Jak wykonać pomiary stabilności przetwornicy DC/DC?

Nowe układy mikroprocesorowe i graficzne oraz procesory obliczeniowe dużej mocy posiadają coraz bardziej restrykcyjne wymagania, co do jakości zasilania. Stabilność napięć zasilających względem zmiennego obciążenia to jedno z głównych wymagań do poprawnej pracy implementowanych układów obliczeniowych i nie tylko. Obecnie, większość obwodów zasilania zbudowana jest za pomocą przetworników DC/DC, które zapewniają wysokie sprawności przy dużych prądach wyjściowych.

Z artykułu dowiecie się, jak wykonać pomiary stabilności przetwornicy DC/DC za pomocą urządzenia BODE 100 firmy Omicron lab. Tekst powinien zaciekawić osoby, które na co dzień zajmują się przekształtnikami prądu stałego.

Znajdziecie również informacje o tym:

• jak poprawnie skonfigurować sprzęt do wykonania pomiaru,
• w którym miejscu w obwodzie przetwornicy należy umieścić sondy pomiarowe,
• w jaki sposób wykonać właściwie kalibrację analizatora,
• jak sobie radzić z powstającymi zakłóceniami, aby wynik pomiarowy był czytelny.

W praktyczny sposób zostanie sprawdzona jakość wykonanej przetwornicy i pętli kompensującej pod względem jej odpowiedzi na wstrzykiwany sygnał zakłócający. Wprowadzane zakłócenie symuluje zmianę napięcia wyjściowego, będącego skutkiem nagłych zmian obciążenia, co ma miejsce podczas normalnej pracy układu.

Przygotowanie sprzętu

Przedmiotem badań będzie przetwornica oparta na układzie LM5143, która pracuje z częstotliwością 2,1 MHz. Zaprojektowana na napięcie wyjściowe 3,3 V, a wejściowe 14 V. Na czas pomiarów zostanie obciążona rezystorami mocy, które wymuszą prąd o wielkości 3,2 A (odzwierciedlając w ten sposób średni pobór mocy projektowanego urządzenia).

Bardzo dobrą praktyką jest używanie rezystancyjnego, pasywnego układu obciążającego naszą przetwornicę podczas pomiarów. Stosowanie aktywnych obciążeń pracujących w trybie stałego prądu (constant current) lub mocy (constant power) może spowodować, że otrzymane wyniki będą nieprawidłowe, przekłamane.

Ze względu na sposób pracy takiego obciążenia i jego własną pętlę sprzężenia zwrotnego, wewnętrzny układ elektronicznego obciążenia będzie na bieżąco korygować zmiany napięcia wyjściowego spowodowane działaniem pętli przetwornicy DC/DC oraz wstrzykiwanego impulsu zakłócającego, co bezpośrednio przekładać będzie się na wyniki pomiarów.

Do przeprowadzenia badania będą potrzebne:

• BODE 100 (zestaw: Vector Network Analyzer + 2 sondy, kabel USB, zasilacz),
• transformator separujący B-WIT 100 (wraz z kablem BNC-BNC),
• BODE Analyzer Suite,
• rezystor 10 Ohm,
• obciążenie rezystancyjne.

Ta metoda pomiaru stabilności wymaga modyfikacji pętli sprzężenia zwrotnego (dzielnika rezystancyjnego) naszej przetwornicy, która polega na wprowadzeniu niewielkiej rezystancji w szereg sprzężenia zwrotnego po stronie niskiej impedancji. Posłuży do tego wcześniej wspomniany rezystor 10 Ohm – na nim będzie odkładało się napięcie sygnału wstrzykiwanego za pomocą analizatora BODE 100 oraz transformatora separującego.

Konfiguracja oprogramowania

Jeśli układ został zmodyfikowany, można przystąpić do uruchomienia środowiska Bode Analyzer Suite w trybie pomiaru wzmocnienia i fazy.

W zakładce Cursor należy włączyć funkcję obliczania marginesu stabilności – to wygodne narzędzie, które automatycznie odczyta z wykresu interesujące nas punkty.

Następnym krokiem jest konfiguracja parametrów urządzenia pomiarowego. Aby to zrobić, należy wybrać funkcję Transmission/Gain i wskazać odpowiedni dzielnik sond oraz wprowadzić najniższą wartość Source level (-30 dBm).

Jest to poziom sygnału, jaki zostanie poprzez transformator separujący wprowadzony do obwodu. Bezpiecznie jest zaczynać od jak najmniejszych wartości, gdyż zbyt duże mogą znacząco przesterować układ. Docelowy poziom zostanie ustalony w dalszej części podczas dostrajania.

