживать возникновение выбросов отрицательной полярности.
  • Определите масштаб по вертикальной оси канала, подключенного к Vin, чтобы отображение напряжения Vin занимало 50–80% от полной высоты экрана.
  • Определите масштаб по вертикальной оси канала, подключенного к Vout, чтобы отображение напряжения Vout занимало примерно 80% от полной высоты экрана.

В ходе тестирования при включении питания появится возможность измерения сигналов во всех контрольных точках в одном цикле сбора данных, поэтому в первый набор измеряемых характеристик следует включить Vin, Iin, Vswitch и Vout. При наличии двух токовых пробников следует подключить второй пробник для осуществления контроля тока катушки индуктивности IL в ходе второго цикла сбора данных.

На рис. 19 показаны осциллограммы и результаты измерения пускового тока, полученные с использованием опции RTO-K31. Левая кривая (голубого цвета) представляет начальный пусковой ток при заряде конденсатора, а синяя кривая — линейное нарастание Vin. Красная кривая, расположенная в нижней части экрана, представляет «ступенчатую» характеристику Vout, являющуюся результатом начала поступления энергии в выходной конденсатор в ходе циклов коммутации преобразователя постоянного тока. При превышении пусковым током размеров экрана следует изменить масштаб по вертикальной оси для этого канала, затем нажать аппаратную клавишу RUN Nx/SINGLE осциллографа и вновь подать питание. При необходимости эту процедуру можно повторить без нажатия кнопки Execute, что позволит получить корректный масштаб/диапазон и требуемый вид экрана.

Осциллограммы при пуске и таблица результатов, полученных с использованием функции измерения пускового тока; осциллограмма Vswitch не показана, поскольку при данном масштабе по горизонтальной оси она будет выглядеть как «сплошная стена», простирающаяся от уровня «земли» до Vin. Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin

Рис. 19. Осциллограммы при пуске и таблица результатов, полученных с использованием функции измерения пускового тока; осциллограмма Vswitch не показана, поскольку при данном масштабе по горизонтальной оси она будет выглядеть как «сплошная стена», простирающаяся от уровня «земли» до Vin. Ch 1 (синий) — Vin/Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin

Характеристики тока катушки индуктивности имеют особое значение при протекании пикового тока через катушку, поэтому данный анализ уровней тока катушки индуктивности должен проводиться в наихудших условиях. Пиковый ток может возникнуть в ходе пуска (рис. 20), на этапах подключения положительных нагрузок или при работе преобразователя постоянного тока с внешним ШИМ-сигналом, поступающим на вход Enable (наиболее часто встречается в светодиодных драйверах питания). В случае, показанном на рис. 16, разрешающая способность по горизонтали достаточна для использования функции масштабирования, обеспечивающей более подробное отображение участка осциллограммы сигнала катушки индуктивности.

Осциллограмма при пуске преобразователя постоянного тока с указанием пикового тока катушки индуктивности в конце интервала мягкого пуска (Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

Рис. 20. Осциллограмма при пуске преобразователя постоянного тока с указанием пикового тока катушки индуктивности в конце интервала мягкого пуска (Ch 2 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

Процедура измерения с использованием опции R&S RTO-K31 включает:

  • измерение пускового тока для проведения анализа параметров насыщения катушки индуктивности;
  • пульсации выходного напряжения;
  • спектр выходного напряжения.

На рис. 21 показаны характеристики другой микросхемы контроллера постоянного тока и соответствующей катушки индуктивности. В пиковой точке осциллограммы тока катушки индуктивности при пуске наличие радиуса кривизны обоих скатов кривой осциллограммы тока указывает на то, что катушка индуктивности работает в режиме частичного насыщения. Это может приводить к возникновению значительного сопротивления DCR или ACR.

Искаженные осциллограммы тока катушки индуктивности при использовании другой микросхемы контроллера и других компонентов при пиковом значении тока (красный овал определяет область увеличения масштаба) (Ch 3 (голубой) — Iin)

Рис. 21. Искаженные осциллограммы тока катушки индуктивности при использовании другой микросхемы контроллера и других компонентов при пиковом значении тока (красный овал определяет область увеличения масштаба) (Ch 3 (голубой) — Iin)

В отличие от осциллограммы, показанной на рис. 21, на осциллограмме тока катушки индуктивности модуля TPS62090, приведенной на рис. 22, оба фронта кривой линейны, то есть не обладают радиусом кривизны. Это указывает на то, что катушка индуктивности не находится в близком к насыщению режиме, а значит, имеет низкие значения сопротивлений DCR и ACR на этой частоте и при этом токе.

