Medições de resposta do loop de controle da fonte de alimentação (diagrama de Bode)

Sua tarefa

Para garantir a estabilidade dos reguladores de tensão e das fontes de alimentação chaveadas (por exemplo, conversores buck multifásicos), a resposta de loop de controle deve ser medida e caracterizada. Um controlador de tensão com boa compensação possibilita tensões de saída estáveis e reduz a influência das mudanças de carga e das variações da tensão de alimentação. A qualidade deste circuito de controle determina a estabilidade e a resposta dinâmica de todo o conversor CC/CC.

A solução da Rohde & Schwarz

Analise com facilidade e rapidez a resposta de baixa frequência no seu osciloscópio com a opção de análise de resposta em frequência (gráfico de Bode) R&S®MXOx-K36. Caracterize a resposta em frequência de uma variedade de produtos eletrônicos, incluindo circuitos de amplificador e filtros passivos. Meça a resposta do loop de controle e o índice de rejeição de fontes de alimentação chaveadas. A opção R&S®MXOx-K36 usa o gerador de formas de onda integrado do osciloscópio para criar sinais de estímulo que variam em frequências de 10 mHza 100 MHz. Medindo a relação entre a entrada e a saída do sinal do dispositivo em teste em cada frequência de teste, o osciloscópio representa o ganho logaritmicamente e a fase linearmente.

A opção de análise de resposta em frequência R&S®MXOx-K36 permite determinar rapidamente a margem de ganho e de fase de fontes de alimentação chaveadas ou de reguladores lineares. Essas medições ajudam a determinar a estabilidade do ciclo de controle.

A opção R&S®MXOx-K36 exibe a resposta do sistema a alterações nas condições de operação, como alterações na tensão de alimentação ou na corrente de carga.

Configuração de medição

Os loops de controle da fonte de alimentação comparam a tensão de referência (V_ref) e tensão de realimentação (V_feedback) e criam uma realimentação negativa para garantir uma tensão de saída estável.

O teste de resposta do loop de controle requer a injeção de um sinal de erro em uma banda de frequências no caminho de realimentação do loop de controle. Para injetar um sinal de erro, é preciso inserir um pequeno resistor no ciclo de realimentação. O resistor de injeção de 5 Ωmostrado no gráfico, escolhendo o ponto de injeção correto na próxima página é insignificante em comparação com a impedância em série do R1 e R2. Alguns usuários optam por projetar permanentemente neste resistor de injeção de valor baixo (R_injection) para fins de teste. Um transformador de injeção, como o J2100A da Picotest, isola o sinal de distorção de CA e elimina qualquer polarização de CC.

Ponto de injeção e uso de sondagem

Para medir o ganho de um ciclo de realimentação de tensão, é preciso interrompê-lo em um ponto adequado. Um sinal de distorção é injetado nesse ponto. O sinal de distorção será distribuído no circuito do ciclo. Dependendo do ganho do ciclo, o sinal de distorção injetado será amplificado ou atenuado e deslocado de fase. Para a opção R&S®MXOx-K36, o gerador do osciloscópio gera o sinal de distorção. O osciloscópio mede a função de transferência do ciclo.

Para garantir que o ganho do ciclo medido corresponda ao ganho real, escolha um ponto adequado:

• Localize um ponto no qual o ciclo fique restrito a um único caminho para garantir que não haja nenhum fluxo de sinal paralelo.
• Assegure que a impedância na direção do ciclo seja significativamente maior que a impedância contrária nesse ponto. A impedância contrária é igual à impedância de saída do conversor, que é um valor bastante baixo no intervalo de alguns mΩ. A impedância na direção do ciclo é formada pelo compensador e pelo divisor de tensão e se encontra no intervalo de alguns kΩ.

A caracterização precisa da resposta do loop de controle depende do uso correto de sondas. As amplitudes de pico a pico de ambas as V_ine V_out(tensão de entrada e saída) podem ser muito baixas em algumas frequências de teste. Esses valores seriam reprimidos no ruído de fundo do osciloscópio e/ou no ruído de comutação do próprio dispositivo em teste. É por isso que aumentar o SNR das suas medições melhora significativamente o intervalo dinâmico das suas medições de resposta em frequência. A maioria dos osciloscópios costuma vir com pontas de prova passivas 10:1 que geram mais ruído. O uso de pontas de prova passivas 1:1 de baixo ruído reduzirá o ruído de medição e aprimorará o SNR. A Rohde & Schwarzrecomenda as pontas de prova passivas 1:1 R&S®RT-ZP1X com 38 MHzde largura de banda para esta aplicação.

A redução do comprimento da conexão de aterramento da sua sonda minimiza os ciclos indutivos de aterramento. Algumas vezes, o cabo de aterramento padrão da sua ponta de prova pode agir como uma antena e amplificar ruídos de comutação indesejados. Localize um poste de aterramento próximo dos pontos de teste Ventrada e Vsaída.

Utilize a mola de aterramento fornecida com a ponta de prova R&S®RT-ZP1X para reduzir a conexão de aterramento. Isso fornecerá um bom aterramento de baixo ruído para a sua medição.

Configuração do dispositivo
Depois de conectar o osciloscópio ao circuito em teste, inicie a aplicação:

• Defina as frequências de parada e início entre 10 mHze 100 MHze determine o nível de saída do gerador.
• Configure os pontos por décadas para melhorar e modificar a resolução da sua aquisição. O osciloscópio oferece suporte a até 500 pontos por década.
• Defina a amplitude da saída do gerador (até 100 fases) para suprimir a emissão de ruído do circuito em teste.
• Pressione executar para iniciar sua medição. Os resultados da medição são traçados como ganho/fase na frequência. Configure seus marcadores para seus pontos de interesse.

Resultados da medição
Os diagramas de Bode representam a função de transmissão do circuito e ajudam a verificar a estabilidade do sistema, exibindo o comportamento da amplitude (em dB) e as características de fase (em graus) em relação à frequência de entrada. Os marcadores individuais podem ser definidos diretamente para as posições desejadas no traço demarcado, juntamente com uma legenda que exibe as coordenadas do marcador. Para determinar a frequência de crossover, defina um marcador em 0 dB e o segundo marcador com um deslocamento de fase de –180°. Agora é fácil determinar a margem de fase e de ganho.

A tabela de resultados da medição fornece informações detalhadas sobre cada ponto medido (deslocamento de fase, frequência e ganho). Ao utilizar marcadores, a linha associada dos resultados na tabela fica destacada. Para relatórios, salve rapidamente capturas de tela, resultados da tabela ou ambos em um dispositivo USB.

Resumo

Os osciloscópios são as principais ferramentas de medição utilizadas atualmente pelos engenheiros para testar e caracterizar seus projetos de fontes de alimentação. A opção de análise de resposta em frequência (gráfico de Bode) R&S®MXOx-K36 oferece uma alternativa de baixo orçamento para analisadores de rede de baixa frequência ou analisadores de frequência autônomos específicos.