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智能测试

电源动态响应测试,什么样的波形算合格

动态响应一般是指控制系统在典型输入信号的作用下,其输出量从初始状态到终状态的响应。对某一环节(系统)加入单位阶跃输入x(t)时,其响应y(t)开始逐渐上升,直到稳定在某一定值上为止。响应y(t)在达到一定值之前的变化状态称为过渡状态(动态)。此称为动态响应。
工程师在设计电源时,动态响应是必不可少的一项测试指标。由于涉及环路问题一直是很多工程师的心病,下面从几个方面来谈一谈动态响应希望对大家有所帮助:
为什么开关电源需要测试动态响应?
电源动态响应的一般测试方法和要求
测试条件测试数据及示意图
测试步骤
什么样的结果算合格?
动态响应与什么有关?该如何整改?
为什么开关电源需要测试动态响应?
开关电源都是给各种电子设备供电的,电子电路一般都需要一个即使在负载电流发生瞬变时,输出电压也能维持在特定容差范围内的电压源,以确保电路的正常工作。设计工程师必须在理解瞬态响应原理的基础上,利用正确的设计思路才能以较低的成本改善电源的瞬态响应性能。随着各种电子设备或微处理器工作速度和电流需求量的提高,当负载电流发生瞬态变化时,稳压器在指定范围内保持输出电压的能力成为一个广泛存在的困扰。典型CPU芯片的电源规范要求,即使负载电流在几百纳秒内发生10或20A的变化,供电电压仍然要保持稳定,要实现这个性能指标绝非易事。也是很多电源工程师遇到的比较棘手的问题。
电源动态响应的一般测试方法和要求
输入、输出电压为一定值,比如AC220输入的电源,在AC176V、AC220V、AC264V时测试,输出负载在额定值的25%-50%-25%和50%-75%-50%变化,恢复时间≤200us时,输出电压的超调量≤输出电压整定值的±5%;恢复时间》200us,输出电压的超调量≤输出电压整定值负载调整率(即要求不能够超过输出电压整定值的±0.5%),当然有些波形太差或者声音太大客户都是不接受的,另外还有些要求严格的在温度极限或是输入和频率都得测试。
注:恢复时间是指直流输出电压变化量上升至大于稳压精度处开始,会至小于等于并不超过稳压精度处止的这段时间。
测试条件测试数据及示意图
输入:规格中定义的及输入交/直流电压,及交流频率
输出:规格中定义的动态负载电流条件及规格所允许的电容负载
温度:工作温度,常温及工作温度
示波器采样方式:一般设为Sample或Hi-res模式
测试示意图如下

负载设置(如下图示)
依规格要求设定负载电流的起、止点,负载电流的上升、下降速率(Slew Rate)及负载电流的变化周期;一般负载电流的上升和下降速度设置为2.5A/uS,变化周期一般为20ms。
开机后按规格要求,调整负载电流的变化周期(通过改变t1,t2)。
电源测试系列之输出动态响应(Output Dynamic Response Test)
如下图中的各项数据:
电压值:Vo-max, Vovershoot, Vo-stable1, Vo-stable2, Vo-undershoot, Vo-min,
响应时间:tR1,tR2
参考值:t1, t2,Iomax,Io-min;或负载占空比,频率,Iomax,Io-min;

测量波形数据
如下图中的各项数据:
电压值:Vo-max, Vovershoot, Vo-stable1, Vo-stable2, Vo-undershoot, Vo-min,
响应时间:tR1,tR2
参考值:t1, t2,Iomax,Io-min;或负载占空比,频率,Iomax,Io-min;

测试步骤
1)设定环境工作温度,输入电压/频率;对需做动态响应测试的输出,依规格要求设定其负载电流的起、止点,负载电流的上升、下降速率(Slew Rate)及负载电流的变化周期;其他输出负载按照Regulation Table要求设定;
2)开机后按规格要求,调整负载电流的变化周期(t1,t2),观察输出波形的变化;
3)记录使Vo-max、Vovershoot、Vundershoot及Vo-stable1,Vo-min及Vo-stable2的测试条件, 测量输出电压的各对应值及输出响应时间,并保存波形;
4)在步骤3的动态电流的变化周期下,改变其他输出负载条件,使Vo-max、Vovershoot、Vundershoot及Vo-stable1,Vo-min及Vo-stable2,测量并记录相应数据;
5)以步骤3及4找到的差负载条件为负载,以待测电源所提供的各种开机方式开机(如AC on, PS_ON on);
6)依次改变测试条件(动态负载起始点,输入电压/频率及环境温度),重复步骤2、3、4、5;
7)同样方法测试其他输出动态响应。
什么样的结果算合格?
各输出测量值符合规格要求:
不能有震铃(Ringing, 反馈回路欠阻尼)现象,
待测电源不可以损坏(Damaged/Broken down),
待测电源不可以工作不稳定,甚至关机(Shut down),
响应时间符合要求。
判定图例 1
如下图中的各输出测量值符合规格要求;虽有过阻尼,但可接受;

判定图例 2
虽然如下图中的各输出测量值符合规格要求,但反馈回路欠阻尼(不稳定),故不能接受。

上一个电源动态负载实测波形

动态响应与什么有关?该如何整改?
动态负载特性,关系到环路的响应特性。好与差在动态负载时体现很明显。
下供助相关资料阐述动态特性的特点与环路要求:

关于动态特性的调整时间与带宽有关系,带宽越窄,调整越快;输出过冲与电路的阻尼系数有关系,阻尼系数越小,过冲越大
改善动态响应的对策参考:
适当改善反馈响应速率(如适当减小431上RC电路中的电容量、增加光耦电流、减小电流检测PIN脚上RC电路中的电容值),但需注意噪声、重载开机问题;另外,这一方案也受制于实际设计方案的选择:
PWM方式受占空比的限制(Flyback:约0.8,单端正激0.5,其他如Push-pull、Half-bridge,Full-bridge等为0.8,Boost为0.9等),因此设计初期占空比的选择就应当保留一定的余量;
PFM方式也受制于工作频率限制,以免产生噪声或EMI的问题;
在容许的情况下(较低的电容电压),尽可能让占空比或开关频率在动态情形下逐步增大,以避免如电流应力加大等问题;
增加输出电容容量或并联数量,适当降低输出储能电感的感量
电感中的电流不能突变,这是影响输出动态响应的关键,尤其在CCM模式的时候,因此,适当降低感量可以改善动态响应,但需要考虑轻载时的反馈稳定性问题(CCM转变成DCM会造成系统不稳定)
电容的电流可以突变,因此,可以考虑适当考虑增加电容容量或数量来改善,如果Layout空间允许的话。
采用多个变换器并联方案,但成本会较高,这在电流变化速率要求较高的场合(如CPU供电的3~6相V-core电路);
增加开关频率,以更快的速度传递能量,但需考虑元器件的频率特性、EMC及效率等问题;
以上的方案在实际应用中,需综合考虑。当然,也可能存在其他的解决方案,有待研究。

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