스위칭 컨버터의 안정성 검증은 모든 전원 설계에 중요합니다. 주파수 루프와 부하 과도응답은 스위칭 컨버터 안정성을 보장하기 위해 자주 사용되고 있습니다. 설계 검증에서 주파수 루프 응답의 중요성이 더욱 강조되고 있지만, 과도응답도 여전히 많이 사용되고 있습니다. 부하 과도응답은 또한 시간의 경과에 따른 PWM(Pulse Width Modulation)에 대한 포지티브 듀티 사이클을 시각화하여 개선할 수 있습니다. 최신 오실로스코프는 이러한 기능을 제공할 뿐만 아니라 확인되지 않은 컨버터 효과를 식별해줍니다.
전원공급장치 설계는 안정적인 정상 작동을 보장하기 위해 루프 안정성에 대한 검증이 필요합니다. 오늘날에는 컨버터 루프 안정성을 측정할 때 가장 먼저 주파수 루프 응답을 적용합니다. 주파수 루프 응답은 개방 루프에서 넓은 주파수 범위에 대한 게인과 위상을 측정할 때 작은 사인파 신호를 루프로 주입하는 방식의 작은 신호 AC 분석을 이용합니다.
Bode plot 다이어그램에서 주파수 대비 측정된 게인 및 위상값을 그려 게인 마진, 위상 마진, 크로스오버 주파수를 직접 확인할 수 있습니다. 부하 스텝 응답 테스트에서는 큰 전류 스텝을 적용한 다음 전압 응답을 측정 및 분석해야 합니다.
큰 신호 측정은 개방 루프 시스템과 매우 다른 폐쇄 루프에서 수행합니다. 컨버터 안정성을 추정 및 확인하기 위해 출력 전압을 시간 도메인에서 분석해야 합니다. 그림 1의 예에서는 부하 과도 응답을 테스트하기 위해 스텝-다운 컨버터를 사용합니다.
부하 전류를 빠르게 변경할 때에는 부하 스텝 발생기를 컨버터 출력 단말에 연결하는 것이 중요합니다. PWM 신호가 제어 루프의 발전 기능을 제어하므로 확인되지 않은 효과를 시각화할 때 부하 스텝 중 포지티브 듀티 사이클을 측정하면 부하 과도응답을 개선할 수 있습니다.
이러한 측정을 수행하려면 전체 레코딩 시간에 걸쳐 포지티브 듀티 사이클을 높은 샘플 레이트로 측정할 수 있는 기기가 필요합니다. 사이클별 측정을 시간 대비 파형으로 표시해야 합니다.
R&S®MXO 5 Oscilloscope는 높은 PWM 스위칭 주파수에서도 긴 레코딩 시간에 걸친 포지티브 듀티 사이클을 측정할 수 있으므로 이와 같이 까다로운 작업에 적합합니다. 가장 필요한 것은 충분한 대역폭, 높은 샘플링 레이트, 대량의 메모리입니다. 획득의 모든 포지티브 듀티 사이클을 사용하여 트랙의 전체 획득에 걸친 변동을 시각화할 수 있습니다. 단일 사이클 내 각 측정에 대한 트랙을 시간 경과에 따라 표시할 수 있습니다. 트랙 파형에 포함되는 일반적인 부하 과도 파형이 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2는 연속적인 3개 부하 스텝에 대한 표준 출력 전압과 전류 파형을 나타냅니다. 컨트롤러 출력에 대한 포지티브 듀티 사이클로 표시되어 있으며 트랙을 만드는 데 사용되었습니다. 이론적으로 듀티 사이클이 발전을 조절하면서 일정한 출력 전압을 유지하므로 트랙 파형은 출력 전압 파형을 미러링합니다.
풀 브릿지 토폴로지의 동기 정류형 DC/DC 스위칭 컨버터로 트랙 기능을 보여줄 수 있습니다. 고립형 컨버터가 100 kHz 스위칭 주파수에서 작동하며 48 V 입력 전압을 12 V 출력 전압으로 변환합니다. 출력 전류는 최대 8 A로 설정되어 있으며 출력 부하 스텝은 전자 부하로 생성됩니다.
기기 셋업
컨버터 출력에 부하 스텝을 적용하기 전 포지티브 듀티 사이클을 트랙 파형으로 시각화하기 위해 몇 가지 작업을 미리 완료해야 합니다:
과도 부하 측정
셋업을 완료한 후에는 낮은 전류값(최대 부하의 20%)과 높은 전류값(최대 부하의 80%) 사이의 부하 스텝을 적용하기 위한 전자 부하를 구성합니다. 트리거가 유효한 트리거 조건을 탐지하는 즉시 그림 3과 같은 파형이 화면에 나타납니다. 상단 창에는 두 부하 스텝의 획득이 각 방향으로 표시됩니다. 출력 전압은 채널 1에서 측정되며 출력 전류는 채널 2에서 측정됩니다. PWM 제어 신호(채널 3)와 포지티브 듀티 사이클에 대한 트랙 파형도 표시됩니다.
확대/축소 창에는 다시 평형 상태 작동을 시작하기 전 약 300 μs 동안의 출력 전압 강하가 표시됩니다. 커서 기능이 평형 상태에서 측정한 20% ~ 80% 부하 간 차이는 2.4 mV에 불과합니다. 트랙 파형은 컨버터가 평형 상태로 전환된 후 다른 레벨(24%가 아닌 26%)을 보여줍니다. 이 차이는 그림 2에 나와 있는 대로 실행되지 않는 효과가 있음을 나타냅니다. 관련 정의와 이론에 따르면, 듀티 사이클은 부하 전류와 독립적이어야 합니다.
제어 이론에 따르면 2% 편차는 높은 출력 전압으로 인해 전도 손실이 높아진 때문으로 볼 수 있습니다. 높아진 손실은 주로 변압기와 출력 정류기에서 발생합니다. 추가 손실은 포지티브 듀티 사이클을 증가시켜 등화할 수 있으며 트랙 기능을 사용해 이와 같이 복잡한 측정 작업을 수행할 수 있습니다.
R&S®MXO 5 오실로스코프는 PWM 제어를 탑재한 모든 전력 컨버터에서 상세 분석을 통해 시스템 동작을 자세히 파악해야 할 경우 부하 과도를 검증하는 데 적합합니다. 대용량 스토리지, 트랙 기능과 같은 뛰어난 기능을 사용해 컨버터 작동을 자세히 파악할 수 있습니다.
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