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【技術大咖測試筆記系列】之四:使用數字萬用表測量電源瞬態恢復時間

2021-08-31
作者:泰克科技技術大咖 Josh Brown
來源:泰克科技

  簡單地說,瞬態恢復時間是施加負載后電源恢復到設定電平所需的時間長度。不設計電源的人一般會想當然,我們在工作中不管用的是哪種電路,可能只有在電源性能劣化到影響工作時才會注意到它。電源和人有點兒像,如果你問的問題比他知道的多,那么他可能會達不到你的預期。

  我們用一個類比來幫助說明考慮電源壓力的重要性。如果有人投給你一個棒球,告訴你抓住時球要保持在同一高度,前探或后縮幾英寸(或幾厘米),在一秒內完成。棒球(負載)相對較輕,在抓住它時,您的手幾乎不會移動。(當然前提是你要有一個精準的投手。)

  現在想象一下,有人投給你一個保齡球,對你的反應提出同樣的限制。你的手不僅要移動,你的身體也要移動進行配合助力,因為重量變了。球是否導致你保持的高度相對于目標高度發生變化?變化量有多大?你完全抓住并握緊球了嗎?如果不能保持在一定的高度容限內,你能在允許的1秒間隔內穩定高度嗎?很明顯,這個挑戰要大得多(除非你是一名NFL前鋒)。類似的,如果電源上放置的負載超過其處理能力,那么它會很難滿足你的要求。

  那么怎樣才知道自己跑得遠不遠呢?這時使用DMM全面表征瞬態恢復特點就成了關鍵。

  在深入具體細節前,我們先討論一下開關頻率,因為這有助于確定你選擇哪種儀器來評估有問題的行為。盡管線性電源和開關式電源都受到瞬態恢復時間指標影響,但開關式電源以預定頻率工作,自然有更多的噪聲,信號活動要更雜散。開關式電源使用的頻率范圍一般為10 kHz ~ 1 MHz。由于示波器的采樣率高,提供了優秀的可視工具,因此示波器特別適合評估瞬態恢復時間,其中使用電平觸發捕獲事件,使用屏幕光標進行數學和測量分析。

  你可能還會考慮擁有高速采樣功能的數字萬用表,工作臺上可能已經有這種儀器。某些DMM型號很多年前就能夠采樣高達50 kHz,較新的型號則能夠支持高達1 MHz。隨著速度而來的是有更多的高速采樣機會,因為其測量靈敏度要高于大多數示波器。

  為說明怎樣測量瞬態恢復時間,我們使用德儀公司生產的LM25088MH-1EVL評測電路板,其能夠從高達36V的輸入電源提供5V電壓及高達7A電流。在略加改動后,我們把它重新配置成以25 kHz頻率開關。我們使用Keithley 2230A-30-3三通道DC電源其中兩條通道,提供10V輸入信號(最高6A 電流)為評測電路板供電。我們還使用Keithley 2380-500-15電子負載吸收一定量的電流。在這種情況下,我們想把LM25088MH推到其7A極限,看它如何反應。我們使用DMM6500,先評估電子負載吸收大電流時的電壓響應,然后再查看電流響應。

  為評估瞬態恢復電壓,我們把儀器連接如下:

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  在把2230A電源設置成在兩條輸出通道上輸出10V @ 3A (以確保為電源轉換提供足夠的電流)后,我們把2380電子負載設置成吸收7A的恒定電流。我們打開2230A的輸出,同時關閉2380。我們把DMM6500配置成數字化電壓,把采樣率設置成1 MS/s,數量為10k讀數,然后輕觸Set Up Trigger按鈕,出現波形捕獲選項,從Source Event選項中選擇Analog Edge。

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  由于我們預計在應用負載時電壓會有一定下降,所以我們把電平設置成4.925 V,斜率設置成下降沿。選擇之后,我們可以使用Position選項在圖表上調節波形的水平表示。為啟動DMM6500開始監測事件,我們輕觸屏幕左上角的CONT信號器,這時會出現一個下拉菜單,其中有多個觸發選面,選擇Initiate Trigger Model。

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  最后,我們打開2380電子負載,應用有效步進功能,吸收7A電流。DMM6500將捕獲采樣的波形,顯示在Graph圖表一欄中。這會顯示對LM25088MH開關式電源的輸出應用負載時的瞬態響應。輕觸DMM6500屏幕,放大感興趣的區域,可以進一步進行評估,打開光標,得到信號電平(y軸信息)隨時間(x軸信息)變化指標。我們可以看到,開關式電源在大約1.5毫秒后穩定。更有意思的是應用負載后產生大的暫降,驅動輸出電壓最低達到3.466 V。

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  與應用負載時的瞬態恢復同樣重要的,是在移除相同的負載時會發生什么情況。為捕獲這種情況,我們輕觸DMM6500上的Trigger標簽,把電平變成5.1 V,斜率變成Rising上升沿。可以像之前一樣(使用下拉菜單選項),或按儀器前面板DMM顯示屏左面的TRIGGER鍵,觸發DMM。然后關閉2380電子負載,可以在DMM6500圖表上看到開關式電源的恢復波形。

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  我們不用在顯示屏上同時啟用水平光標和垂直光標,而是只使用垂直光標,滑動屏幕底部的信息條,出現VCursor Stats。這會提供兩個豎條之間數據點的基本統計信息。因此,我們不需啟用和調節水平光標,就可以確定移除負載時開關式電源的峰值是6.953 V。我們可以把右手光標設置到輸出變平坦前小的暫降發生的地方,發現恢復響應時間大約是125毫秒。我們也可以放大峰值點區域,更好地查看電壓信號的行為方式。

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  現在我們把注意力轉向電流信號,使用同一條電路,但DMM6500與2380電子負載串聯。注意記錄,因為我們處理的是很大的電流(7 A),我們需要使用DMM背面提供的10 A電流輸入連接。

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  觸發選項設置與之前類似,但現在我們在預計的7 A信號的中點觸發,斜率仍設置成Rising上升沿。

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  我們再次觸發DMM6500(通過下拉菜單),然后打開2380電子負載 – DMM對波形事件的響應沒問題。在移除負載時重復這個過程,我們也使用屏幕光標迅速分析數據,顯示電流暫降到-2.5 A。

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  盡管我們的注意力一直放在高功率波形捕獲上,但我們仍要注意數字萬用表提供的電流靈敏度優勢。當前設計的許多器件都必須盡可能節能,以延長電池續航時間。LM25088MH評測電路板的這條開關電路可以集成到低功率無線設計中,在跳變到不同狀態(睡眠、待機、傳感、處理等)時,必須評估各個元件吸收的弱電流。捕獲低電流波形事件的過程與上面列出的過程相同,但更低的范圍使得用戶可以監測弱電流。例如,如果我們把負載設置成5 mA,使用DMM6500上的10 mA量程,那么我們可以查看微安級讀數。

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  希望這篇筆記能夠讓你了解瞬態恢復測量,并感受吉時利的部分產品。吉時利擁有500多種產品,可以用來提供、測量、連接、控制或傳送直流(DC)或脈沖式電信號。



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