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Caratterizzazione alimentatoriSebbene l'analisi della risposta in frequenza possa essere eseguita con apparecchiature dedicate, gli oscilloscopi più recenti possono essere utilizzati per misurare la risposta di un anello di controllo dell'alimentazione.

Utilizzando un oscilloscopio, una sorgente di segnale e un software di automazione, è possibile effettuare rapidamente le misure e presentarle sotto forma di diagrammi di Bode, facilitando la valutazione dei margini e il confronto delle prestazioni del circuito con i suoi modelli.

Un diagramma di Bode mappa la risposta in frequenza del sistema rispettivamente in ampiezza e fase. Da questi diagrammi è possibile determinare i margini di guadagno e i margini di fase per valutare la stabilità dell'alimentatore.

Introduzione all'analisi della risposta in frequenza

La risposta in frequenza di un sistema è una funzione che esprime il modo in cui un segnale di riferimento (di solito una forma d'onda sinusoidale) ad una particolare frequenza applicato all'ingresso del sistema viene trasferito all’uscita dal sistema stesso.

La Figura 1 mostra un anello di controllo tipico nel quale un'onda sinusoidale a(t) viene applicata al sistema con funzione di trasferimento G(s). Dopo che i transitori dovuti alle condizioni iniziali sono terminati, l'uscita b(t) tende a diventare una sinusoide, ma con una diversa ampiezza B e una fase phi relativa al segnale di ingresso.

L’ampiezza e la fase del segnale di uscita b(t) sono infatti legate alla funzione di trasferimento G(s) alla frequenza (Ω rad/s) della sinusoide di ingresso. Il coefficiente di retroazione 'k' determina il modo in cui il segnale di ingresso viene condizionato, in base ai carichi in uscita.

Fig 1: Anello di controllo generalizzato con funzione di trasferimento G(s)Fig 1: Anello di controllo generalizzato con funzione di trasferimento G(s)

Per comprendere il comportamento del sistema, il segnale sinusoidale in ingresso viene fatto variare lungo una gamma di frequenze e con ampiezze variabili. Ciò consente di rappresentare il guadagno e lo spostamento di fase del loop in un intervallo di frequenze e fornisce informazioni preziose sulla velocità del loop di controllo e sulla stabilità dell'alimentazione.

Misurando in sequenza il guadagno e la fase a varie frequenze, è possibile tracciare un grafico del guadagno e della fase rispetto alla frequenza. Utilizzando scale di frequenza logaritmiche, i grafici possono coprire intervalli di frequenza molto ampi.

Questi grafici sono spesso chiamati grafici di Bode per via del loro utilizzo nei metodi di progettazione dei sistemi di controllo, di cui è stato pioniere Hendrik Wade Bode, e al quale fa riferimento lui stesso nell’articolo del 1940 pubblicato sul Bell System Technical Journal, "Relazioni tra attenuazione e fase nella progettazione di amplificatori a retroazione".

Nella progettazione degli alimentatori, le misure dell’anello di controllo aiutano a caratterizzare il modo in cui un alimentatore risponde alle variazioni delle condizioni di carico in uscita, alle variazioni di tensione in ingresso, alle variazioni di temperatura, ecc.

Un alimentatore ideale deve rispondere rapidamente e mantenere un'uscita costante, ma senza eccessive oscillazioni.

Questo obiettivo viene solitamente raggiunto controllando la velocità di commutazione dei componenti di switching (in genere MOSFET) tra l'alimentazione e il carico. Più a lungo l'interruttore rimane acceso rispetto al tempo di spegnimento, maggiore è la potenza fornita al carico.

Un'alimentazione o un regolatore instabili possono oscillare, provocando un'ondulazione apparente molto elevata sulla larghezza di banda dell’anello di controllo. Questa oscillazione può anche causare problemi di EMI.

Misure attraverso l’utilizzo di un oscilloscopio con l'analisi automatizzata della risposta in frequenza

Misurando il guadagno e la fase effettivi del circuito su una gamma di frequenze, possiamo avere fiducia nella stabilità del progetto, più che affidarci alla sola simulazione.

L'esecuzione di una misura della risposta dell’anello di controllo richiede che l'utente fornisca uno stimolo su una gamma di frequenze nel percorso di retroazione dell'anello di controllo.

Utilizzando un oscilloscopio, una sorgente di segnale e un software di automazione, le misure possono essere effettuate rapidamente e presentate attraverso l’uso dei familiari diagrammi di Bode, facilitando la valutazione dei margini e il confronto delle prestazioni del circuito con i modelli.

CONFIGURAZIONE DI TEST PER LA MISURAZIONE DELLA RISPOSTA DELL’ANELLO DI CONTROLLO

Un sistema basato sull’utilizzo di un oscilloscopio per misurare la risposta dell’anello di controllo comprende un software di misura, un generatore di funzioni (integrato nell'oscilloscopio di cui sopra), un trasformatore di iniezione/isolamento, un resistore di iniezione e due sonde passive a bassa attenuazione.Fig. 2: Un sistema basato sull’utilizzo di un oscilloscopio per misurare la risposta dell’anello di controllo comprende un software di misura, un generatore di funzioni (integrato nell'oscilloscopio di cui sopra), un trasformatore di iniezione/isolamento, un resistore di iniezione e due sonde passive a bassa attenuazione

I moderni oscilloscopi possono essere dotati del software di analisi cosiddetto Advanced Power Measurement, questo software applicativo include diverse misure di risposta in frequenza, tra cui:

  • Risposta dell’anello di controllo
  • Rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR)
  • Caratterizzazione di Impedenza

Per determinare le misure dell’anello di controllo, il software di analisi svolge le seguenti importanti funzioni:

  • Controlla il generatore di funzioni
  • Calcola e traccia il guadagno (20 Log V /VOUTIN ) in base ai due ingressi di tensione, dove VIN è la tensione di stimolo del generatore di funzioni.
  • Calcola e traccia lo sfasamento tra VIN e VOUT in base ai due ingressi di tensione.
  • Calcola il guadagno e il margine di fase


Due sonde, applicate su una resistenza di distribuzione di basso valore, forniscono tutte le informazioni necessarie al software di analisi. Misura le ampiezze dello stimolo e della risposta per calcolare il guadagno e misura il ritardo di fase tra lo stimolo e la risposta.

Per misurare la risposta di un sistema di alimentazione è necessario applicare un segnale noto nell'anello di retroazione.

Diversi oscilloscopi Tektronix offrono sorgenti di segnale integrate che possono essere utilizzate per iniettare un segnale nella retroazione dell'anello attraverso un trasformatore di isolamento.

In questo esempio, il generatore di funzioni arbitrarie viene utilizzato per generare onde sinusoidali su un intervallo di frequenze specificato. Il convertitore CC-CC o LDO deve essere configurato con una piccola (5-10 Ω) resistenza di iniezione/resistenza di terminazione nel suo anello di retroazione, in modo che un segnale di disturbo proveniente dal generatore di funzioni possa essere iniettato nell'anello.

Per evitare di sovraccaricare l'anello di controllo, l'ampiezza del segnale di iniezione deve essere mantenuta bassa.
Un trasformatore di iniezione di linea con una risposta piatta su un'ampia larghezza di banda è collegato al resistore e isola la sorgente di segnale a terra dall'alimentazione. La scelta del trasformatore dipende dalle frequenze di interesse.

Per le misure di tensione si consigliano sonde passive a bassa capacità e bassa attenuazione, come la TPP0502. La bassa attenuazione della sonda consente una buona sensibilità. L'attenuazione 2X della sonda TPP0502 consente di effettuare misure con una sensibilità verticale di 500 µV/div sull'MSO serie 6 e di 1 mV/div sull'MSO serie 4 e 5. La bassa capacità di 12,7 pF riduce al minimo gli effetti di carico della sonda.

Grafico di Bode (in alto a destra) con intervallo di sweep da 10 Hz a 20 MHz. Fig. 3: Diagramma di Bode (in alto a destra) con intervallo di sweep da 10 Hz a 20 MHz.Le finestre di visualizzazione dello spettro sono a sinistra. Queste misure sono state effettuate su un’oscilloscopio Tektronix MSO Serie 5

Sintesi

La maggior parte degli alimentatori e dei regolatori di tensione sono essenzialmente amplificatori con un anello di retroazione chiuso.

Le misure dell'anello di controllo aiutano a garantire che il progetto di un alimentatore risponda alle variazioni delle condizioni del carico di uscita senza eccessivi ringing.

Utilizzando un oscilloscopio, una sorgente di segnale e un software automatizzato, le misure possono essere effettuate rapidamente e presentate sotto forma di diagrammi di Bode, facilitando la valutazione dei margini e il confronto delle prestazioni del circuito con i modelli.

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