Простое измерение переходной характеристики позволяет определить полосу пропускания источника питания

Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2017

Bob Sheehan

Electronic Design

Установить взаимосвязь между полосой пропускания и временем реакции источников питания непросто, однако в предлагаемой статье представлен метод измерения, который сможет облегчить этот процесс

Естественно предположить, что между полосой пропускания контура управления источника питания и его переходной характеристикой должна быть какая-то простая связь, однако найти публикацию, в которой эта связь описывалась бы в доступных терминах, до сих пор не удавалось. Чем выше полоса пропускания, тем быстрее реакция петли обратной связи и меньше отклонение напряжения.

Однако на пути установления этой простой взаимосвязи могут стоять некоторые ограничивающие факторы. Первый из них – эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора C_OUT. Если это сопротивление слишком велико, прежде чем сработает петля управления, скачок тока нагрузки ΔI, успеет создать большой перепад напряжения V_P. Величина этого перепада будет определяться формулой (1).

(1)

Второй обусловлен тем, что скорость нарастания может ограничиваться дросселем. Это ограничение зависит от полосы пропускания f_C контура управления и падения напряжения V_L на индуктивности дросселя, которые связаны формулой (2).

(2)

Третьим фактором является существование определенного критического предела индуктивности L_CT, за которым происходит «насыщение» коэффициента заполнения. Тогда пиковое напряжение переходного процесса определяется ограничением тока дросселя, проходящего через выходной конденсатор. Связь между критической индуктивностью, падением напряжения на дросселе, емкостью конденсатора и его ESR описывается формулой (3):

(3)

Чтобы избежать этих проблем, посмотрите на схему источника питания и воспользуйтесь электронной нагрузкой для проверки переходной характеристики. Если полоса пропускания петли обратной связи относительно широка, контур управления не мешает выходному напряжению отслеживать ток нагрузки. В этом случае для задания скачков нагрузки можно использовать небольшую печатную плату с MOSFET и нагрузочным резистором, управляемую функциональным генератором. Для снижения мощности, рассеиваемой резистором электронной нагрузки, коэффициент заполнения импульсов внешнего генератора должен быть небольшим.

Рисунок 1.	Типичная установка для измерения быстрых переходных характеристик источника питания. Для получения достоверных результатов измерений ее следует подключать короткими проводниками с малой индуктивностью.

Чтобы минимизировать индуктивность проводов, очень важно разместить эту схему как можно ближе к проверяемому устройству, как это показано на Рисунке 1. Небольшой черный провод соединен с центральной жилой коаксиального кабеля для измерения выходного напряжения.

Рисунок 2.	Измерение переходной характеристики при скачке тока ∆I = 5 А и COUT = 440 мкФ показывает, что tP = 25 мкс и VP = 130 мВ.

Измеренная переходная характеристика, показанная на Рисунке 2, непосредственно связана с полосой пропускания контура обратной связи (Рисунок 3). При нулевом ESR и при отсутствии ограничений скорости нарастания или коэффициента заполнения, начальное время реакции t_P составляет одну четверть от эффективного периода управляющего контура. Это эквивалентно первой четверти синусоидального отклика на частоте единичного усиления. Хотя пиковое напряжение V_P будет меняться в зависимости от топологии и степени демпфирования, оно легко прогнозируемо с удивительной степенью точности.

Рисунок 3.	Полоса пропускания петли обратной связи для системы ссоответствующей переходной характеристики равна 10 кГц.

Без учета ESR и факторов, ограничивающих скорость нарастания или коэффициент заполнения, t_P рассчитывается на основании формулы (4) и имеет следующее значение:

(4)

Выражение (5) дает однополюсное приближение для режима управления по току, откуда пиковое отклонение напряжения равно:

(5)

Формула (6) позволяет рассчитать V_P в режиме управления по току для случая критического затухания (см. Рисунок 2):

(6)

Для режима управления по напряжению пиковое отклонение напряжения дает формула (7):

(7)

Характеристики источника питания должны быть проверены во всех режимах работы. Если контур обратной связи работает за пределами линейной области, ограничение коэффициента заполнения может привести к значительному провалу напряжения (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Выходное напряжение источника питания при скачке тока 5 А и различных входных напряжениях. Работа контура управления вне его линейной области может привести к значительному провалу напряжения.

Отсюда мы видим, что взаимосвязь полосы пропускания и времени отклика проста и понятна. Измерив переходную характеристику, можно быстро получить хорошую оценку полосы пропускания петли регулирования.