Receiver bandwidth warto ustawić w okolicach 300..1000 Hz w przypadku pierwszych, konfiguracyjnych pomiarów. Później, podczas docelowych testów, pasmo warto zawęzić – pozwoli to pozbyć się szumów, ale znacznie wydłuży czas pomiaru.

Pierwsze pomiary

Po wprowadzeniu właściwych ustawień można przejść do wykonania pierwszego pomiaru. Przed rozpoczęciem należy pamiętać, aby sondy umieścić jak najbliżej wlutowanego rezystora 10 Ohm. W ten sposób pominięte zostaną pasożytnicze pojemności oraz indukcyjności połączeń transformatora, które mogą wpływać na kształt otrzymanego przebiegu w paśmie wyższych częstotliwości.

Przetwornica kluczuje z częstotliwością 2,1 MHz, dlatego częstotliwość końcowa została ograniczona do 1 MHz (Stop frequency). Badany układ nie będzie w stanie odpowiedzieć szybciej niż z ½ częstotliwości kluczowania, a pozwoli to skrócić czas pojedynczego pomiaru. Start frequency można zwiększyć do 100 Hz. Takie dwie zmiany powodują drastyczny spadek czasu trwania testu. Kiedy wszystko jest gotowe, można rozpocząć pomiar, klikając Start single measurement.

Otrzymany wykres zawiera bardzo dużo szumów w paśmie niskich i wyższych częstotliwości. Jest to skutek zbyt małej wartości mocy sygnału zakłócającego. W następnych krokach należy przeprowadzić dostrojenie parametrów, aby pozbyć się szumów z przebiegu.

Ważnym elementem na tym etapie jest odczytanie częstotliwości odcięcia (f_C). Wyznacza się ją z przebiegu w miejscu, w którym wzmocnienie jest równe 0 dB. W tym przypadku jest to około 25 kHz, co widać w tabelce nad przebiegiem przy kursorze pierwszym. Można również zawęzić pomiar do 200 kHz (Stop frequency). Skróci to czas testu i w zupełności wystarczy do odczytania wymaganych parametrów.

Dostrajanie

Etap dostrajania polega na zwiększaniu poziomu sygnału (Source level) o 3 dBm przed każdym kolejnym pomiarem i obserwacji wykresu, czy nie zaczyna się przesuwać częstotliwość odcięcia (~25 kHz). Jej zmiana świadczyć będzie o przesterowaniu i zbyt dużej mocy sygnału.

Przy poziomie sygnału 0 dBm częstotliwość odcięcia przesunęła się do okolic 22 kHz. Należy zatem zmniejszyć poziom sygnału, aż uzyskany wynik będzie zbliżony do wartości sprzed przesterowania.

Docelowym poziomem okazuje się być -4 dBm. Niestety, nadal widać duże zaszumienie przy niższych częstotliwościach. W takim przypadku należy skorzystać ze zmiennej wartości sygnału w funkcji częstotliwości. Powinniśmy przesunąć suwak Level z Constant na Variable i kliknąć Shape level…:

Zwiększenie poziomu sygnału w zakresie tych częstotliwości, w których występują duże szumy, znacznie polepszy jakość pomiarów.

Kalibracja

Otrzymany przebieg prezentuje się coraz lepiej. Na tym etapie można przejść do kalibracji analizatora. Wcześniejsze próby byłyby pozbawione sensu ze względu na sposób działania oprogramowania. Zmiana ustawień analizatora lub poziomu sygnału skutkuje utratą wartości kalibracyjnych.

Przed wykonaniem docelowej kalibracji warto sprawdzić, jak kształtuje się tło pomiarowe. W tym celu należy zewrzeć obie sondy razem do jednego z wyjść transformatora i kliknąć Start single measurement.

Po wykonaniu pomiaru tła należy wykonać kalibrację docelową w zakresie User-Range. Ważne jest, aby zewrzeć sondy ze sobą tak, jak poprzednio. Po ukończonym procesie ikona kalibracji jest podświetlona, co oznacza, że pomiary będą korygowane o wartości kalibracyjne. Można wykonać jeszcze jeden pomiar tła w celu porównania.

Pomiar docelowy

W ten sposób przygotowany sprzęt możemy użyć do wykonania finalnego pomiaru. Należy zmniejszyć szerokość pasma odbiornika do około 10..30 Hz (Receiver bandwidth). Pozwoli to uzyskać dużo mniej zaszumiony przebieg przy niskich częstotliwościach – ale niestety kosztem wydłużonego czasu pomiaru.

Wyniki pomiarów widnieją w tabeli nad wykresem. Badana przetwornica w określonych warunkach (V_IN=14 V, I_OUT=3,2 A) charakteryzuje się następującymi parametrami:

• częstotliwość odcięcia: ~25,5kHz,
• margines wzmocnienia: ~11,8dB,
• margines fazy: ~60,5°.

Co można powiedzieć o takich wynikach? Marginesy fazy oraz wzmocnienia są na zadowalających poziomach (przyjęte minima kształtują się w okolicach 6 dB dla marginesu wzmocnienia oraz 30° dla marginesu fazy). Nie powinno być żadnych oscylacji podczas szybkich stanów przejściowych (szybkich zmian obciążenia/skokowych zmian prądów wyjściowych). Natomiast częstotliwość odcięcia jest na dość niskim poziomie (porównując ją do częstotliwości kluczowania przetwornicy 2,1 MHz).

Co to może oznaczać w praktyce? Przetwornica będzie reagować nieco wolniej na stany przejściowe, prowadząc do większych zapadów napięcia (Undershoot) i przepięć (Overshoot) przy impulsach prądowych, czyli chwilową „ucieczkę” napięcia wyjściowego przetwornicy poza jej znamionowe napięcie wyjściowe. Wszystko to trwać będzie do momentu reakcji układu. Czas, po jakim przetwornica zacznie korygować napięcie, można w przybliżeniu dla większości przetwornic DC/DC Buck w prosty sposób wyliczyć z częstotliwości odcięcia, a wzór kształtuje się następująco:

gdzie:

f_C – częstotliwość odcięcia,

t_response – czas reakcji przetwornicy na impuls prądowy (czas zmiany prądu musi być dużo mniejszy niż 1/f_C).

Dla bardzo wytrwałych, lubiących idealne i niezaszumione przebiegi, można zastosować uśrednianie. Niestety, czas oczekiwania na wynik końcowy jest dosyć długi, ponieważ trzeba wykonać w pętli kilkadziesiąt przebiegów. Pomiary trwać mogą nawet kilkadziesiąt minut. Funkcję uśredniania można włączyć w zakładce View -> Average measurement

W polu Average factor należy wprowadzić informację, ile pomiarów ma zostać wykonanych do przedstawienia uśrednionego przebiegu. Uśredniane działa w czasie rzeczywistym, więc na bieżąco można śledzić kształt wykresu i w każdej chwili zatrzymać pomiar.

Rzeczywista odpowiedź przetwornicy

Na wyjście przetwornicy zostanie podany impuls prądowy o wartości 3,2 A i czasie narastania 1 µs (co jest zgodne z założeniem t<<1/ f_C). Za pomocą oscyloskopu zostanie zarejestrowany przebieg napięcia wyjściowego.

Przy użyciu kursorów odczytany został czas reakcji przetwornicy ~11,6 µs, co jest wynikiem zbliżonym do wyliczonego ze wzoru. Dodatkowo, nie ma widocznych oscylacji po zadanym impulsie prądowym.

Poniżej został przedstawiony wpływ marginesu fazy na odpowiedź przetwornicy. Dane pochodzą z badań firmy Texas Instruments. Zauważyć można ścisłą zależność pomiędzy wartością marginesu fazy a oscylacjami odpowiedzi. Wraz ze wzrostem zapasu fazy maleje amplituda drgań odpowiedzi na impuls prądowy.

Podsumowanie

Opanowanie obsługi sprzętu pomiarowego jakim jest analizator sieci przynosi wiele korzyści podczas testów projektowanych przez nas przetwornic DC/DC. W prosty sposób możemy poznać rzeczywiste parametry stabilności, które pozwolą nam przewidzieć zachowanie przetwornika na działanie impulsów prądowych, skonfrontować je z założeniami projektowymi, a w razie potrzeby – dostroić pętlę kompensacyjną i w szybki sposób przeprowadzić ponowne pomiary.

Mam nadzieję, że temat Was choć trochę zainteresował i już niebawem sami wprowadzicie u siebie takie metody pomiaru przetwornic DC/DC.

Źródła

1. Bode 100 – User Manual
2. Bode 100 ­– Application Note
3. Richtek Fast Load Transient Tool design
4. Texas Instruments – Simplifying Stability Checks