Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2015
Mike Rose
EDN
Использование описанной в этой статье быстрой динамической нагрузки для анализа переходных характеристик источников питания позволяет выявить множество критически важных рабочих параметров. Характер отклонения напряжения в результате быстрого скачка тока нагрузки напрямую связан с запасом по фазе петли обратной связи [2]. Кроме того, для источников питания, удаленных от точки подключения нагрузки, испытания в переходных режимах могут помочь определить значения эквивалентной последовательной индуктивности, шунтирующей емкости и эквивалентного последовательного сопротивления. Хотя фазовый запас коммерческих источников питания обычно контролируется изготовителем, подключение удаленных датчиков может нарушить стабильность источника. Индуктивность межсоединений и емкость нагрузки вносят дополнительный фазовый сдвиг в цепь обратной связи регулятора, ухудшая его устойчивость. Результаты этого – низкочастотные синусоидальные колебания, наложенные на выходное напряжение регулятора – наверняка приходилось наблюдать многим инженерам.
Проверка переходных характеристик на собранной системе позволяет быстро оценить ее динамическую устойчивость и точность (Рисунок 1). У большинства промышленных динамических электронных нагрузок скорости нарастания тока довольно малы, что ограничивает возможности тестирования быстродействующих петель регулирования, которые после большого скачка тока часто могут возвращаться в устойчивое состояние уже через 50 мкс, или даже быстрее. Для большинства мощных систем питания требуется скорость нарастания тока 10 А/мкс или выше.
 |
|
| Рисунок 1. | Характер отклика тестируемого коммерческого 50-ваттного источника питания позволяет приближенно определить запас по фазе [2], полосу пропускания цепи обратной связи и точность стабилизации. |
На Рисунке 2 изображена адаптированная схема из [1] с несколькими существенными усовершенствованиями. Максимальный уровень мощности был увеличен до 150 Вт, а схема оптимизирована под конкретный набор выходных напряжений стабилизаторов 3.3 В, 5 В и 12 В. Образующие нагрузку резисторы R1-R3 коммутируются ключом нижнего плеча на одном N-канальном MOSFET. Варьируя мощность и количество этих резисторов, можно увеличить число возможных комбинаций нагрузок.
 |
|
| Рисунок 2. | Схема тестера переходных режимов источников питания. |
Основой схемы является драйвер MOSFET U1 с триггером Шмитта на входе, управляющий транзистором Q2, и вместе с элементами Q2, R8, R9 и C3 образующий автоколебательный генератор. При указанных на схеме номиналах компонентов коэффициент заполнения составляет примерно 5%, а длительность цикла (TCYC) – 20 мс. Сравнительно низкий коэффициент заполнения упрощает задачу охлаждения устройства.
R6 и R7 в комбинации с входной емкостью MOSFET независимо задают параметры фронтов импульса. Для показанных на схеме номиналов резисторов времена нарастания (TRISE) и спада (TFALL) равны приблизительно 1 мкс. При такой скорости нарастания пиковый ток затвора MOSFET равен примерно +110/–75 мА, что существенно меньше максимально допустимого выходного тока U1, ограниченного значением 1.4 А. Если возникнет необходимость в дополнительном сглаживании фронтов импульса, можно включить конденсатор C2. При времени нарастания/спада 1 мкс и относительно больших сопротивлениях резисторов в затворе MOSFET резонансные явления при коммутации затвора будут несущественными. R4 и C1 позволяют уменьшить резонансные выбросы на линии, возникающие при выключении MOSFET. Выбор величины сопротивления R4 зависит от индуктивности линии и входной емкости. Для большинства типичных условий подключения вполне эффективным оказалось значение 0.5 Ом.
Одной из наиболее удобных особенностей предлагаемого варианта тестера является двухпроводное подключение к исследуемому устройству. Для тестирования систем с напряжениями питания 3.3 В и 5 В в схему добавлен повышающий преобразователь напряжения 12 В, питающий затвор и драйвер MOSFET. Никаких других внешних подключений или источников питания не требуется. Выход повышающего преобразователя может отдавать ток порядка 350 мА при напряжении 3.3 В. Такого тока может быть недостаточно для заряда емкости затвора некоторых MOSFET. При работе с входным напряжением 12 В повышающий преобразователь следует выключить, заменив конденсатор C7 резистором 0 Ом. На L1 и D2 будет падать некоторое напряжение, но на правильную работу схемы это не повлияет. D3 защищает цепи повышающего преобразователя от переполюсовки питания. (Имейте в виду, что паразитный диод транзистора Q1 при переполюсовке откроется, увеличивая мощность, рассеиваемую MOSFET).
Вся схема, включая теплоотвод и небольшой 12-вольтовый вентилятор, легко умещается на двухсторонней печатной плате размером 75 × 125 мм. Работать с устройством, для подключения которого требуются лишь два провода, очень удобно. Выводы тестера должны быть короткими и иметь минимальную индуктивность, чтобы исключить возникновение звона. Подключение исследуемого устройства должно производиться непосредственно вблизи нагрузки или возле удаленного датчика. Обратные провода щупов тестера должны быть присоединены к одной точке. Эту точку следует выбирать так, чтобы импеданс ее пути к источнику питания был как можно более низким.
Нажатие на кнопочный выключатель PB1 запускает автоколебательную схему, и динамическая нагрузка начинает коммутироваться. При желании можно использовать внешний источник питания. R5 и J2 образуют широкополосный выход для измерений пульсаций тока. Для наблюдения формы тока в масштабе 1 мВ/А отрезок 50-омного коаксиального кабеля можно подключить непосредственно к входу осциллографа. Одновременно следует измерять напряжение вблизи точки подключения нагрузки или удаленного датчика с помощью открытого входа второго канала осциллографа. Изготавливать щупы надо с большой аккуратностью. Эффекты, порожденные индуктивность проводов, будут вводить вас в заблуждение. Для подавления высокочастотного звона от эквивалентной последовательной индуктивности щупов последовательно с контактом щупа полезно включить небольшой резистор сопротивлением в несколько ом. Кроме того, не пытайтесь подключать щупы прямо к контактным площадкам развязывающих конденсаторов, которые могут исказить реальную картину изменений напряжений, происходящих в схеме.
Ссылки
Купить LT1935ES5 на РадиоЛоцман.Цены
