广告

如何测试电源的负载瞬态响应?

时间:2022-01-26 03:04:43 作者:泰克科技 阅读:
许多电子设备都包含了计算和无线连接功能,这些功能电路常常表现出很重的脉冲负载特性。面对快速变化的脉冲负载,全新的DC/DC转换器需要具有快速的环路响应特性来维持输出电压的稳定。为了测试这种类型的转换器,拥有能够生成与最终应用类似的快速变化的负载工具是很重要的。
广告

负载瞬变测试是检查功率转换器表现的一种快速方法,它可以反映出转换器的调整速度,能将转换器的稳定性问题凸显出来。转换器的负载调整特性、占空比极限、PCB布局问题和输入电压的稳定性也可经此测试快速显现出来。

许多电子设备都包含了计算和无线连接功能,这些功能电路常常表现出很重的脉冲负载特性。面对快速变化的脉冲负载,全新的DC/DC转换器需要具有快速的环路响应特性来维持输出电压的稳定。为了测试这种类型的转换器,拥有能够生成与最终应用类似的快速变化的负载工具是很重要的。

对于具有比较稳定的负载的通用型DC/DC转换器来说,快速的回路响应特性是不需要的,因而也不必进行负载瞬态响应特性的测试。但在把快速阶跃变化的负载施加到一个稳压器上时,必然在很宽的频带内对调节回路造成冲击,在某些情况下甚至可能逼迫它们运行在控制回路的极限之下。通过将一个快速变化的阶跃负载施加到一个转换器的输出端,再对其输出电压的响应过程进行分析,可让我们快速而且容易地知道这个转换器在面临这样的状况时能否维持其输出电压的稳定,同时也能凸显出可能存在的环路稳定性问题、电源供应的稳定性问题、斜坡补偿问题、负载调节性能和PCB布局问题。

图中显示了一个电流模式Buck转换器在其负载发生1A快速跳变时典型的响应过程,其输出电压正常值VOUT NOM = 3.3V。

电流模式转换器对负载的阶跃变化不能做出即时响应,所以,当负载发生阶跃变化的时候,供给负载的电流最初是来源于输出电容里的储能。面对负载的快速跳变,输出电容的ESR和ESL首先起作用,在输出电压上表现为一个不大的跳变和尖峰,然后才是输出电容放电的开始,这将造成输出电压的下沉。输出电压的下降将被误差放大器感知到,相应地,这将导致VCOMP的上升,这又会增加开关Q1导通的占空比,电感电流因此增大以满足负载增大了的需要。在此过程关中,电压下沉的幅度和恢复的时间将取决于多种因素:输出电容的大小,负载电流跳变的幅度和它变化的速度dI/dt,误差放大器的补偿水平和整个控制回路的带宽。

抛开由ESR和ESL造成的尖峰来看,转换器的阶跃响应过程在这个案例中看起来是非常平滑的,这表明此转换器的表现是稳健的。响应过程中的电压下沉幅度为75mV,相当于输出电压的2.2%,这对大部分3.3V的电源供应来说是可以接受的。需要注意的是,如果我们使用的输出电容是低ESR的MLCC,由ESR所造成的跳变通常就看不出来。

可能影响转换器面对负载阶跃的响应过程的情形大概有这些:

1. 不稳定的控制回路:当控制回路调整得不好时,转换器的控制作用可能过头,快速负载阶跃可能导致输出电压的颠簸或是存在振铃现象,某些情况下甚至可能进入振荡状态。

2. 不稳定的电源供应:转换器输出端的负载跳变会导致转换器输入端的电源供应器的负载跳变。假如电源供应器的稳定性不好,或者是与转换器匹配得不好,则电源供应器自身就可能振荡起来,这必然会传递到转换器的输出端,看起来就像转换器的控制回路不稳定一样。

3. 斜坡补偿问题:电流模式转换器采用斜坡补偿方法避免高占空比应用中可能出现的次谐波振荡。为了让斜坡补偿工作正常,适当程度的电感电流纹波是必须的。电感选择不当会导致不当的电流纹波,并在遇到阶跃负载时出现不稳定的次谐波。

4. 在占空比极限下工作:当转换器在靠近最小/最大占空比的状态下运行时,负载的快速阶跃变化将使转换器触及占空比的极限,这将导致输出电压下沉或上冲过度,某些时候甚至会造成转换器运作在保护模式下。