Пошаговое изменение нагрузки в диапазоне от 1 до 100% модуля TPS62090 указывает на отсутствие видимых искажений осциллограммы тока катушки индуктивности при пиковом значении тока в процессе перехода (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

Рис. 22. Пошаговое изменение нагрузки в диапазоне от 1 до 100% модуля TPS62090 указывает на отсутствие видимых искажений осциллограммы тока катушки индуктивности при пиковом значении тока в процессе перехода (Ch 4 (красный) — Vout/Ch 3 (голубой) — Iin)

 

Переходный режим при изменении нагрузки

Характеристики переходного режима при изменении нагрузки необходимо измерять как для вариаций нагрузок в широком диапазоне (например, от 1 до 100%), так и для менее значительных изменений (в частности, от 10 до 90% и от 50 до 60%). Характеристики переходных режимов преобразователей постоянного тока, в зависимости от алгоритма управления, могут в значительной степени отличаться из-за различий в значении (VinVout). Поскольку разность (VinVout) определяет максимальную крутизну изменения тока катушки индуктивности, более низкое значение разности (VinVout) уменьшает способность преобразователя поддерживать токи большой силы, так как приводит к увеличению нагрузки, тем самым увеличивая время отклика. На рис. 23 и 24 показаны характеристики напряжения Vout для двух значений Vin (красный цвет, Channel 4 (канал 4)), связь по переменному току) и тока катушки индуктивности (синий цвет, Channel 3 (канал 3)) при изменении нагрузки. Обратите внимание на более высокую разницу в значениях пикового тока и коэффициента заполнения по сравнению с результатами, приведенными на рис. 23, при 5 В.

Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 1–100% при Vin = 5 В; < 4 мкс до начала полной стабилизации

Рис. 23. Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 1–100% при Vin = 5 В; < 4 мкс до начала полной стабилизации

Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 1–100% при Vin = 3,3 В; приблизительно 9 мкс до начала полной стабилизации

Рис. 24. Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 1–100% при Vin = 3,3 В; приблизительно 9 мкс до начала полной стабилизации

Наличие значительных биений в ходе коммутации или выполнение ручных подключений для добавления/вычитания нагрузок может затруднить выделение «полезного» изменения нагрузки. Достаточный объем памяти и высокая частота дискретизации прибора RTO позволяют захватывать несколько событий коммутации и предоставляют возможность увеличения отображения отдельного события, обеспечивая полный обзор характеристик при изменении нагрузки.

Поскольку понижающие преобразователи постоянного тока, как правило, не уменьшают ток, их способность адаптироваться к уменьшению нагрузки в значительной степени зависит от частоты коммутации и выходной емкости; более высокая частота коммутации и более низкая выходная емкость обычно приводят к уменьшению времени отклика при уменьшении нагрузки. На рис. 25 показан график со значительно более медленным откликом при снижении нагрузки по сравнению с откликом понижающего преобразователя постоянного тока при увеличении нагрузки.

Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 100–1%; приблизительно 90 мкс до достижения точки стабилизации

Рис. 25. Изменение нагрузки модуля TPS62090 в диапазоне 100–1%; приблизительно 90 мкс до достижения точки стабилизации

 

Пульсации, шумы и их спектр

Выходное напряжение источников питания имеет шумовую компоненту и пульсации, вызванные работой выпрямителя и ШИМ-коммутатора. Они могут оказаться причиной сильных помех для высокочувствительных устройств — радиоприемников и усилителей. Поэтому необходим спектральный анализ выходного напряжения в частотной области. Режим Power обеспечивает (в дополнение к стандартному анализу) получение «быстрого» спектра при параметрах, характерных для источников питания.

Для тестирования осциллограф подключается к выходу источника (рис. 26) и обычно используется с закрытым входом для отделения пульсаций и шумов от постоянной составляющей выходного напряжения (рис. 27).

Виртуальная панель контроля выходного напряжения

Рис. 26. Виртуальная панель контроля выходного напряжения

На рис. 27 показаны характерные пульсации выходного напряжения преобразователя с ШИМ. Они имеют форму пилы с малой амплитудой.

Осциллограмма пульсаций выходного напряжения импульсного преобразователя

Рис. 27. Осциллограмма пульсаций выходного напряжения импульсного преобразователя

При активизации кнопки Spectrum на рис. 8 строится быстрый спектр пульсаций и шумов в заранее установленном опцией масштабе. Для анализа спектра тока активизируется кнопка Harmonic. На дескрипторе Output Spectrum Result кратко отображаются результаты спектрального анализа (рис. 28).

