电源转换器中的负载瞬态测试

电源转换器可能具有苛刻的负载行为。在整个规格范围内对转换器进行稳定性测试是任何转换器设计不可或缺的一部分。本文重点介绍在罗德与施瓦茨R&S®MXO 5 示波器上进行的转换器负载瞬态响应测量。

负载瞬态测试

开环频域测试是检查转换器稳定性的一种方法。可以在波特图中绘制跨频率的增益和相位裕度，并确定交叉频率等重要指标。这通常需要专门的设备。一种更简单的选择是通过将大信号阶跃负载施加到转换器并观察输出电压来对闭环进行时域研究。深入分析还涉及测量其他关键转换器响应，例如此瞬态期间和之后的 PWM 占空比响应。此测试可以突出显示转换器设计的几个方面，例如：

· 环路稳定性：例如，通过在负载上施加快速瞬变，任何过度振铃都可能指示较差的相位裕度并给出带宽的估计。

· 输入电源稳定性：负载瞬变会在输入轨上产生振铃。

· 电路板布局：当负载与转换器有一定距离时，寄生阻抗会产生振铃和电压降。

· 斜率补偿：在高占空比应用中，斜率补偿可用于避免次谐波振荡。不正确的电感值会在负载瞬变期间产生次谐波开关，这可检测为不规则的转换器占空比。

DC/DC 转换器测试示例

测量 PWM 占空比以及在高采样率和长记录周期下跟踪变化的能力是突出上述一些问题的基本要求。足够的带宽、大内存和高采样率是一些关键要求。R&S®MXO 5 示波器满足这些测试需求。其一些主要功能包括：

· 4 通道系统的带宽为 350 MHz – 2 GHz，8 通道版本的带宽为 100 MHz – 2 GHz。

· 更新率> 450万波形/秒。

· 标准存储深度5亿点/通道

· 高达 5 Gsamples/s 的采样率，配备通道专用的 12 位 ADC，以及高清模式，可将垂直分辨率增强至 18 位。

· 先进的数字触发器，灵敏度可调至 0.0001 div，触发抖动 < 1ps。

· 连续采集之间的盲区时间小于 21 纳秒，示波器可以保持采集速率，最多可激活 4 个通道，不会因可视化而中断。基本测量和数学函数均采用硬件加速。

一个在负载瞬态测试中使用的例子是在 48/12 V DC-DC 全桥降压转换器上演示的，该转换器的开关频率为 100 kHz，最大负载电流为 8 A。电子负载配置为施加最大负载电流的 20% 至 80% 的负载阶跃。电子负载阶跃发生器的一个示例是 MOSFET，由脉冲发生器驱动，该脉冲发生器在其输出端打开和关闭负载电阻。正占空比测量被激活，记录长度足以捕捉低-高以及高-低阶跃序列。此测试捕获的波形如图 1 所示。

图 1：负载瞬态阶跃的示波器波形(来源：Rohde & Schwarz)截图

在此捕获中，通道 1 描绘输出电压，通道 2 描绘输出电流，通道 3 描绘 PWM 控制器开关波形。跟踪的 PWM 正占空比也以粉色显示。顶部波形显示整个步进序列，而底部的缩放窗口更详细地显示了低高步进负载瞬变。缩放窗口显示输出电压下降约 300 µs，然后恢复到稳定状态。

20% 和 80% 负载之间的稳态偏差仅为 2.4 mV。电压降是输出电容器放电的典型特征。较高的输出电流会导致输出变压器和整流器的损耗更高。跟踪波形显示，负载瞬变后占空比从 24% 变为 26%。较高电流下的额外损耗由这一变化补偿。设计人员可以使用此信息来优化设计，并确保转换器在整个负载瞬变斜率和水平范围内都具有稳定性。