Resposta transiente de carga – Aprimoramento de testes de estabilidade de circuitos

Validar a estabilidade do conversor de comutação é fundamental para qualquer projeto de fonte de alimentação. As respostas de circuitos de frequência e transientes de carga são frequentemente usadas para assegurar a estabilidade do conversor de comutação. Apesar de a resposta de circuito de frequência estar ficando mais importante para a validação de projetos, a resposta transiente de carga ainda é frequentemente usada. A resposta transiente de carga também pode ser aprimorada por meio da exibição do ciclo de trabalho positivo para sinais de modulação por largura de pulso (PWM) ao longo do tempo. Um osciloscópio moderno pode fazer isso e também ajudar a identificar os efeitos desconhecidos do conversor.

Osciloscópio R&S®MXO 5
Osciloscópio R&S®MXO 5

Sua tarefa

Os projetos de fonte de alimentação precisam ser validados para estabilidade de circuito a fim de garantir uma operação adequada e estável. Atualmente, a resposta de circuito de frequência é a primeira opção para medir a estabilidade do circuito do conversor. A resposta do circuito de frequência usa uma análise de CA de sinais pequenos, em que um sinal senoidal pequeno é injetado no circuito para medir o ganho e a fase em uma ampla faixa de frequência de um circuito aberto.

Os valores de ganho e fase medidos são traçados com base na frequência em um diagrama de Bode a fim de obter diretamente a margem de ganho, a margem de fase e a frequência de convergências. Nos testes de respostas da etapa de carga, uma etapa de grande corrente é aplicada e, depois, a resposta de tensão precisa ser medida e analisada.

Figura 1: Instalação transiente de carga de um conversor descendente de etapa
Figura 1: Instalação transiente de carga de um conversor descendente de etapa
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As grandes medições de sinais são realizadas em um circuito fechado, sendo bem diferentes das realizadas em sistemas de circuito aberto. A tensão de saída precisa ser analisada em um domínio do tempo para estimar e determinar a estabilidade do conversor. O exemplo na figura 1 usa um conversor descendente de etapa para testar a resposta transiente de carga.

A conexão do gerador de etapas de carga com um terminal de saída do conversor é crucial ao modificar rapidamente a corrente de carga. Como os sinais de modulação por largura de pulso controlam a geração de energia nos circuitos de controle, a medição do ciclo de trabalho positivo durante a etapa de carga pode aprimorar a resposta transiente de carga ao exibir os efeitos desconhecidos.

Essa medição exige um instrumento em que o ciclo de trabalho positivo possa ser medido com taxas de amostragem altas durante todo o período de aquisição. A medição de ciclo a ciclo precisa ser exibida como uma forma de onda ao longo do tempo.

Figura 2: Resposta transiente de carga
Figura 2: Resposta transiente de carga
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A solução da Rohde & Schwarz

O osciloscópio R&S®MXO 5 é ideal para essa tarefa desafiadora, pois ele pode medir o ciclo de trabalho positivo durante um longo período de aquisição, mesmo em frequências de comutação de modulação por largura de pulso altas. É preciso ter largura de banda suficiente, taxa de amostragem alta e grande quantidade de memória. Todos os ciclos de trabalho positivos em uma aquisição podem ser usados para exibir as variações de toda a aquisição em um monitoramento. Os monitoramentos para cada medição em um único ciclo podem ser exibidos ao longo do tempo. A figura 2 ilustra uma forma de onda transiente de carga típica incluída na forma de onda de monitoramento.

A figura 2 mostra a tensão de saída padrão e as formas de onda de corrente de três etapas de carga consecutivas. Os ciclos de trabalho positivos da saída do controlador também são exibidos e usados para criar um monitoramento. Em teoria, a forma de onda de monitoramento reflete a forma de onda de tensão de saída, visto que o ciclo de trabalho regula a geração de energia para manter a tensão de saída constante.

Aplicação

Um conversor de comutação CC/CC em uma topologia de ponte completa com retificação síncrona demonstra a função de varredura. O conversor isolado opera em uma frequência de comutação de 100 kHz e converte uma tensão de entrada de 48 V em uma tensão de saída de 12 V. A corrente de saída é definida é estabelecida com um máximo de 8 A e a etapa de carga de saída é gerada com uma carga eletrônica.

Configuração do dispositivo

Antes de aplicar as etapas de carga na saída do conversor, primeiro é preciso realizar algumas tarefas para exibir o ciclo de trabalho positivo como uma forma de onda de monitoramento:

  • Uma instalação de canais com uma seleção de pontas de prova
  • Definição de um trigger para capturar eventos da etapa de carga na saída do controlador
  • Ativação da função de medição do ciclo de trabalho positivo e definição dos níveis de referência de porcentagem de tensão (por exemplo, 20%, 50% e 80%)
  • Uma taxa de amostragem suficiente ≥100 MS/s precisa ser definida para medir com precisão um sinal de modulação por largura de pulso com extremidades acentuadas
  • Um tempo de gravação suficiente para capturar uma sequência inteira (pelo menos uma etapa de corrente da mais baixa para a mais alta e outra da mais alta para a mais baixa)
  • Ativação da função de monitoramento dentro do submenu de medição e otimização do dimensionamento vertical

Medição da carga transiente

Após concluir a instalação, configure a carga eletrônica para aplicar uma etapa de carga entre um valor de corrente baixo (20% da carga máxima) e um valor de corrente alto (80% da carga máxima). Assim que o acionador detectar uma condição de trigger válida, as formas de onda aparecerão na tela conforme ilustrado na figura 3. A janela superior mostra a aquisição de duas etapas de carga em ambas as direções. A tensão de saída é medida no canal 1 e a corrente de saída é medida no canal 2. O sinal de controle de modulação por largura de pulso (canal 3) e a forma de onda de monitoramento do ciclo de trabalho positivo também são exibidos.

A janela de zoom mostra que a tensão de saída cai somente por cerca de 300 μs, antes de as operações retornarem ao estado estacionário. O desvio entre as cargas de 20% e 80% no estado estacionário é somente de 2,4 mV, conforme medido pela função de cursor. A forma de onda de monitoramento mostra um nível diferente (26% em vez de 24%) após o conversor entrar no estado estacionário. O desvio revela um efeito que não atende às expectativas descritas na figura 2. De acordo com a definição e a teoria, o ciclo de trabalho deveria ser independente da corrente de carga.

Uma análise da teoria de controle mostra que o desvio de 2% é proveniente de perdas de condução maiores causadas pela corrente de saída superior. As perdas maiores são geradas, principalmente, no transformador e no retificador de saída. As perdas adicionais precisam ser equalizadas aumentando o ciclo de trabalho positivo para que a função de varredura permita que essa tarefa de medição complexa seja realizada.

Resumo

O osciloscópio R&S®MXO 5 é ideal para verificar os transientes de carga de qualquer conversor de potência com controle de modulação por largura de pulso em que uma análise mais aprofundada seja necessária para revelar os detalhes de comportamento do sistema. Os recursos excepcionais, como grande armazenamento de memória e funções de varredura, ajudam os usuários a localizar e compreender os detalhes da operação do conversor.

Figura 3: Instalação transiente de carga de um conversor descendente de etapa
Figura 3: Instalação transiente de carga de um conversor descendente de etapa