Быстрый спектр выходного напряжения преобразователя и его дескриптор Output Spectrum Result

Рис. 28. Быстрый спектр выходного напряжения преобразователя и его дескриптор Output Spectrum Result

После активизации дескриптора, включения усреднения (Average) и подбора полосы разрешения можно получить спектр в достаточно четком виде (рис. 29).

Окно отображения спектра пульсаций выходного напряжения; осциллограмма усреднена по 20 измерениям

Рис. 29. Окно отображения спектра пульсаций выходного напряжения; осциллограмма усреднена по 20 измерениям

В преобразователях с ШИМ наблюдаются сигналы различной формы — треугольные, пилообразные, прямоугольные и т. д. Их часто удобно исследовать в частотной области (рис. 30). Здесь применен линейный масштаб спектра и выведена виртуальная панель установки параметров спектра.

Спектр несимметричного пилообразного сигнала в линейном масштабе с выводом панели установок спектрального анализа

Рис. 30. Спектр несимметричного пилообразного сигнала в линейном масштабе с выводом панели установок спектрального анализа

На рис. 31 показан спектр симметричного треугольного сигнала в логарифмическом масштабе. Теоретически он имеет только нечетные гармоники. Но высокая чувствительность в логарифмическом масштабе позволяет легко обнаруживать и четные гармоники реального спектра.

Спектр треугольного сигнала в логарифмическом масштабе

Рис. 31. Спектр треугольного сигнала в логарифмическом масштабе

Импульсы на коммутаторе обычно имеют прямоугольную форму. Их спектр в линейном масштабе показан на рис. 32. Спектр близок к теоретическому, а вид пиков зависит от выбора окна спектрального анализа и полосы частот разрешения RBW. При малых RBW пики спектра превращаются в вертикальные отрезки прямой (как на рис. 28).

Спектр прямоугольного сигнала в линейном масштабе

Рис. 32. Спектр прямоугольного сигнала в линейном масштабе

Спектр с более высоким динамическим диапазоном обеспечивает логарифмический масштаб его представления (рис. 33).

Спектр прямоугольного сигнала в логарифмическом масштабе с выводом панели установок спектрального анализа

Рис. 33. Спектр прямоугольного сигнала в логарифмическом масштабе с выводом панели установок спектрального анализа

 

Подготовка отчета по тестированию

Опция R&S RTO-K31 содержит ряд функций для задания формата и содержимого создаваемых отчетов. Документация может выводиться в форматах RTF или PDF, что обеспечивает простоту обмена отчетами; RTF предоставляет возможность дополнительной «персонализации» содержимого и формата отчетов (рис. 34, 35). В один отчет может быть включено несколько экземпляров каждого типа тестирования; из всех сохраненных в сеансе тестирования результатов могут быть выбраны отдельные результаты тестирования.

Панель настроек отчета Layout (формат)

Рис. 34. Панель настроек отчета Layout (формат)

Панель выбора содержимого формирователя отчета

Рис. 35. Панель выбора содержимого формирователя отчета

На рис. 36 показана страница отчета формата RTF, сформированная с применением опции R&S RTO-K31 при тестировании преобразователя (рис. 6). Отчет достаточно подробно отражает результаты тестирования.

Пример страницы отчета

Рис. 36. Пример страницы отчета

 

Заключение

Осциллограф R&S RTO — прекрасный пример инструмента, хорошо подходящего для тестирования источников электропитания в основном малой и средней мощности, включая импульсные источники с ШИМ. Опция R&S RTO-K31 упрощает тестирование и исследование таких источников.

Литература
  1. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю. / Под ред. проф. Дьяконова В. П. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. М.: СОЛОН, 2002.
  2. Дьяконов В. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор // Силовая электроника. 2011. № 3.
  3. Бачурин В. В., Дьяконов В. П., Левин А. Б., Смердов В. Ю. Мощные высоковольтные ключевые МДП-транзисторы для бестрансформаторных источников питания // Электричество. 1986. № 3.
  4. Осциллографы цифровые R&S RTO. Руководство по эксплуатации. Rohde & Schwarz, 2014. rohde-schwarz.com
  5. Роланд Б. Предварительный анализ характеристик импульсного источника питания постоянного тока. Указания по применению. Rohde & Schwarz, 2014. rohde-schwarz.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *