【深度好文】使用階躍負(fù)載測(cè)試來(lái)評(píng)估穩(wěn)壓器

本文作者：Masashi Nogawa，Qorvo資深系統(tǒng)工程師

人們正在提供采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵(GaN) 技術(shù)的各種寬帶隙 (WBG) 晶體管….工程師正忙于更換和更新使用傳統(tǒng)晶體管（通常為超結(jié)硅MOSFET和絕緣柵雙極晶體管 IGBT）的過(guò)時(shí)PC板。

該升級(jí)流程中的一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域?yàn)橛糜诿}沖負(fù)載應(yīng)用（如激光脈沖驅(qū)動(dòng)器、燈光信標(biāo)和RF發(fā)射器）的電源。在本文中，將脈沖額定功率在48V輸出時(shí)為1kW的穩(wěn)壓器 (VR) 用作被測(cè)器件，以評(píng)估穩(wěn)定性，但所述技術(shù)也適用于電壓更低或更高的穩(wěn)壓器和不同的功率水平。

挑戰(zhàn)在哪里？

根據(jù)脈沖操作的性質(zhì)，基于在線時(shí)間占空比，用戶可以看到功耗降低的優(yōu)勢(shì)。這意味著散熱/冷卻設(shè)計(jì)比始終在線的100%運(yùn)行占空比功率系統(tǒng)（其中冷卻系統(tǒng)可能是整個(gè)裝置的主要部分）更省事。

相比之下，脈沖負(fù)載應(yīng)用在電路設(shè)計(jì)階段有其自己獨(dú)特的挑戰(zhàn)，這包括穩(wěn)壓器控制回路穩(wěn)定性測(cè)試。在評(píng)估始終在線的系統(tǒng)時(shí)，很容易連接矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 或頻率響應(yīng)分析儀 (FRA)，并運(yùn)行掃頻幾分鐘以獲得波特圖，即用于評(píng)估穩(wěn)定性的一對(duì)增益和相位曲線。

由于用于脈沖負(fù)載的穩(wěn)壓器采用最小冷卻設(shè)計(jì)，因此它無(wú)法在100%的在線占空比下運(yùn)行，否則原型可能在穩(wěn)定性測(cè)量掃描期間出現(xiàn)危險(xiǎn)的過(guò)熱。即使您可以使用門(mén)控信號(hào)輸入端口設(shè)法將VNA/FRA同步到您的脈沖負(fù)載，一旦原型脈沖負(fù)載崩潰和極端浪涌進(jìn)入分析儀的輸入端口，便很有可能損壞昂貴的VNA/FRA。

在本文中，我們研究了用于替代波特圖的其他著名的回路穩(wěn)定性測(cè)試技術(shù)，即階躍響應(yīng)測(cè)試。

小信號(hào)與大信號(hào)

按照教科書(shū)，當(dāng)施加瞬態(tài)負(fù)載脈沖時(shí)，可通過(guò)觀察輸出電壓偏移來(lái)評(píng)估 VR 控制回路的穩(wěn)定性。

然而，許多工程師忽略了寫(xiě)在教科書(shū)同一頁(yè)上的重要聲明，那就是“…僅適用于小信號(hào)”，同時(shí)也應(yīng)該強(qiáng)調(diào)大信號(hào)可能帶來(lái)的問(wèn)題。這種情況以及可能展現(xiàn)出的復(fù)雜性很普通，并不限于采用WBG設(shè)備和48V輸出VR的大功率系統(tǒng)。

“小信號(hào)”與“大信號(hào)”條件之間的關(guān)鍵區(qū)別在于穩(wěn)壓器的直流偏置點(diǎn)在瞬態(tài)過(guò)程中是否顯著移動(dòng)。例如，使用0A-3A的負(fù)載瞬變測(cè)試5V/3A輸出VR（許多VR數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以找到該條件的各種曲線圖）為大信號(hào)瞬變測(cè)試。

運(yùn)行大信號(hào)測(cè)試時(shí)，位于VR控制器芯片或VR板內(nèi)部和外部的許多電路節(jié)點(diǎn)在0A到3A的階躍負(fù)載期間會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換率實(shí)際上是有限的，它們可能掩蓋不穩(wěn)定的行為，在最壞的情況下，VR系統(tǒng)可能出現(xiàn)振蕩，即使在該0A-3A的階躍負(fù)載下未出現(xiàn)任何問(wèn)題。

小信號(hào)和大信號(hào)之間并沒(méi)有明確的界限，但在本文中，我們?cè)谳敵鲭妷褐惺褂?0.5% 的擾動(dòng)，這足以視為小信號(hào)。

對(duì)于更多信息，參考文獻(xiàn)充分解釋了瞬態(tài)（階躍）響應(yīng)、相位裕度、穩(wěn)定性及其與波德圖的關(guān)系。

實(shí)際測(cè)試

在本文所述的測(cè)試中，我們使用了以下設(shè)備。

? Qorvo的RFPoL ACT43850原型，作為48V/1kW輸出VR。ACT43850使用基于WBG晶體管的半橋輸出級(jí)?帶供電軌探針的示波器 (Tektronix MSO6)：TPR4000，作為VR輸出電壓監(jiān)測(cè)器? Picotest的PicoStepper（原型選項(xiàng)之一），作為超快速2A瞬態(tài)負(fù)載? PEM的Rogowsk探針，CTW Ultra-mini CWT03，作為線圈電流監(jiān)測(cè)器? Beehive electronics的EMC 100B探針，作為小階躍電流監(jiān)測(cè)器

? Qorvo內(nèi)部20A瞬態(tài)發(fā)生器，作為假脈沖負(fù)載

測(cè)試設(shè)置如圖1所示。

圖1：VR穩(wěn)定性評(píng)估的測(cè)試設(shè)置

評(píng)估策略

我們按以下方式設(shè)置此“小信號(hào)、負(fù)載瞬變”測(cè)試：

ACT43850 RFPoL VR通過(guò)其48V調(diào)壓輸出來(lái)供電，通過(guò)TPR4000電壓探針來(lái)監(jiān)測(cè)輸出。負(fù)載電流分別以0A-20A-0A階躍，以使用Qorvo內(nèi)部瞬態(tài)發(fā)生器來(lái)模擬目標(biāo)脈沖負(fù)載，但通過(guò)“PicoStepper”瞬態(tài)發(fā)生器來(lái)疊加連續(xù)的額外2A，從而能夠在ACT43850上產(chǎn)生0A-20A-22A-20A-0A的有效負(fù)載。

然后對(duì)ACT43850輸出電壓響應(yīng)進(jìn)行檢查。

小信號(hào)瞬態(tài)結(jié)果

圖2顯示了在測(cè)試中觀察到的波形。初始0A-20A階躍代表“大信號(hào)”，后續(xù)20A-22A和 22A-20A階躍為“小信號(hào)”，組合負(fù)載周期的總持續(xù)時(shí)間設(shè)為1ms。

圖2：在小信號(hào)瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)測(cè)試中捕獲的電壓波形

我們觀察到第一個(gè)瞬態(tài)階躍造成大電壓偏移并在100μs內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。在500μs的時(shí)間點(diǎn)后，額外2A階躍造成約+/-200mV的偏差，并在大約50μs內(nèi)穩(wěn)定下來(lái)。這約占48V輸出的0.5%，所以我們有理由將其稱為“小信號(hào)”。

相比之下，0-20A階躍驅(qū)動(dòng)DC偏置點(diǎn)遠(yuǎn)離其正常工作范圍，并更改回路響應(yīng)。產(chǎn)生的非線性指示是大階躍電壓偏移0A-20A和20A-0A的不同幅度與持續(xù)時(shí)間。請(qǐng)注意，由于使用了Rogowski AC電流探頭，通道3的DC電流水平在測(cè)量期間有所降低。

2A小負(fù)載階躍的電壓偏移形狀指示接近最佳阻尼，相位裕度約為60度，同時(shí)調(diào)節(jié)電流為 20A，這是一個(gè)良好結(jié)果。

在設(shè)置測(cè)試的時(shí)候，出現(xiàn)了圖3中所示的響應(yīng)。初始0A-20A偏移異常過(guò)沖，似乎表明欠阻尼，結(jié)果發(fā)現(xiàn)是由于ACT43850的上游電源進(jìn)入限流狀態(tài)所導(dǎo)致。這是大信號(hào)脈沖負(fù)載測(cè)試可能出現(xiàn)的雜散結(jié)果示例。因?yàn)樵谧罱K測(cè)試中，2A負(fù)載階躍顯示了小偏移和最佳阻尼。

大信號(hào)的可能效應(yīng)眾多，圖3只是一個(gè)示例。

圖3：初始負(fù)載階躍的VR輸出電壓的異常過(guò)沖由上游電源限流造成

深入見(jiàn)解

教科書(shū)告訴我們將階躍負(fù)載（瞬態(tài)）響應(yīng)作為回路穩(wěn)定性評(píng)估工具時(shí)要滿足的另一個(gè)重要條件：即足夠快地使用上升沿和下降沿，與評(píng)估的回路帶寬進(jìn)行比較，我們也清楚 Rogowski探針的速度不足以捕獲PicoStepper的快速沿。

但是，通過(guò)使用EMC探針，我們可以監(jiān)測(cè)PicoStepper的實(shí)際速度，以確認(rèn)速度足夠快。圖4顯示了EMC探針?biāo)甘镜牟ㄐ巍?/span>

圖4：EMC探針波形圖

通道4顯示00B H-場(chǎng)強(qiáng)探針的響應(yīng)，并放大至接近2A負(fù)載階躍的下降沿，顯示sub-1ns脈沖。 通過(guò)使用示波器的集成功能，我們可以通過(guò)Rogowski探針清楚地看到實(shí)際電流的形狀，我們知道該絕對(duì)值為2A下降沿。

通過(guò)在通道4 EMC探針信號(hào)上運(yùn)行FFT，如圖5所示，我們可以看到小信號(hào)頻帶寬度。 這是完全相同的波形，但增加了FFT結(jié)果。此FFT結(jié)果表明，PicoStepper瞬態(tài)具有 700MHz的帶寬，足以精確地評(píng)估ACT43850約100kHz的回路帶寬。

請(qǐng)注意，在圖2中，我們?cè)?00us的時(shí)間點(diǎn)上看到了CH1上的尖峰。圖4是該尖峰的放大圖。然后在CH2上，我們看到此時(shí)過(guò)沖尚未開(kāi)始。

圖5：通道4 EMC探針信號(hào)的FFT

弱相位裕度示例

當(dāng)故意降級(jí)回路時(shí)，我們將看到如下圖所示的振鈴。 圖6： 由圖2中的小信號(hào)階躍響應(yīng)重建的波德圖的快照（由Picotest提供）

結(jié)論和后續(xù)步驟

在了解小信號(hào)與大信號(hào)瞬態(tài)負(fù)載測(cè)試的區(qū)別后，用于脈沖負(fù)載的穩(wěn)壓器可成功地評(píng)估回路穩(wěn)定性。

理論上，該技術(shù)適用于高達(dá)100MHz的控制回路帶寬，而穩(wěn)壓器則遠(yuǎn)超于該需求。

脈沖負(fù)載穩(wěn)定性測(cè)試可用于與末端負(fù)載具有長(zhǎng)連接的應(yīng)用，以識(shí)別由于這些連接而可能導(dǎo)致的振鈴，高測(cè)量帶寬可能有助于在實(shí)際功率分配網(wǎng)絡(luò)中評(píng)估穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性。

Qorvo正使用Picotest的新原型軟件從這些小信號(hào)響應(yīng)波形（圖6）中提取更詳細(xì)的控制回路信息。

參考文獻(xiàn)

*Ref1 - 功率電子設(shè)備的基本原理：Robert Erickson，施普林格出版社

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