负载瞬态响应——增强环路稳定性测试

您的任务

电源设计必须验证环路稳定性，以保证操作正常且稳定。目前，频率环路响应是测量转换器环路稳定性的首选方法。频率环路响应采用小信号交流分析方法，将小正弦信号注入环路，进而在开环中测量宽频率范围内的增益和相位。

测量的增益和相位值与频率绘制成波特图，便于直接确定增益裕量、相位裕量和交叉频率。负载阶跃响应测试应用大电流阶跃，并需要测量和分析电压响应。

大信号在不同于开环系统的闭环中进行测量。输出电压需在时域进行分析，以估计和确定转换器稳定性。图 1 中的示例使用降压转换器测试负载瞬态响应。

负载电流快速变化时，需要将负载阶跃发生器连接至转换器输出端。PWM 信号在控制环路中控制动力装置，测量负载阶跃期间的正占空比可以增强负载瞬态响应，同时直观显示未知影响。

这种测量需要使用仪器在整个记录期间以高采样率测量正占空比。逐周期测量必须显示为一段时间内的波形。

罗德与施瓦茨解决方案

R&S®MXO 5 示波器非常适合这种挑战性任务，即使在较高的 PWM 开关频率下也能测量长记录期间的正占空比。测量需要大带宽、高采样率和大存储容量。一次采集中的所有正占空比可用于通过跟踪轨迹显示整个采集过程中的变化。可以显示一段时间内单周期中每次测量的跟踪轨迹。图 2 显示了跟踪波形中包含的典型负载瞬态波形。

图 2 显示了三个连续负载阶跃的标准输出电压和电流波形。图中还显示了控制器输出的正占空比，并将其用于创建轨迹。理论上而言，占空比会调节动力装置以维持恒定输出电压，因此跟踪波形反映出输出电压波形。

应用

结合全桥拓扑和同步整流的直流-直流开关转换器具有跟踪功能。此独立转换器的开关频率为 100 kHz，能够将 48 V 输入电压转为 12 V 输出电压。最大输出电流设为 8 A，并通过电子负载生成输出负载阶跃。

设备设置

在转换器输出端应用负载阶跃之前，需要先执行其他操作以便将正占空比显示为跟踪波形：

• 设置通道，并选择探头
• 定义触发以捕获控制器输出端的负载阶跃事件
• 激活正占空比测量功能，并定义参考电压百分比（例如 20%、50%、80%）
• 必须定义至少 100 Msample/s 的采样率，以准确测量具有陡峭边沿的 PWM 信号
• 充分设置记录长度以采集整个序列（至少一个从低到高的电流阶跃和一个从高到低的电流阶跃）
• 使用测量子菜单激活跟踪功能，并优化垂直刻度

测量瞬态负载

设置完成后，配置电子负载以在低电流（最大负载的 20%）和高电流（最大负载的 80%）之间应用负载阶跃。如图 3 所示，一旦触发检测到有效的触发条件，屏幕上将出现波形。顶部窗口显示采集两个不同方向的负载阶跃。测量通道 1 的输出电压和通道 2 的输出电流。屏幕上还显示 PWM 控制信号（通道 3）和正占空比的跟踪波形。

缩放窗口显示输出电压仅下降约 300 µs，随即恢复稳态操作。光标功能测量显示，稳态下 20% 和 80% 负载之间的偏差仅为 2.4 mV。转换器进入稳态后，跟踪波形显示不同结果（26% 而非 24%）。偏差显示出影响，不符合图 2 所示的预期结果。相关定义和理论表明，占空比应与负载电流无关。

根据控制理论，2% 偏差源于高输出电流引起的高传导损耗。高损耗主要来自变压器和输出整流器。需要提高正占空比来均衡附加损耗，跟踪功能支持这种复杂的测量任务。

总结

R&S®MXO 5 示波器非常适合通过 PWM 控制来验证电源转换器的负载瞬态，并详细深入地分析系统行为。大存储容量和跟踪功能等优越特性有助于用户详尽探索和了解转换器操作。