Verstehen und Messen der transienten Wiederherstellungszeit des Netzteils

Dieser Dateityp enthält gegebenenfalls hochauflösende Grafiken und Schaltpläne.

Bob Zollo, Produktplaner, Power and Energy Division, Keysight Technologies
Die Einschwingzeit der Stromversorgung ist die Spezifikation einer Gleichstromversorgung. Sie beschreibt, wie schnell sich das Netzteil von einem vorübergehenden Lastzustand am Ausgang des Netzteils erholt.   


Bei einem idealen Netzteil, das mit konstanter Spannung arbeitet, würde die Ausgangsspannung auf dem programmierten Wert bleiben, unabhängig davon, wie viel Strom durch die Last aus dem Netzteil gezogen wird. Ein echtes Netzteil kann jedoch seine programmierte Spannung nicht aufrechterhalten, wenn der Laststrom schnell ansteigt.


Als Reaktion auf einen schnellen Anstieg des Stroms fällt die Versorgungsspannung ab, bis die Rückkopplungsschleife der Stromversorgungsregelung die Spannung wieder auf den programmierten Wert bringt. Die Zeit, die benötigt wird, bis der Wert wieder auf den programmierten Wert zurückkehrt, ist die Lasttransienten-Erholungszeit (Abb. 1).


Beachten Sie, dass, wenn die Laststromtransiente keine schnelle Transiente ist, sondern eher langsam ansteigt oder abfällt, die Rückkopplungsschleife der Stromversorgungsregelung schnell genug ist, um die Ausgangsspannung ohne sichtbare Transiente zu regeln und aufrechtzuerhalten. Wenn die Flankengeschwindigkeit der Stromtransienten zunimmt, übersteigt sie die Fähigkeit der Rückkopplungsschleife der Stromversorgung, „mitzuhalten“ und die Spannung konstant zu halten, was zu einem Lasttransientenereignis führt.


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1. Die Lasttransienten-Erholzeit ist die Zeit „X“, die die Ausgangsspannung benötigt, um sich zu erholen und innerhalb von „Y“ Millivolt der Nennausgangsspannung zu bleiben, nach einer schrittweisen Änderung des Laststroms von „Z“ Ampere. „Y“ ist das spezifizierte Erholungsband oder Einschwingband, und „Z“ ist die spezifizierte Laststromänderung, typischerweise gleich dem Volllastnennstrom der Versorgung.




Die Wiederherstellungszeit der Stromversorgungstransiente wird vom Beginn der Laststromtransiente bis zu dem Zeitpunkt gemessen, an dem sich die Stromversorgung beruhigt und wieder den programmierten Wert erreicht. Aber immer wenn Sie „erreicht einen programmierten Wert“ spezifizieren, müssen Sie innerhalb eines Toleranzbandes spezifizieren. Somit wird die Wiederherstellungszeit der Spannungsversorgungslast als die Zeit angegeben, die erforderlich ist, um ein Toleranzband von einigen Prozent des programmierten Werts, einigen Prozent der Nennleistung oder sogar ein festes Spannungstoleranzband zu erreichen. Die Tabelle zeigt einige Beispiele für transiente Spezifikationen der Stromversorgung.  


Betrachtet man das Keysight N7952A Netzteil, sieht man, dass das Toleranzband für die transiente Erholungszeit mit 100 mV angegeben ist. Bei der Messung der Einschwingzeit müssen Sie bei einer Ausgangsspannung von 25 V messen, wie lange es dauert, bis sich die Stromversorgung wieder innerhalb von ±100 mV um 25 V erholt.






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Leistungsverstärker veranschaulichen, warum die Einschwingzeit wichtig ist


Betrachten wir eine Beispielanwendung, bei der das Einschwingverhalten der Gleichstromversorgung wichtig ist. Beim Testen von Leistungsverstärkern (PA), die in mobilen Geräten (wie Mobiltelefonen oder Tablets) verwendet werden, ist es sehr wichtig, dass die DC-Vorspannung in das zu testende Gerät (DUT) auf einer festen und stabilen Spannung bleibt. Wenn die Spannung während des Tests schwankt oder sich ändert, werden die richtigen Testbedingungen nicht aufrechterhalten und die resultierenden HF-Leistungsmessungen am DUT sind nicht korrekt.     


