Vítejte, dnes je
úterý
03.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky K prováděné analýze amplitudové a fázové odezvy modulu napájecího zdroje TPS55340EVM-148 od Texas Instruments byl použit osciloskop Cleverscope CS328A s video izolačním transformátorem Jensen VB-1BB. Aplikace Cleverscope byla upravena tak, aby umožňovala snadnější nastavení funkcí pro analýzy frekvenční odezvy. Jedná se o verzi č. 4.672, která je k dispozici jako update na webových stránkách Cleverscope (www.cleverscope.com). Na stránkách najdete také instruktážní video.
Navrhli jste napájecí zdroj a umístili na desku. Máte řadu proměnlivých zátěží –FPGA, analogové a digitální rozhraní. Jak zjistíte, zda je váš zdroj stabilní?
Zapněte neočekávanou zátěž a výsledkem může být pomalá odezva, nebo dokonce oscilace, které dostanou napájecí napětí mimo specifikovaný rozsah. Běžným řešením je provést měření přechodové odezvy. Když se to ale provede chybně, může se celý systém zničit. Jinou možností je přidat malý signál (tak, aby nedošlo k vychýlení napájecího zdroje z normálního pracovního rozsahu) do zpětnovazební smyčky napájecího zdroje. Můžete měnit jeho frekvenci a měřit zisk/fázi okolo smyčky. Ale jediné, co uvidíte, je spínací šum (obr. 1) a jinak vlastně vůbec nevíte, co se děje.
Obr. 1 Nesrozumitelný výsledek běžného měření zisku-fáze na smyčce napájecího zdroje
Použijte tedy osciloskop Cleverscope! Do zpětnovazební smyčky přidejte 10 mV (aby došlo k minimálnímu rušení) a k zobrazení měřených hodnot amplitudové a fázové bezpečnosti použijte synchronní graf.
Cleverscope rozmítá signálový generátor synchronně se zachytáváním signálu a následně použije úzkopásmovou korelaci k měření amplitudy/fáze při této frekvenci, aniž by byl ovlivněn okolním šumem napájecího zdroje ve spínacím režimu. V uvedeném příkladu s použitím modulu TPS553430 od TI je při jednotkovém zisku (0 dB) hodnota fázové bezpečnosti 60 stupňů (sloupeček M1). Hodnoty mezi 45 až 60 stupni jsou pro přechodovou odezvu optimální. Daný napájecí zdroj je tedy vyhovující, stejně jako amplitudová bezpečnost (sloupeček M2) –13 dB, což znamená, že návrh může tolerovat změnu až o 13 dB (4,4×) v tolerancích nebo teplotě, než se objeví problémy. Šířka pásma je rozumných 7 kHz. Výsledek je tedy velmi dobrý (obr. 2).
Obr. 2 Výsledek měření
Většina napájecích zdrojů má zpětnou vazbu mezi výstupním a referenčním napětím. Napájecí zdroj má kontrolní smyčku, která udržuje výstupní napětí konstantní na základě délky trvání chyby odvozené z rozdílu mezi výstupním a referenčním napětím.
Výstup (platí pro napěťové zdroje) má vždy nízkou impedanci, zatímco vstup chybového zesilovače má obvykle vysokou impedanci, aby se minimalizoval svodový proud a zahřívání prvků ve zpětnovazební větvi. Z tohoto důvodu můžeme obvykle snadno vložit do série se zpětnovazební větví rezistor s nízkou hodnotou (řekněme 50 Ω), na který se připojí malé napětí. Toto malé napětí vidí chybový zesilovač jako chybu a kontrolní smyčka se ji bude snažit vykompenzovat. Pokud je napětí malé (např. 10 mV), bude i vliv na výstupní napětí malý a systém napájený tímto napájecím zdrojem nebude ovlivněn.
Na obr. 3 je schéma zapojení modulu napájecího zdroje TPS55340EVM, který je typickým izolovaným „flyback“převodníkem.
Obr. 3 Zapojení modulu napájecího zdroje TPS55340
Vstup COMP obvodu TPS55340 (což je výstup zesilovače nastavený na pevnou hodnotu vstupem FB) je použit pro měření chybového napětí vygenerovaného jako rozdíl mezi referenčním napětím daným referenčním zdrojem TLV431 a výstupním napětím. Tento rozdíl je přenesen na vstup COMP přes U2 pracující v lineárním režimu –nárůst proudu diody LED se projeví jako pokles impedance tranzistoru U2, což se dále projeví změnou v napětí na pinu COMP. Anoda LED diody je řízena přímo výstupním napěťovým uzlem, zatímco katoda je připojena na referenční výstup. Napěťový dělič R8 –R14 nastavuje výstupní napětí. Ve skutečnosti jsou zde dvě zpětnovazební cesty –jedna přes R9//C13 a druhá přes R4 –R8 –R14.