5. PCB布局问题:假如由于PCB布局而造成的阻抗出现在转换器的小信号环节和功率环节上,电压的耗损和噪声的耦合就会发生,这将劣化转换器对阶跃负载的响应特性。假如负载处在远离转换器的地方,多出来的路径阻抗会在负载增加时导致电压的下沉,劣化转换器的负载调整性能。此外,当负载发生跳变时,路径电感也能导致振铃信号的出现。

下图显示了一个3.3V / 3A转换器负载阶跃响应较差和良好的例子。左边的例子显示调节器输出电压在负载暂态后出现严重的振铃现象,说明控制回路具有边际稳定性。在大多数情况下,这与反馈回路补偿结合输出电容值有关。

测试的实施:客户这边之前的产品没有测试过这个参数,批量生产后发现后端MCU在现场大量过压损坏。后更换DCDC芯片,厂商说绝对不会有类似问题。但是客户还是不放心,希望我们可以协助测量一下。

我们采用了如下的测试方案:

一个受脉冲发生器控制其通/断的MOSFET开关。MOSFET开关的切换速度可用其栅极的可选的RC网络进行调节;MOSFET漏极连接的电阻R2可根据需要的动态负载调节幅度进行选择;电阻R1用于设定负载阶跃的静态基点。负载电流的阶跃变化可通过示波器的电流探头进行测量,对转换器输出电压的测量则需要在输出电容或是负载点上进行。

使用AFG31252产生一个快速脉冲, AFG31252可以轻松产生4ns的上升或者下降边沿。

我们的测试环境搭建完毕:

我们使用了这款DCDC的评估板,这是一款只到52V的耐压的BUCK的开关稳压器,评估板很贴心的使用了BNC接口,方便我们对纹波和 Load Transient进行测量。

我们看到,这颗芯片肯定做过非常特殊的处理。当负载发生大幅度快速阶跃时几乎完全没有电压过冲发生。这一定是对于电压敏感型负载特殊优化过,这对于一些需要DCDC后面直接带MCU这种对电压要求很敏感的需求来说非常重要。

我们打开波形,可以看到,得益于AFG31000系列的4ns的上升速度和TCP0030A高速电流探头的120Mhz带宽,得以观测到,这个电流快沿时间速度高达1.6A/us !

这样就够了么?可以告诉客户,放心用,不会再烧后端了。并没有!

通过手册我们得知,由于这颗芯片支持多模式开关方式切换,为了可以在各种工作电流情况下都得到最优的效率。

所以我们还需要继续测试在各种模式转换过程中,是否存在过压发生。

经过对于多种工况的负载条件测试,基本都没有发现严重的过压情况发生,文中采用的仪器组合如下表。

 

主要设备名称 推荐型号 主要技术指标 系统应用
示波器 TBS2104 四通道100Mhz 1、快沿测试2、高速电流测试3、动态响应测试
探头 TCP0030A 120Mhz 30A电流探头  
函数发生器 AFG31252 双通道250Mhz函数发生器  

 

责编:Luffy
  • 苹果芯片团队负责人谈疫情期间如何“远程”研发芯片 翰尼·斯鲁吉(Johny Srouji)的芯片团队最初大约由45名工程师组成,目前该团队已有超过1000名工程师分布在世界各地。苹果 Mac 和 MacBook 产品线的复兴很大程度上归功于他们,让 Apple Silicon 芯片能够超越竞争对手。
  • 无线充电中精确的异物侦测 无线充电为供电端(以下简称 TX)以电磁波形式传递能量到受电端(以下简称RX),即电力不经过导体由TX传送到RX。其电磁波能量依操作频率之特性对介质有不同反应,市售无线充电产品其工作频率不超过10MHz......
  • 网球运动的物理学 如同针对其他运动一样,研究并应用网球运动中简单和复杂的物理现象是很有趣的。例如惯性矩、弹性碰撞和动量等概念,都是在一场比赛中的固定部份。网球运动员所需的技术准备也考虑了物理学,多亏了击球点/冲击点(point of impact)、平衡、惯性和质量等物理学概念,多数的训练技巧都是以此为基础的。
  • 如何利用示波器实现指数时间常数测量 如今,随着技术的发展,数字示波器拥有越来越多的测量参数和强大的测量计算能力,并内置了很大的灵活性,因此工程师可以利用现有的测量工具进行各种衍生测量。本文就针对具体实例,阐述了如何利用标准时间常数测量参数,实现时域的指数时间常数的测量。
  • 利用电流互感器作为低成本非侵入式定时触发器 如今,步进电机已广泛应用于工业仪器设备等各类应用中,但步进电机的运动检测是一个问题。本文介绍了电机运动检测的限制,并介绍了一种独特的设计-电感耦合触发电路,可以通过选择合适的磁芯材料来满足各种带宽要求。
  • 开发板历史及与单板计算机(SBC)的区别,未来或成最终产 在本文中,我们将解释“开发板”这个术语的含义,首先需要明确定义开发板的含义以及它们与单板计算机的区别。如今,单板计算机主要分为两类:专有型和开源型……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。
  • CST92F25:高集成度 低功耗BLE5.0芯 随着无线通信技术的快速迭代,智能家居逐渐走进了千家万户。市场上最常见的无线通信技术主要有三种:Wi-Fi、Zigbee和BLE。三者各有优势,在应用场景上互为补充。CST92F25是芯海科
  • 曦智科技沈亦晨入选2022达沃斯世界 日前,达沃斯世界经济论坛公布了2022年“全球青年领袖”名单,曦智科技创始人兼首席执行官沈亦晨博士获选,他将与来自全球42个国家的其他109位青年领袖一起,加入到为期三年的领导力培训项目中,从不同领域为全球发展发挥更大的影响力。
  • IPCAPEXEXPO2023技术论文征集 即将于圣地亚哥举办的IPC APEX EXPO 2023正接受技术论文演讲、海报和专业发展课程的摘要投稿!IPC APEX EXPO是电子制造业的顶级盛会。技术会议及专业发展课程是整个展会中最为精彩的
  • 电子元器件知识|电容器组接线方式和作用 点击上方“皇华电子元器件”关注我们容器组的接线模式应根据电容器的电压、保护模式和容量进行选择,通常包括三角形接线和星形接线。当电容器的额定电压与网络的额定电压一致时,应采用三角形接线;当电容器的额定电
  • 疫情影响,苹果考虑采取行动分散供应链  中国半导体论坛 振兴国产半导体产业!   点击链接:2022春季半导体线上招聘会开始啦!4月22日消息,据报道,根据分析师郭明錤一份新报告,由于 COVID-19 病例的增加,中国大陆不断疫情封锁,
  • 医疗企业齐聚GTC,竞相发布创新AI加速应用和医疗设备 几十家医疗创新企业在 GTC 上齐聚一堂,展示其工作并发布新的 AI 加速应用和医疗设备。医疗行业分会的演讲者来自阿斯利康、梅奥诊所、美敦力、荷兰癌症研究所和辉瑞公司以及 50 多家来自 NVIDIA
  • 为什么RFID可以称之为完美型无源IoT技术丨100+企业最新调研成果视频直播 本文来源:物联传媒无论是互联网巨头,还是家电龙头,又或者是手机大厂,芯片新贵都将目光重点瞄向了IoT。因IoT涵盖内容丰富,市场上涌现出了各种各样的IoT技术,每一种技术都有自己的特点与适用场景。那市
  • 比亚迪与地平线宣布合作,2023年部分上市车型将搭载征程5芯片 从地平线处获悉,4月21日,比亚迪与地平线正式宣布达成定点合作,比亚迪将在其部分车型上搭载地平线自动驾驶芯片征程 5,打造行泊一体方案,实现高等级自动驾驶功能。按照计划,搭载地平线征程 5 的比亚迪车
  • 天文学家发现了迄今为止最遥远的星系 点击蓝字 关注我们SUBSCRIBE to USHarikane et al.近日,一个发光的红色天体被确定为迄今为止发现的最遥远的星系。天文学家发现,这个星系在宇宙大爆炸后仅3.3亿年就存在了。4月
  • 上海666家重点企业70%已实现复工复产! 点击上方“皇华电子元器件”关注我们据上海发布官微消息,今天(4月22日)上午举行的上海市疫情防控工作新闻发布会上,上海市副市长张为向市民介绍了上海全市企业复工复产工作的总体情况。其中提到,一周以来,6
  • 由理想遭退市警告与国内新能源汽车行业动向引发的思考 理想突遭退市风险4月22日,美国证券交易所(SEC)将理想汽车、百世、贝壳等企业也列入了“预摘牌”名单。名单内的公司有:知乎,诺华家具, LOVARRA,万春医药,瑞幸咖啡,极光移动,科学能源,中国食
  • 北方华创招聘!  中国半导体论坛 振兴国产半导体产业!   点击链接:2022春季半导体线上招聘会开始啦!公司简介北方华创科技集团股份有限公司是由北京七星华创电子股份有限公司和北京北方微电子基地设备工艺研究中心有限责
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了