In diesem Fall der PA verschärft sich die Situation aufgrund des aktuellen Profils. Der PA überträgt in Impulsen und zieht daher Strom aus der DC-Vorspannung in Impulsen. Diese Impulse haben schnelle Flankenraten und stellen daher erhebliche Lasttransienten auf der DC-Vorspannung dar. Jedes Mal, wenn der PA einschaltet, zieht er einen hohen Strom, der die DC-Vorspannungsversorgung nach unten zieht. Die Stromversorgung erholt sich schnell; während der Zeit, in der die Stromversorgung auf die Transiente reagiert, ist ihre Spannung jedoch nicht auf dem gewünschten Wert für den Test. Sobald die Stromversorgung wiederhergestellt ist, arbeitet der PA unter den richtigen Testbedingungen und somit wird es möglich, die richtigen HF-Leistungsmessungen durchzuführen. 


Da jedes Jahr Milliarden von PAs hergestellt und getestet werden, ist der Testdurchsatz entscheidend. Wenn sich die Stromversorgung langsam erholt, fügt sie dem PA Testzeit hinzu und verlangsamt daher den Fertigungstestdurchsatz. PA-Hersteller suchen daher nach Netzteilen mit schneller Wiederherstellung, um sicherzustellen, dass sie einen maximalen Fertigungstestdurchsatz erreichen können. Sie schauen auf die Spezifikation der Einschwingzeit, um zu bestimmen, welche Versorgung für ihre Anwendung am besten geeignet ist. Daher muss der Netzteilanbieter in der Lage sein, die Einschwingzeit des Netzteils genau zu messen, um den PA-Herstellern die bestmögliche Spezifikation präsentieren zu können.


Messung der transienten Erholungszeit


Der herausfordernde Teil der Messung der Lasttransienten-Erholzeit besteht darin, zu bestimmen, wann die Spannung in das Toleranzband eintritt. Das Durchschnittsvoltmeter kann leicht messen, ob die DC-Ausgangsspannung innerhalb des Toleranzbandes liegt. Es ist jedoch ein langsames Instrument und kann nicht schnell genug abtasten, um eine aussagekräftige Zeitmessung mit angemessener Auflösung zu liefern, um zu sagen, wie schnell die Spannung in das Toleranzband eingetreten ist.


Über das durchschnittliche Voltmeter hinaus können bestimmte Hochgeschwindigkeits-Voltmeter Zehntausende von Messwerten pro Sekunde mit ausreichender Genauigkeit messen, um zu erkennen, wann die Versorgungsspannung genau in das Toleranzband eintritt. Ein solches Beispiel ist das DMM 34470A von Keysight. Wenn sich die transienten Erholungszeiten verbessern, werden diese Voltmeter, selbst wenn sie Daten mit 50 ksamples/s erfassen, zu langsam, um die schnelle Erholungszeit zu erfassen.  


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Ein Oszilloskop wäre ein vernünftigeres Werkzeug, da es sehr schnelle Transienten leicht erfassen und visualisieren kann. Das durchschnittliche Oszilloskop hat jedoch typischerweise eine vertikale Genauigkeit von 1 % bis 3 % und eine Auflösung von 8 Bit. Folglich ist es schwierig, eine ausreichende vertikale Genauigkeit und Auflösung bereitzustellen, um genau zu lokalisieren, wann die DC-Ausgangsspannung das enge Toleranzband erreicht. 


Indem Sie das Oszilloskop in die Wechselstromkopplung versetzen, versuchen Sie, das Toleranzband zu vergrößern. Es wird jedoch ein Fehler eingeführt, da der eingeschwungene Gleichspannungspegel nach dem Übergang aufgrund der Wechselspannungskopplung verzerrt wird. Dies könnte es schwierig machen, den DC-Pegel nach der Transiente innerhalb des Toleranzbandes genau zu identifizieren, da die eingeschwungene DC-Spannung durch die AC-Kopplung „heruntergezogen“ wird.