Když se podíváme na tento zdroj, vidíme možnost nahradit rezistor R3 rezistorem s hodnotou 50 Ω(stále nízká hodnota v porovnání s impedancí zpětnovazební větve) a připojit na tento rezistor malé napětí. Měli bychom zjistit, že zdroj toto malé napětí vykompenzoval opačným napětím, takže součet přiloženého a kompenzačního napětí je nula. Graf amplitudy/fáze přiloženého napětí versus kompenzační napětí nám dá míru stability zesilovače, vše bez velkého rušení napájecího zdroje. To však znamená měřit velmi malou odezvu v přítomnosti velkého množství spínacího šumu. Naštěstí můžeme použít Fourierovu transformaci a pomocí korelace vybrat úzké pásmo, ve kterém je výkonová hustota spínacího šumu nízká. Tím si zajistíme, že stimulační signál bude korelovaný s měřeným signálem. A to je to, co přístroj Cleverscope dokáže.
Potřebujeme přidat signál na rezistor R3, a to znamená použít izolovaný signálový generátor. K tomu použijeme transformátor. Dále potřebujeme měřit vstupní signál a odezvu. Můžeme předpokládat, že střídavá impedance vstupu je nízká (kondenzátory 330 μF, 47 μF a 0,1 μF tomu napovídají), takže AC měření na TP6 bude představovat injektovaný signál. Veškerý spínací šum nebo rušení výstupního napětí budou jak na TP2, tak na TP6, protože hodnota rezistoru R3 je tak nízká.
AC měření na TP2 ukáže, jak změny napájecího zdroje ve spínacím režimu, tak kompenzační napětí. Typické napájecí zdroje mají odezvu druhého řádu –zisk klesá s frekvencí asi o 20 dB/dekádu. Při nízkých frekvencích bude zisk vysoký. Aplikace Cleverscope vykresluje amplitudu a fázi a zobrazuje také sklon.
Pro odezvu druhého řádu poslouží jako dobrý indikátor stability fázová bezpečnost. U napájecího zdroje, jako je tento, je fáze mezi kompenzačním a přiloženým napětím obvykle kladná, pokud je zisk kladný. To znamená, že fázová bezpečnost je jednoduše dána fází mezi těmito dvěma fázemi. Hodnota této fáze je zobrazena na displeji zisku/fáze osciloskopu Cleverscope ve sloupečku M1: 0 Gain.
Na obr. 4 je grafické zobrazení výstupního napětí jako odezva na zátěž pro různé hodnoty fázové bezpečnosti.
Obr. 4 Výstupní napětí v závislosti na hodnotách fázové bezpečnosti při dané zátěži
Jak je vidět, pro fázovou bezpečnost 35 stupňů a nižší dochází k zakmitávání a překmitům. Hodnoty 45 až 70 stupňů jsou dobře utlumeny (to znamená, že odezva je stále dostatečně rychlá bez oscilací). Hodnoty nad 70 stupňů už ale vykazují horší přechodovou odezvu (výstupnímu napětí trvá déle, než se ustálí na požadované hodnotě).
Odezva na zátěž je ovlivněna také šířkou pásma. V uvedeném grafu je šířka pásma shodná s oscilační frekvencí. S větší šířkou pásma bude odezva napájecího zdroje na zátěž rychlejší. Aby tedy napájecí zdroj zvládl zamýšlené požadavky, musí mít správnou fázovou bezpečnost a dostatečnou šířku pásma.
Pro obvod TI TPS55340 jsme naměřili hodnoty uvedené v tabulce 1.
Tabulka 1 Naměřené hodnoty
Frekvence pro jednotkový zisk (M1) byla 6 919 Hz s fázovou bezpečností 60 stupňů. Změny zátěže až do zhruba poloviny této frekvence bude napájecí zdroj zvládat dobře a bude stabilní.
Z uvedeného grafu je vidět, že stabilita klesá s klesající hodnotou fázové bezpečnosti. Zvýšení amplitudy z důvodu změn ve zpracování povede rovněž k poklesu fázové bezpečnosti. M2 ukazuje, že před dosažením fázové bezpečnosti 0 (oscilace) je hodnota amplitudové bezpečnosti 13 dB. Je velmi nepravděpodobné, že by nám rozdíly v součástkách nebo kolísání teploty mohly způsobit problémy. Konečně, sklon –23,5 dB/dekáda potvrzuje, že se jedná o systém druhého řádu, a naše předpoklady ohledně stability tedy platí.
Signálový generátor Cleverscope poskytuje testovací signál přes video transformátor Jensen 1:1.
