电源动态响应测试,什么样的波形算合格?

电源研发精英圈 2019-03-18 20:00

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电源动态响应测试,什么样的波形算合格?

1导读

概念

动态响应一般是指控制系统在典型输入信号的作用下,其输出量从初始状态到最终状态的响应。对某一环节(系统)加入单位阶跃输入x(t)时,其响应y(t)开始逐渐上升,直到稳定在某一定值上为止。响应y(t)在达到一定值之前的变化状态称为过渡状态(动态)。此称为动态响应。

工程师在设计电源时,动态响应是必不可少的一项测试指标。由于涉及环路问题一直是很多工程师的心病,下面从几个方面来谈一谈动态响应希望对大家有所帮助:

为什么开关电源需要测试动态响应?

电源动态响应的一般测试方法和要求

测试条件测试数据及示意图

测试步骤

什么样的结果算合格?

动态响应与什么有关?该如何整改?

2为什么开关电源需要测试动态响应?

开关电源都是给各种电子设备供电的,电子电路一般都需要一个即使在负载电流发生瞬变时,输出电压也能维持在特定容差范围内的电压源,以确保电路的正常工作。设计工程师必须在理解瞬态响应原理的基础上,利用正确的设计思路才能以较低的成本改善电源的瞬态响应性能。随着各种电子设备或微处理器工作速度和电流需求量的提高,当负载电流发生瞬态变化时,稳压器在指定范围内保持输出电压的能力成为一个广泛存在的困扰。典型CPU芯片的电源规范要求,即使负载电流在几百纳秒内发生10或20A的变化,供电电压仍然要保持稳定,要实现这个性能指标绝非易事。也是很多电源工程师遇到的比较棘手的问题。

3电源动态响应的一般测试方法和要求

输入、输出电压为一定值,比如AC220输入的电源,在AC176V、AC220V、AC264V时测试,输出负载在额定值的25%-50%-25%和50%-75%-50%变化,恢复时间≤200us时,输出电压的超调量≤输出电压整定值的±5%;恢复时间》200us,输出电压的超调量≤输出电压整定值负载调整率(即要求不能够超过输出电压整定值的±0.5%),当然有些波形太差或者声音太大客户都是不接受的,另外还有些要求严格的在温度极限或是输入最低和最高频率都得测试。


  注:恢复时间是指直流输出电压变化量上升至大于稳压精度处开始,会至小于等于并不超过稳压精度处止的这段时间。

4测试条件测试数据及示意图

输入:规格中定义的最小及最大输入交/直流电压,最小及最大交流频率

输出:规格中定义的动态负载电流条件及规格所允许的最小电容负载

温度:最低工作温度,常温及最高工作温度

示波器采样方式:一般设为Sample或Hi-res模式

测试示意图如下

负载设置(如下图示)

依规格要求设定负载电流的起、止点,负载电流的上升、下降速率(Slew Rate)及负载电流的变化周期;一般负载电流的上升和下降速度设置为2.5A/uS,变化周期一般为20ms。

开机后按规格要求,调整负载电流的变化周期(通过改变t1,t2)。

电源测试系列之输出动态响应(Output <wbr>Dynamic <wbr>Response <wbr>Test)

如下图中的各项数据:

电压值:Vo-max, Vovershoot, Vo-stable1, Vo-stable2, Vo-undershoot, Vo-min,

响应时间:tR1,tR2

参考值:t1, t2,Iomax,Io-min;或负载占空比,频率,Iomax,Io-min;

测量波形数据

如下图中的各项数据:

电压值:Vo-max, Vovershoot, Vo-stable1, Vo-stable2, Vo-undershoot, Vo-min,

响应时间:tR1,tR2

参考值:t1, t2,Iomax,Io-min;或负载占空比,频率,Iomax,Io-min;


5测试步骤

1)设定最低环境工作温度,最小输入电压/频率;对需做动态响应测试的输出,依规格要求设定其负载电流的起、止点,负载电流的上升、下降速率(Slew Rate)及负载电流的变化周期;其他输出负载按照Regulation Table要求设定;

2)开机后按规格要求,调整负载电流的变化周期(t1,t2),观察输出波形的变化;

3)记录使Vo-max、Vovershoot、Vundershoot及Vo-stable1最大,Vo-min及Vo-stable2最小的测试条件, 测量输出电压的各对应值及输出响应时间,并保存波形;

4)在步骤3的动态电流的变化周期下,改变其他输出负载条件,使Vo-max、Vovershoot、Vundershoot及Vo-stable1最大,Vo-min及Vo-stable2最小,测量并记录相应数据;

5)以步骤3及4找到的最差负载条件为负载,以待测电源所提供的各种开机方式开机(如AC on, PS_ON on);

6)依次改变测试条件(动态负载起始点,输入电压/频率及环境温度),重复步骤2、3、4、5;

7)同样方法测试其他输出动态响应。

6什么样的结果算合格?

各输出测量值符合规格要求:

不能有震铃(Ringing, 反馈回路欠阻尼)现象,

待测电源不可以损坏(Damaged/Broken down),

待测电源不可以工作不稳定,甚至关机(Shut down),

响应时间符合要求。

判定图例 1

如下图中的各输出测量值符合规格要求;虽有过阻尼,但可接受;


判定图例 2  

虽然如下图中的各输出测量值符合规格要求,但反馈回路欠阻尼(不稳定),故不能接

受。


上一个电源动态负载实测波形

7动态响应与什么有关?该如何整改?

动态负载特性,关系到环路的响应特性。好与差在动态负载时体现很明显。 
下供助相关资料阐述动态特性的特点与环路要求: 



关于动态特性的调整时间与带宽有关系,带宽越窄,调整越快;输出过冲与电路的阻尼系数有关系,阻尼系数越小,过冲越大

改善动态响应的对策参考:

适当改善反馈响应速率(如适当减小431上RC电路中的电容量、增加光耦电流、减小电流检测PIN脚上RC电路中的电容值),但需注意噪声、重载开机问题;另外,这一方案也受制于实际设计方案的选择:

PWM方式受最大占空比的限制(Flyback:约0.8,单端正激0.5,其他如Push-pull、Half-bridge,Full-bridge等为0.8,Boost为0.9等),因此设计初期最大占空比的选择就应当保留一定的余量;

PFM方式也受制于工作频率限制,以免产生噪声或EMI的问题;

在容许的情况下(较低的电容电压),尽可能让占空比或开关频率在动态情形下逐步增大,以避免如电流应力加大等问题;

增加输出电容容量或并联数量,适当降低输出储能电感的感量

电感中的电流不能突变,这是影响输出动态响应的关键,尤其在CCM模式的时候,因此,适当降低感量可以改善动态响应,但需要考虑轻载时的反馈稳定性问题(CCM转变成DCM会造成系统不稳定)

电容的电流可以突变,因此,可以考虑适当考虑增加电容容量或数量来改善,如果Layout空间允许的话。

采用多个变换器并联方案,但成本会较高,这在电流变化速率要求较高的场合(如CPU供电的3~6相V-core电路);

增加开关频率,以更快的速度传递能量,但需考虑元器件的频率特性、EMC及效率等问题;

以上的方案在实际应用中,需综合考虑。当然,也可能存在其他的解决方案,有待研究。

各位工程师如果有更多好的整改方法或者建议,欢迎在右下方留言哦。

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