Eine andere Option wäre, das Oszilloskop in DC-Kopplung zu belassen, aber einen großen DC-Offset am Oszilloskop zu verwenden, um das Toleranzband zu vergrößern. Dies funktioniert gut mit DC-Ausgängen im 0- bis 10-V-Pegel, aber wenn der DC-Ausgang ansteigt, muss auch der DC-Offset ansteigen. Bei großen DC-Offsets muss der Mindestwert für Volt/Division ebenfalls steigen, um den großen DC-Offset zu unterstützen, was zu einer geringeren Messauflösung im Toleranzband führt.  


Für Stromversorgungen mit einem breiteren Spannungstoleranzband können Oszilloskope verwendet werden, um diese Messungen durchzuführen. Tatsächlich bieten Keysight-Oszilloskope eine integrierte Leistungsanalyse-Software, die transiente Antwortmessungen über schlüsselfertige Operationen durchführt (siehe www.keysight.com/find/scopes-power). Die leistungsstärksten Oszilloskope mit einer Auflösung von 10 oder 12 Bit verfügen über mehr Flexibilität und fortschrittlichere Frontends, sodass sie diese Messungen auch für schmale Spannungstoleranzbänder durchführen können. Diese Endoskope sind jedoch auf dem durchschnittlichen Labortisch nicht so verbreitet.


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2. Dieser Screenshot des Keysight IntegraVision Power Analyzer zeigt die Messung der Erholungszeit bei Spannungstransienten.




Bei Netzteilen mit schmalen Spannungstoleranzbändern kann ein leistungsstarker Netzqualitätsanalysator diese Messung durchführen – vorausgesetzt, er verfügt über eine Single-Shot-Messfunktion. Eine Single-Shot-Messung ist erforderlich, da die Transiente ein Single-Shot-Ereignis ist, das durch die ansteigende Flanke des Stromimpulses ausgelöst wird. Wenn Sie alternativ einen sich wiederholenden Laststrom-Transienten erzeugen können, z. B. eine Rechteckwelle, bei der der Strom zwischen hohen und niedrigen Stromwerten springt, können Sie einen Leistungsanalysator ohne Einzelschussmessung verwenden, um das wiederholte transiente Ereignis zu erfassen.  


Hochleistungs-Leistungsanalysatoren haben eine vertikale Genauigkeit von mehr als 0.1 %, eine Auflösung von 16 Bit und Digitalisierungsgeschwindigkeiten von 1 Msample/s oder mehr. Diese Kombination aus schneller Digitalisierung und genauer Spannungsmessung ermöglicht es Ihnen, das Einschwingverhalten der Stromversorgungslast einfach zu messen und zu erkennen, wann das enge Toleranzband erreicht ist. Da ein Leistungsanalysator Spannung und Strom ohne Tastköpfe direkt messen kann, können Sie diese Messung schnell so einrichten, dass sie von der steigenden Flanke des Stroms aus triggert und dann die Spannungserholzeit misst.  


Ein Leistungsanalysator mit dieser Fähigkeit ist der IntegraVision Power Analyzer (Abb. 2), der eine Single-Shot-Digitalisierung mit 5 Msample/s bei 16 Bit gleichzeitig auf Spannung und Strom mit einer Grundgenauigkeit von 0.05 % bietet, die alle auf einem großen Farb-Touchscreen angezeigt werden . Die Messung wird an einer 10-V-Versorgung durchgeführt, die zwischen 2 A und 8 A gepulst wird. Sein transientes Erholungsband beträgt ±100 mV.


Mit den beiden Y-Markern des IntegraVision können Sie die Oberkante (10.1 V) und die Unterkante (9.9 V) des Spannungstoleranzbands identifizieren. Dann können Sie mit den beiden X-Markern erkennen, wann die Transiente auf der Stromwellenform mit Marker X1 beginnt und wann die Spannung mit Marker X2 in das Toleranzband eintritt. Die Zeitdifferenz zwischen X1 und X2 ist die transiente Erholungszeit, gemessen mit 90.4 μs.

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