负载瞬态响应----增强环路稳定性测试

验证开关转换器的稳定性对于电源设计非常重要，频率环路响应和负载瞬态响应被经常用于确保开关转换器的稳定性。虽然频率环路响应在设计验证中的地位日益凸显，但负载瞬态响应任被经常使用。通过观察脉宽调制（PWM）信号在一段时间内的正占空比变化，我们可以更深入地了解负载瞬态响应的情况。现代示波器不仅具备这样的功能，还帮助我们识别未知的转换器影响。

您的任务

在电源设计中为了确保操作正常且稳定，验证环路稳定性是至关重要的。目前，频率环路响应已经成为测量转换器环路稳定性的首选。这种方法通过小信号交流分析，将小正弦信号注入环路，测量开环状态下宽频率范围内的增益和相位。将测得的增益和相位值相对于频率绘制在伯德图中，以直接获得增益裕度、相位裕度和交叉频率。在负载阶跃响应测试中，需要施加大电流阶跃，然后需要测量和分析电压响应。大信号测量是在闭环中进行的，这与开环系统有很大不同。需要在时域中分析输出电压，以估计和确定转换器稳定性，图1是使用降压转换器来测试负载瞬态响应的示例。

图1 降压转化器的负载瞬态设置

大信号测量是在闭环中进行的，这与开环系统有很大不同。需要在时域中分析输出电压，以估计和确定转换器稳定性，图1是使用降压转换器来测试负载瞬态响应的示例。当负载电流快速变化时，将负载阶跃发生器连接到转换器输出端子至关重要。由于 PWM信号在控制环路中控制发电厂，因此在观察未知影响时测量负载阶跃期间的正占空比可以增强负载瞬态响应。这种测量需要一种能够在整个记录周期内以高采样率测量正占空比的仪器。逐周期测量必须显示为一段时间内的波形。

海洋仪器给出的解决方案

罗德与施瓦茨的R&S MXO5示波器非常适合完成这种具有挑战性的任务。它能够在较高的PWM开关频率下，长时间记录并测量正占空比。这种测量需要大带宽、高采样率和大存储容量。采集中的所有正占空比均可用于可视化轨道中整个采集的变化。可以随时间显示单个周期中每次测量的轨迹。轨道波形中包含的典型负载瞬态波形如图2所示。

图2 负载瞬态响应

图2显示了三个连续负载阶跃的标准输出电压和电流波形。控制器输出的正占空比也会显示并用于创建轨迹。理论上，跟踪波形反映了输出电压波形，因为占空比调节发电机以维持恒定的输出电压。

应用

结合全桥拓扑和同步整流的直流-直流开关转换器具有跟踪功能。此独立转换器的开关频率为100kHz，能够将48V输入电压转为12V输出电压。最大输出电流设为8A，并通过电子负载生成输出负载阶跃。

设备设置

在转换器输出处施加负载阶跃之前，我们需要进行一些设置，以便能够正确显示正占空比的跟踪波形。1、设置通道和选择探头2、定义触发以捕获控制器输出端的负载阶跃事件3、激活正占空比测量功能并定义参考电压百分比（例如20%、50%、80%）4、设定采样率，才能精确测量具有陡峭边沿的PWM信号（至少100Msample/s）5、足够捕获整个序列的记录长度（至少一个当前步骤从低到高，另一种形式从高到低）6、激活测量子菜单中的跟踪功能并优化垂直缩放

测量瞬态负载

设置完成后，我们就可以配置电子负载，在低电流（最大负载的20%）和高电流（最大负载的80%）之间施加负载阶跃。一旦触发器监测到有效的触发条件，示波器就会显示波形。如图3所示，顶部窗口显示任一方向上两个负载阶跃的采集。在通道1上测量输出电压，在通道2上测量输出电流。还显示PWM控制信号（通道3）和正占空比的跟踪波形。

图3 降压转化器的负载瞬态设置

缩放窗口显示输出电压仅下降约300μs，然后才重新进入稳态操作。通过光标功能测量，稳定状态下20%和80%负载之间的偏差仅为2.4mV。转换器进入稳定状态后，跟踪波形显示不同结果（26%而不是24%）。该偏差显示出影响，不符合图2所示的预期结果。相关定义和理论表明，占空比应与负载电流无关。根据控制理论，这2%的偏差可能是由于高输出电流引起的高传导损耗所致。这些损耗主要来自于变压器和输出整流器。为了补偿这些附加损耗，需要提高正占空比来平衡，并且跟踪功能支持这种复杂的测量任务。

总结

R&S MXO5示波器示波器非常适合通过PWM控制来验证电源转换器的负载瞬态，在这种情况下需要进行更深入的分析以揭示系统行为细节。大容量内存存储和跟踪功能等出色的功能可帮助用户查找和了解转换器操作的详细信息。