Testovací signál byl do obvodu přidán přes rezistor R3 připojením na body TP2 a TP6. Hodnota R3 byla změněna na 50 Ω. Jako zdroj testovacího signálu posloužil signálový generátor CS328A odizolovaný pomocí transformátoru VB-1BB napájeného přes 20 dB zeslabovač (×0,1). Amplituda testovacího signálu měla špičku asi 13 mV. Signál byl rozmítán od 20 Hz do 200 kHz. Transformátor VB-1BB nevykazoval žádné známky saturace, dokud hodnota neklesla pod 20 Hz. Injektování signálu přes rezistor R3 umožňuje stimulaci zpětnovazebních smyček regulátoru.
Kanál A osciloskopu (obr. 5) byl připojen na TP6 jako vstupní signál a kanál B byl připojen na TP2 jako výstupní signál. Jako zátěž 2,5 A jsme použili zátěžový rezistor 2 Ωa jako zátěž 1 A byl použit rezistor 5 Ω. Napájecí zdroj byl nastaven na 12 V (nominální úroveň) a 8 V (spodní napětí).
Obr. 5 Pohled na zobrazení osciloskopu Cleverscope CS328A
Měření bylo prováděno pomocí 14bitového AD převodníku, přičemž 1,28μsec filtr byl zapnutý na „klouzavý průměr“, který omezil vysokofrekvenční šum.
Na obr. 5 je také vidět nastavení časových domén. Úplně vlevo je ovládací panel (Control Panel). Graf osciloskopu, který zaznamenává amplitudu a čas, je vlevo a zobrazuje přidaný signál 22 Hz se špičkovou amplitudou 11 mV. Ovládací panel signálového generátoru zobrazuje vlastní frekvenci 7,6 Hz s rozmítáním v logaritmickém režimu ve 20 krocích/ dekádu až na 200 kHz. Výstupní amplituda je 50 mV mezi špičkami, ta je zeslabena ×0,1 pomocí 20dB zeslabovače a následně ×0,5, protože signálový generátor s impedancí 50 Ωnapájí 50Ωzátěž na EVM. Výsledné napětí má špičku asi 11 mV. Informace o signálu zobrazují amplitudu a frekvenci buzení.
V dialogu Define Spectrum parameters bylo vybráno časové okno (FFT Window) typu Hanning, aby se minimalizovala šířka laloku odezvy a maximalizovala přesnost sinusoidy.
V dialogu Define Averaging Values bylo použito průměrování špiček s interpolací mezi frekvenčními úrovněmi signálového generátoru takto:
Generátor signálu (obr. 6) má pro rozmítání signálu nastaven logaritmický režim, k tomu používá 20 kroků/dekádu.
Obr. 6 Generátor signálu
Po požadovaném nastavení spektra je potřeba kliknout na tlačítko „Auto Step“, čímž se nastaví krok signálového generátoru tak, aby byl kvantován na frekvenční biny (kategorie) displeje spektra. Tím dosáhneme maximální přesnosti.
Frekvenční rozsah je vlastní frekvence (4,6 Hz) až 200 kHz.
Metoda rozmítání je synchronní, kdy generátor krokuje mezi zachytáváním signálu, což vede k maximální přesnosti frekvence.
Amplituda rozmítání byla nastavena jako adaptivní. To znamená, že výstupní amplituda je zvýšena bez frekvenčního krokování, jestliže naměřená koherence (údaj FRA FOM v pravém horním rohu displeje spektra) je menší než 0,2. Hodnoty 0,2 až 10 jsou v pořádku.
Tímto způsobem je kompenzován vysoký zisk ve spínacím režimu při nízkých frekvencích zvýšením výstupní amplitudy.
Výsledek měření provedený výrobcem modulu a zobrazený v dokumentaci obvodu TI TPS55340 EVM je na obr. 7. Tato odezva byla změřena při vstupním napětí 12 V a výstupním proudu 2,5 A. Stimulace není zobrazena. Odtud jsme určili zisk 0 dB při 7,2 kHz (fáze 59 stupňů) a fázi 0 stupňů při 25 kHz (zisk –12 dB). Na obrázku 8 je vidět odezva z osciloskopu Cleverscope, také při 12 V, zátěži 2,5 A (buzení se špičkou 11 mV, s adaptivním zesílením). Cleverscope má zisk 0 dB při 6,8 kHz (fáze 60 stupňů) a fázi 0 při 25,6 kHz (amplitudová bezpečnost –13,1 dB). Tyto výsledky a tvar grafu jsou velmi blízké síťovému analyzátoru TI.
Obr. 7 Odezva uvedená v dokumentaci modulu TPS55340EVM
Obr. 8 Odezva z osciloskopu Cleverscope
Výsledky FRA analýzy pomocí Cleverscopu dobře odpovídají výsledkům síťového analyzátoru TI. Obecně platí, že body křížení 0 dB a 0 stupňů naměřené zařízením Venable (TI) a Cleverscope si dobře odpovídají.
