电源系统是整个电子设备的基石,通常需要一个或多个电源单元来支持其运行,因此它决定了整个系统的完整性和可靠性。
在大规模生产电源时,我们需要与各种设备的离散作斗争。电源稳定吗?在设计电源时,必须对其性能进行详细的测试和验证。它包括在动态负载条件下评估电源的稳定性。
负载动态响应是指在恒压模式下,输出电压恢复到规定百分比范围的时间;或在恒流模式下,输出电流恢复到规定百分比范围的时间。在常见的电源应用中,负载可能波动迅速。此时,确保输出电压的稳定性是电源所需的性能之一,动态响应测试可以更好地评估电源内稳压控制的稳定性。
构建测试环境
如何操作?
Step1 完成硬件系统连接
将DUT输出端连接在DL在3000电子负载的输入端子上(注意电源和负载极性)
将合适的①并联电压探头DUT在输出端,探头连接到示波器的通道1
将DUT输入端与供电电源连接
用电流探头②卡在DUT在输出端的地线上,电流探头连接到示波器的通道2
Step2设定参数
将DL3000电子负荷设置为CC(固定电流)模式后,按下前面板[CON]按钮即选择Continual模式,此时屏幕上将会显示设置向导,如下图所示根据DUT额定电流设置Range、A/B值、斜率、频率
设置向导示意
配置完成后,按[应用]使设定值生效
将示波器通道1(电压探头监测通道)设置为AC耦合,垂直档调整到适当的范围(通常是50~100 mV/Div)
通道2连接示波器电流探头
通道2选择示波器触发通道,上升沿触发选择触发边缘,普通模式选择触发模式。
设置参数要点
A/B值:A值可选为DUT额定电流;B初始值可设定为A80%的值根据实际波形适当调整B值
斜率:斜率通常意味着从A值转换到B电流斜率值越高,激励包含的频率分量越高,建议选择最大值
频率:一般1KHz 50%的空比作为初始参数是一个不错的选择。在后续测试中,可根据实际波形适当提高/降低
Step3开始测试
打开DUT电源输出,对DUT上电后点按DL3000电子负载的[Tran]进入连续测试
适当调整示波器
在上图中,通道2为电流探头测量的电流波形,通道1为DUT输出端子上的电压波形。
打开示波器的平均采样模式,可获得低噪声的瞬态响应测量曲线。
操作要点
如何分析测试波形?
根据实际DUT在测试中,可能会有左图测试波形(严重振铃的电压波形)
可见此测试DUT在跳转过程中,输出电压有一个非常大的振铃,该振荡频率通常在系统的开环传输函数中为180°接近交叉点对应的频率。这也意味着系统的相位裕度很小,振荡频率阻尼较弱。
通过调整电路参数,可以看到响应波形逐渐改善,直到右图所示的响应波形最终被快速阻尼,恢复时间相对合理。此时,系统的相位裕度较大,可以满足电源设计的需要。
在右图所示的测试波形中,相位裕度(频域)与响应波形(时域)有一定的相关性,相位裕度为50~60°左右,裕度大。
如何判断测试图中的一些其他特征?
1)直流电压台阶
动态响应可能发生在测试中A/B值对应的电压不一致,如下图所示的红色箭头。此时,应检查电流负载端子(电源电路)与电压采样端子(采样电路)的连接点是否正确。如果连接正确,则表明电源电路负载调整率相对较差,需要有针对性地检查,如测量系统的开环增益是否足够大。
2)大电压下降和过冲
在某些测试中,可能会观察到电压过冲和下降特性过大的波形,通常更容易出现在线性稳压电路中。
分析:这种情况的原因通常指向电源的输出滤波器电容器,电容器的容量选择与整个反馈环的特性严重不匹配,电容器ESR特性劣化/虚焊、布线不合理可能都会导致此现象。一般来说,线性电源器件对输出电容的容值要求更高。在负载电流迅速突变的情况下,如果输出滤波电容的容值过小,导致电压下降的速度远高于反馈电路控制调整管动作的速度,将会在加载电流时带来较大的电压跌落。反之,将会在卸载电流时带来较大的电压过冲。
一些电源系统可能需要驱动一些特定的负载装置,如MOSFET/IGBT驱动电路、闪光灯等装置的主要特点是负载突变大,时间短,空闲时间长(低功率)。由于空间比例(Duty Cycle)它很低,所以它的平均功率很低。在电源设计中,电容选择可能不足。对于这种电路,使用动态响应测试功能可以直观地观察电压的变化,这将对设计非常有帮助。
总结
通过使用Rigol DL动态响应测试作为测试的核心,可以快速完成电源产品的性能评估。
伯德图(Bode Plot.)测试,两者存在一定的差异。
可见动态响应试验更倾向于定性试验,因为试验非常方便,易于集成ATE在电源生产过程中,测试工具非常适合在线测试。
由于DUT有许多类型,因此有必要根据实际需要选择合适的仪器进行测试: